La próxima vez que te encuentres con un revoltijo anudado de cuerda, alambre o hilo, reflexiona sobre esto: la tendencia natural de que las cosas se enreden puede ayudar a explicar la naturaleza tridimensional del universo y cómo se formó.
Un equipo internacional de físicos ha desarrollado una teoría lista para usar que propone que poco después de su aparición hace 13.8 mil millones de años, el universo se llenó de nudos formados por hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo que unen partículas elementalesLa idea proporciona una explicación clara de por qué habitamos en un mundo tridimensional y se describe en un documento titulado "Inflación nudosa y la dimensionalidad del espacio-tiempo", aceptado para su publicación en el Revista física europea C .
"Aunque la pregunta de por qué nuestro universo tiene exactamente tres grandes dimensiones espaciales es uno de los acertijos más profundos de la cosmología ... en realidad solo se aborda ocasionalmente en la literatura [científica]", comienza el artículo.
Para una nueva solución a este rompecabezas, los cinco coautores: los profesores de física Arjun Berera en la Universidad de Edimburgo, Roman Buniy en la Universidad Chapman, Heinrich Päs autor de The Perfect Wave: With Neutrinos at the Boundary of Space andTime en la Universidad de Dortmund, João Rosa en la Universidad de Aveiro y Thomas Kephart en la Universidad de Vanderbilt - tomaron un elemento común del modelo estándar de física de partículas y lo mezclaron con una pequeña teoría básica de nudos para producir un escenario novedoso que nosolo puede explicar el predominio de tres dimensiones, pero también proporciona una fuente de energía natural para el crecimiento inflacionario que la mayoría de los cosmólogos creen que el universo pasó por microsegundos después de que estalló.
El elemento común que los físicos tomaron prestado es el "tubo de flujo" compuesto de quarks, las partículas elementales que forman protones y neutrones, unidas por otro tipo de partícula elemental llamada gluón que "pega" quarks juntos. Gluones enlazan positivoquarks para igualar antiquarks negativos con hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo. A medida que las partículas unidas se separan, el tubo de flujo se alarga hasta llegar al punto donde se rompe. Cuando lo hace, libera suficiente energía para formar un segundo quark-par antiquark que se divide y se une con las partículas originales, produciendo dos pares de partículas unidas el proceso es similar a cortar un imán de barra por la mitad para obtener dos imanes más pequeños, ambos con los polos norte y sur.
"Tomamos el conocido fenómeno del tubo de flujo y lo elevamos a un nivel de energía más alto", dijo Kephart, profesor de física en Vanderbilt.
Los físicos han estado trabajando en los detalles de su nueva teoría desde 2012, cuando asistieron a un taller que Kephart organizó en el Instituto Isaac Newton en Cambridge, Inglaterra. Berera, Buniy y Päs conocían a Kephart porque estaban empleados como post-becarios doctorales en Vanderbilt antes de obtener citas docentes. En las discusiones en el taller, el grupo se sintió intrigado por la posibilidad de que los tubos de flujo pudieran haber desempeñado un papel clave en la formación inicial del universo.
Según las teorías actuales, cuando se creó el universo, inicialmente se llenó con una sopa primordial sobrecalentada llamada plasma de quark-gluón. Consistía en una mezcla de quarks y gluones. En 2005, el plasma de quark-gluón se recreó con éxito en unacelerador de partículas, el colisionador de iones pesados relativistas en el Laboratorio Nacional Brookhaven, por un grupo internacional de físicos, incluidos tres de Vanderbilt: la cátedra Stevenson en física Victoria Greene y los profesores de física Charles Maguire y Julia Velkovska.
Kephart y sus colaboradores se dieron cuenta de que una versión de mayor energía del plasma quark-gluon habría sido un entorno ideal para la formación de tubos de flujo en el universo primitivo. La gran cantidad de pares de quarks y antiquarks que se crean y aniquilan espontáneamente crearíanmiríadas de tubos de flujo.
Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto y se autoaniquilan, pero hay excepciones.
Si un tubo toma la forma de un nudo, por ejemplo, entonces se estabiliza y puede sobrevivir a las partículas que lo crearon. Si una de las partículas traza el camino de un nudo por encima, por ejemplo, entonces su tubo de flujo formará unnudo trébol. Como resultado, el tubo anudado continuará existiendo, incluso después de que las partículas que une se aniquilan entre sí. Los tubos de flujo estables también se crean cuando dos o más tubos de flujo se entrelazan. El ejemplo más simple es el enlace Hopf, queconsta de dos círculos interconectados.
De esta manera, todo el universo podría haberse llenado con una estrecha red de tubos de flujo, imaginaron los autores. Luego, cuando calcularon cuánta energía podría contener dicha red, se sorprendieron gratamente al descubrir que era suficiente paraalimentar un período temprano de inflación cósmica.
Desde que se introdujo la idea de la inflación cósmica a principios de la década de 1980, los cosmólogos generalmente han aceptado la proposición de que el universo primitivo atravesó un período en el que se expandió del tamaño de un protón al tamaño de una toronja en menos de una billonésima parte deun segundo.
Este período de hiperexpansión resuelve dos problemas importantes en cosmología. Puede explicar las observaciones de que el espacio es más plano y más liso de lo que los astrofísicos piensan que debería ser. A pesar de estas ventajas, la aceptación de la teoría se ha visto obstaculizada porque una fuente de energía apropiada tieneno ha sido identificado
"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para impulsar la inflación, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo Kephart. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a descomponerse y finalmente se rompió,eliminando la fuente de energía que estaba impulsando la expansión "
Cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continúe a lo largo de las líneas que se han determinado previamente.
La característica más distintiva de su teoría es que proporciona una explicación natural para un mundo tridimensional. Existen varias teorías dimensionales superiores, como la teoría de cuerdas, que visualizan el universo con nueve o diez dimensiones espaciales. Generalmente, sus defensores explican que estas dimensiones superiores están ocultas a la vista de una forma u otra.
La explicación de la teoría del tubo de flujo proviene de la teoría básica de los nudos. "Fue Heinrich Päs quien sabía que los nudos solo se forman en tres dimensiones y quería usar este hecho para explicar por qué vivimos en tres dimensiones", dijo Kephart.
Un ejemplo bidimensional ayuda a explicar. Digamos que coloca un punto en el centro de un círculo en una hoja de papel. No hay forma de liberar el círculo del punto mientras permanece en la hoja. Pero si agrega un tercerodimensión, puede levantar el círculo sobre el punto y moverlo hacia un lado hasta que el punto ya no esté dentro del círculo antes de bajarlo nuevamente. Algo similar sucede con los nudos tridimensionales si agrega una cuarta dimensión - los matemáticos han demostradoque se deshacen. "Por esta razón, los tubos anudados o unidos no pueden formarse en espacios de dimensiones superiores", dijo Kephart.
El resultado neto es que la inflación se habría limitado a tres dimensiones. Las dimensiones adicionales, si existen, seguirían siendo de tamaño infinitesimal, demasiado pequeñas para que podamos percibirlas.
El siguiente paso para los físicos es desarrollar su teoría hasta que haga algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que puedan probarse.
La investigación fue apoyada por la subvención del Departamento de Energía de EE. UU. DE-SC0010504, la Fundación Alexander von Humboldt, la Comisión Europea y la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Vanderbilt . Original escrito por David Salisbury. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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