Damos por sentado que vivimos en un mundo de tres dimensiones regidas por las leyes de la física, y que a menudo no se preguntan por qué. Pero un grupo de físicos acaba de eclosionar una nueva teoría que piensan que puede explicar nuestro universo tridimensional.
Una erupción de nudos cósmicos en el Big Bang puede explicar por qué nuestro universo tiene tres dimensiones. Crédito: Keith Wood/Vanderbilt
Los físicos piensan que su nuevo modelo también podría explicar la inflación, la expansión exponencial del espacio que el universo experimentó justo momentos después del Big Bang.
Thomas Kephart de la Universidad de Vanderbilt y cuatro de sus colegas de todo el mundo querían averiguar por qué nuestro universo aparentemente tiene sólo tres dimensiones, sobre todo porque, como escribieron, "escenarios de gravedad cuántica como la teoría de cuerdas ... asumen nueve o "diez dimensiones espaciales a nivel fundamental".
Combinaron la física de las partículas con la teoría matemática del nudo para intentar y resolver esto, pidiendo prestado el concepto de los "tubos del flujo," que son filamentos flexibles de la energía que unen partículas elementales juntas.
Los quarks, las partículas elementales que componen protones y neutrones, se mantienen unidos por otro tipo de partícula elemental llamada gluon que "pega" a los quarks juntos. Los quarks positivos de gluones Bond a los antiquarks negativos que coincidan con estos filamentos de energía del tubo de flujo.
Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparecería cuando las dos partículas entren en contacto — se autoaniquilarían. Pero, el equipo dijo en un artículo publicado por European Physical Journal C, si dos o más tubos de flujo se entrelazan, se vuelve estable. Si los tubos toman la forma de un nudo, se vuelven aún más estables y pueden sobrevivir a las partículas que la crearon.
"Un nudo o vínculo entre dos tubos de fundente es sólo clásicamente estable si éstos no pueden intersectarse y reconectarse o pasarse entre sí", escribieron los investigadores. "Tales interconmutaciones conducen al conocido comportamiento de escalamiento en redes de cuerdas cósmicas, que se ha observado en varios ejemplos de cadenas no interactuando."
En los momentos de transición, como lo que ocurrió durante el Big Bang, las partículas vinculadas se separan, y el tubo de flujo se alargaría hasta llegar a un punto en el que se rompa. Cuando lo hace, libera suficiente energía para formar un segundo par Quark-antiquark que se separa y se une a las partículas originales, produciendo dos pares de partículas encuadernadas.
Los físicos equipararon esto a cómo el cortar un imán de barra por la mitad produce dos imanes más pequeños que ambos tienen polos norte y sur.
Si los tubos se anudaban juntos, podían expandirse y multiplicarse rápidamente. El equipo calculó la energía que esta red de tubo de flujo podría contener y encontró que sería suficiente para alimentar un período temprano de inflación cósmica.
Mientras que esto suena como una cantidad increíble de acción para tener lugar en un período tan corto de tiempo — la teoría de la inflación sugiere que el universo se expandió exponencialmente en milisegundos — Kephart le dijo a Seeker que los tubos de flujo se forman naturalmente durante los tiempos de transición.
"Los tubos de fundente se forman en transiciones de fase donde pueden surgir formas complejas de materia", explicó en un correo electrónico. "Por ejemplo, el vapor de agua es estructuralmente simple, pero si se enfría rápidamente se obtiene una ráfaga de copos de nieve, todos se ven diferentes y la nueva fase parece mucho más compleja."
En un ambiente de extremadamente alta energía, el equipo dijo que el plasma de quark-gluon habría sido un ambiente ideal para la formación rápida del tubo de flujo en el universo muy temprano.
Pero, crucialmente, señalaron que esto sólo funcionaría si el universo existiera en tres dimensiones. Si agrega más dimensiones, el proceso se vuelve inestable.
"De todas las dimensiones posibles del espacio, nuestro mecanismo escoge tres como el único número de dimensiones que pueden inflarse y así convertirse en grandes", escribió el equipo. "Este modelo puede explicar por qué vivimos en tres grandes dimensiones espaciales, ya que los tubos anudados/vinculados son topológicamente inestables en los tiempos espaciales de mayor dimensión."
Esto estaría de acuerdo técnicamente con un modelo de computadora del 2012 donde los científicos japoneses encontraron que en el momento del Big Bang, el universo tenía 10 dimensiones, pero sólo tres de estas dimensiones espaciales se expandieron. Por lo tanto, el espacio tridimensional que experimentamos podría haberse formado a partir de 10 dimensiones, al igual que predice la teoría de la supercuerda.
Su nueva teoría también concordaría con ciertas teorías de calibre, que son teorías utilizadas por físicos que describen los límites de las leyes físicas y cómo se aplican a las transformaciones simétricas.
Kephart observó que esta nueva teoría del tubo de flujo también abarca lo que sucedió después de la inflación.
"No sólo nuestra una red de tubos de flujo que proporciona la energía necesaria para impulsar la inflación, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo en un comunicado. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a decaer y eventualmente se rompió, eliminando la fuente de energía que estaba alimentando la expansión".
Los investigadores dicen que cuando la red se descompuso, llenó el universo con un gas de partículas y radiación subatómicas, permitiendo que la evolución del universo continúe a lo que vemos hoy.
"Esto combina el conocimiento de las teorías de calibre y la posibilidad de que una configuración inicial uniforme puede condensar en tubos de flujo," Kephart le dijo a Seeker, "junto con el hecho de que los nudos y enlaces para las cuerdas sólo pueden ser estables en 3D, más el estado actual de la teoría" del universo primitivo y la necesidad de una forma natural de inflar.
Si bien todo esto es teórico, Kephart dijo que el siguiente paso sería continuar desarrollando su teoría hasta que pueda hacer algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que realmente puede ser probada.