Czy wczesny wszechświat miał tylko jeden wymiar przestrzenny? To zadziwiająca koncepcja leżąca u podstaw teorii, którą zaproponował fizyk Dejan Stojkovic z Uniwersytetu w Buffalo i współpracownicy w 2010 roku. Sugerowali, że wczesny wszechświat - który eksplodował z jednego punktu i początkowo był bardzo, bardzo mały - był jednowymiarowy (jak linia prosta) przed rozwinięciem o dwa wymiary (jak płaszczyzna), a następnie trzy (jak świat, w którym dzisiaj żyjemy).
Teoria, jeśli jest aktualna, rozwiązałaby ważne problemy w fizyce cząstek.
Teraz, w nowym artykule w Physical Review Letters, Stojkovic i fizyk z Uniwersytetu Loyola Marymount, Jonas Mureika, opisali test, który mógłby udowodnić lub obalić hipotezę „znikających wymiarów”.
Ponieważ światło i inne fale potrzebują czasu na podróż na Ziemię, teleskopy wystające w kosmos mogą zasadniczo spojrzeć w przeszłość, badając zewnętrzne obszary wszechświata.
Fale grawitacyjne nie mogą istnieć w jedno- lub dwuwymiarowej przestrzeni. Stojkovic i Mureika uzasadnili więc, że laserowa interferometryczna antena kosmiczna (LISA), planowane międzynarodowe obserwatorium grawitacyjne, nie powinna wykrywać żadnych fal grawitacyjnych pochodzących z niższych wymiarów epok wczesnego wszechświata.
Stojkovic, adiunkt fizyki, twierdzi, że teoria ewolucji wymiarów stanowi radykalne przesunięcie w stosunku do naszego myślenia o kosmosie - o tym, jak powstał nasz wszechświat.
Podstawową ideą jest to, że wymiar przestrzeni zależy od wielkości przestrzeni, którą obserwujemy, przy czym mniejsze przestrzenie są powiązane z mniejszą liczbą wymiarów. Oznacza to, że czwarty wymiar otworzy się - jeśli jeszcze tego nie zrobił - w miarę rozszerzania się wszechświata.
Teoria ta sugeruje również, że przestrzeń ma mniej wymiarów przy bardzo wysokich energiach tego rodzaju, jakie są związane z wczesnym wszechświatem po wielkim wybuchu.
Jeśli Stojkovic i jego koledzy mają rację, pomogą rozwiązać podstawowe problemy związane ze standardowym modelem fizyki cząstek, w tym:
Niezgodność między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności. Mechanika kwantowa i ogólna teoria względności to ramy matematyczne opisujące fizykę wszechświata. Mechanika kwantowa jest dobra w opisywaniu wszechświata w bardzo małych skalach, podczas gdy względność jest dobra w opisywaniu wszechświata w dużych skalach. Obecnie te dwie teorie uważa się za niezgodne; ale gdyby wszechświat na najmniejszych poziomach miał mniej wymiarów, matematyczne rozbieżności między tymi dwoma strukturami zniknęłyby.
Fizycy zauważyli, że ekspansja wszechświata przyspiesza i nie wiedzą dlaczego. Dodanie nowych wymiarów wraz ze wzrostem wszechświata wyjaśniałoby to przyspieszenie. (Stojkovic mówi, że czwarty wymiar mógł już otworzyć się w dużych, kosmologicznych skalach).
Standardowy model fizyki cząstek przewiduje istnienie jeszcze nieodkrytej cząstki elementarnej zwanej bozonem Higgsa. Aby jednak równania w modelu standardowym dokładnie opisały obserwowaną fizykę świata rzeczywistego, badacze muszą sztucznie dostosować masę bozonu Higgsa pod kątem interakcji między cząsteczkami, które mają miejsce przy wysokich energiach. Jeśli przestrzeń ma mniej wymiarów przy wysokich energiach, potrzeba tego rodzaju „strojenia” znika.
„Proponujemy tutaj zmianę paradygmatu” - powiedział Stojkovic. „Fizycy zmagają się z tymi samymi problemami od 10, 20, 30 lat, a proste rozszerzenie istniejących pomysłów raczej ich nie rozwiąże”.
„Musimy wziąć pod uwagę możliwość, że coś jest systematycznie nie tak z naszymi pomysłami” - kontynuował. „Potrzebujemy czegoś radykalnego i nowego, a to jest coś radykalnego i nowego”.
Ponieważ planowane wdrożenie LISA jest jeszcze za wiele lat, może minąć dużo czasu, zanim Stojkovic i jego koledzy będą mogli w ten sposób przetestować swoje pomysły.
Jednak niektóre dowody eksperymentalne wskazują już na możliwe istnienie przestrzeni niższych wymiarów.
W szczególności naukowcy zaobserwowali, że główny strumień energii cząstek promienia kosmicznego o energiach przekraczających 1 wolt teraelektronowy - rodzaj wysokiej energii związanej z bardzo wczesnym wszechświatem - jest wyrównany wzdłuż dwuwymiarowej płaszczyzny.
Jeśli wysokie energie odpowiadają przestrzeni o mniejszych wymiarach, jak sugeruje teoria „wymiarów znikających”, badacze pracujący z akceleratorem cząstek Wielkiego Zderzacza Hadronów w Europie powinni zobaczyć rozpraszanie planarne przy takich energiach.
Stojkovic twierdzi, że obserwacja takich wydarzeń byłaby „bardzo ekscytującym, niezależnym testem naszych proponowanych pomysłów”.
Źródła: EurekAlert, Physical Review Letters.
