Заполнение ранней вселенной узлами может объяснить, почему мир является трехмерным
В следующий раз, когда вы столкнетесь с запутанностью веревки или проволоки или пряжи, подумайте о следующем: естественная тенденция к спутыванию вещей может помочь объяснить трехмерную природу Вселенной и ее формирование, сообщает sciencedaily.
©
Международная команда физиков разработала новую теорию, которая предполагает, что вскоре после появления, 13,8 миллиарда лет назад, вселенная была заполнена узлами, образованными из гибких нитей энергии. Эти нити называют потоковыми трубами, соединяющими элементарные частицы вместе. Идея дает четкое объяснение, почему мы живем в трехмерном мире и описывается в статье под названием «Узкая инфляция и размерность пространства времени», принятой к публикации в European Physical Journal C.
«Хотя вопрос о том, почему наша Вселенная имеет ровно три (больших) пространственных измерения, является одной из самых глубоких загадок в космологии ... на самом деле это лишь иногда рассматривается в [научной] литературе», — начинается статья.
Для нового решения этой головоломки пять соавторов — профессора физики Арджун Берра из Эдинбургского университета, Роман Буний из Университета Чепмена, Генрих Пэс (автор «Идеальной волны: с нейтрино на границе пространства и времени») из Университета Дортмунда, Жоао Роза из Университета Авейро и Томас Кефарт из Университета Вандербильта — взяли общий элемент из стандартной модели физики частиц и смешали его с небольшой базой теории узлов. Так был создан новый сценарий, который объясняет не только преобладание трех измерений, но также предусматривает естественный источник энергии для инфляционного всплеска роста. По мнению большинства космологов, вселенная прошла этот этап через микросекунды после своего появления.
Общим элементом, который заимствовали физики, является «потоковая трубка», состоящая из кварков — элементарных частиц протонов и нейтронов, удерживаемых вместе другим типом элементарных частиц, называемый глюоном — он «склеивает» кварки вместе. Глюоны связывают положительные кварки с соответствующими отрицательными антикварками, гибкими цепями энергии, называемыми потоковыми трубами. Когда связанные частицы раздвигаются, трубка потока увеличивается до тех пор, пока не достигнет точки, где она разрушается. Когда это происходит, выделяется достаточно энергии для образования второй пары кварк-антикварк, которая расщепляется и связывается исходными частицами, создавая две пары связанных частиц. (Этот процесс аналогичен разрезанию стержневого магнита пополам, чтобы получить два меньших магнита, как с северным, так и с южным полюсами.)
«Мы взяли известный феномен потоковой трубки и подняли его до более высокого уровня энергии», - сказал Кефарт, профессор физики в Вандербильте.
Физики разрабатывают детали своей новой теории с 2012 года, когда они присутствовали на семинаре, который Кефарт организовал в Институте Исаака Ньютона в Кембридже, в Англии. Берра, Буни и Пэс все знали Кефарта, поскольку они были наняты в качестве докторантов в Вандербильте, прежде чем получить назначение на факультет. В дискуссиях на семинаре группа была заинтригована возможностью того, что потоковые трубки могли сыграть ключевую роль в первоначальном формировании Вселенной.
Компьютерная графика, созданная физиками, показывает тип плотной сети трубок, возможно заполнивших раннюю вселенную.
©Томас Кефарт, Университет Вандербильта
Согласно современным теориям, когда вселенная была создана, она была в начальной стадии заполнена перегретым изначальным супом, так называемой кварк-глюонной плазмой. Он состоял из смеси кварков и глюонов. (В 2005 году кварк-глюонная плазма была успешно воссоздана в ускорителе частиц, релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории, международной группой физиков, и в их числе трое из Вандербильта: председатель, профессор по физике Виктория Грин и профессора физики Чарльз Магуайр и Юлия Велковская.)
Кефарт и его сотрудники поняли, что более высокая энергетическая версия кварк-глюонной плазмы была бы идеальной средой для формирования флюсовой трубки в самой ранней вселенной. Большое количество пар кварков и антикварков, спонтанно созданных и аннулированных, создаст мириады потоковых трубок.
Как правило, трубка потока, которая соединяет кварк и антикварк, исчезает, когда две частицы контактируют и аннигилируют, но есть исключения.
Например, если трубка принимает форму узла, то она становится стабильной и может пережить частицы, которые ее создали. Например, если одна из частиц обнаружит путь верхнего узла, то ее потоковая трубка образует тройственный узел. В результате узловатая трубка будет продолжать существовать даже после того, как частицы, которые она связывает, аннигилируют друг друга. Стабильные потоковые трубки также создаются, когда две или более из них становятся взаимосвязанными. Простейшим примером является зацепление Хопфа, состоящее из двух взаимосвязанных кругов.
Таким образом, вся вселенная могла заполниться плотной сетью потоковых трубок, как предполагают авторы. Затем, когда они подсчитали, сколько энергии может содержать такая сеть, они были приятно удивлены, обнаружив, что этого достаточно, чтобы привести в действие ранний период космической инфляции.
Поскольку идея космической инфляции была введена в начале 1980-х годов, космологи в целом имеют общепринятое суждение о том, что ранняя Вселенная проходила через период, когда она расширилась от размера протона до размера грейпфрута менее чем за триллионную долю секунды.
©
Этот период гиперрасширения решает две важные проблемы в космологии. Он может объяснить наблюдения, что пространство является более плоским и более гладким, чем кажется астрофизикам. Несмотря на эти преимущества, принятие теории имело препятствия, поскольку соответствующий источник энергии не был идентифицирован.
«Наша сеть потоков не только обеспечивает энергию, необходимую для стимулирования инфляции, но также объясняет, почему она так резко прекратилась», — сказал Кефарт. «Когда вселенная начала расширяться, сеть флюсовых трубок начала разлагаться и в конечном счёте развалилась, устраняя источник энергии, который стимулировал расширение».
Когда сеть разрушилась, она заполнила вселенную газом субатомных частиц и излучением, позволяя эволюции Вселенной продолжаться вдоль линий, которые ранее были определены.
Особенностью их теории является то, что она обеспечивает естественное объяснение трехмерного мира. Существует ряд теорий высших измерений, таких как теория струн, которые визуализируют вселенную как имеющую девять или десять пространственных измерений. Как правило, их сторонники объясняют, что эти более высокие измерения скрыты от взглядов тем или иным образом.
Объяснение теории потоковой трубы исходит из основной теории узлов. «Это был Генрих Пэс, который знал, что узлы формируются только в трех измерениях и хотел использовать этот факт, чтобы объяснить, почему мы живем в трех измерениях», — сказал Кефарт.
Объяснить поможет двумерный пример. Скажем, вы поместили точку в центре круга на листе бумаги. Невозможно освободить круг от присутствия точки, оставаясь на листе. Но если вы добавите третье измерение, вы можете поднять круг над точкой и переместить его в сторону пока точка больше не будет находиться внутри круга, прежде чем опустить его назад. Что-то подобное происходит с трехмерными узлами: если вы добавляете четвертое измерение — математики показали, что они распутываются. «По этой причине узловые или связанные трубки не могут образовываться в пространствах более высокой размерности, — сказал Кефарт.
Конечным результатом является то, что инфляция была бы ограничена тремя измерениями. Если существует их большее количество, они будут оставаться слишком малыми для нашего восприятия.
Следующим шагом для физиков является разработка их теории до тех пор, пока она не представит некоторые предсказания о природе вселенной, которые можно будет протестировать.
Исследование было поддержано Департаментом энергетики США DE-SC0010504, Фондом Александра фон Гумбольдта, Европейской комиссией и Португальским фондом науки и техники.
Источник: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171016190308.htm
Переведено @vako
для сообщества @vp-cosmos