De volgende keer dat je een geknoopte wirwar van touw of draad of garen tegenkomt, denk hier eens over na:de natuurlijke neiging van dingen om in de war te raken, kan helpen bij het verklaren van de driedimensionale aard van het universum en hoe het gevormd is.

Een internationaal team van natuurkundigen heeft een out-of-the-box theorie ontwikkeld die kort nadat het 13,8 miljard jaar geleden ontstond, het universum was gevuld met knopen gevormd uit flexibele strengen energie, fluxbuizen genaamd, die elementaire deeltjes met elkaar verbinden. Het idee biedt een nette verklaring voor waarom we een driedimensionale wereld bewonen en wordt beschreven in een paper met de titel "Knotty inflatie en de dimensionaliteit van ruimtetijd" die is geaccepteerd voor publicatie in de Europees fysiek tijdschrift C en beschikbaar op de arXiv preprint-server.

"Hoewel de vraag waarom ons universum precies drie (grote) ruimtelijke dimensies heeft een van de meest diepgaande puzzels in de kosmologie is ... wordt het eigenlijk slechts af en toe behandeld in de [wetenschappelijke] literatuur, " begint het artikel.

Voor een nieuwe oplossing voor deze puzzel, de vijf co-auteurs – natuurkunde professoren Arjun Berera aan de Universiteit van Edinburgh, Roman Buniy aan de Chapman University, Heinrich Päs (auteur van "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") aan de Universiteit van Dortmund, João Rosa van de Universiteit van Aveiro en Thomas Kephart van de Vanderbilt Universiteit – namen een gemeenschappelijk element uit het standaardmodel van de deeltjesfysica en vermengden dit met een beetje basisknooptheorie om een ​​nieuw scenario te produceren dat niet alleen de overheersing van drie dimensies kan verklaren, maar biedt ook een natuurlijke krachtbron voor de inflatoire groeispurt waarvan de meeste kosmologen denken dat het universum microseconden heeft doorgemaakt nadat het tot bestaan ​​was gekomen.

Het gemeenschappelijke element dat de natuurkundigen leenden, is de "fluxbuis" die bestaat uit quarks, de elementaire deeltjes waaruit protonen en neutronen bestaan, bij elkaar gehouden door een ander type elementair deeltje, een gluon genaamd, dat quarks aan elkaar "lijmt". Gluonen koppelen positieve quarks aan het matchen van negatieve antiquarks met flexibele energiestrengen die fluxbuizen worden genoemd. Terwijl de gekoppelde deeltjes uit elkaar worden getrokken, de fluxbuis wordt langer totdat hij een punt bereikt waarop hij breekt. Wanneer het gebeurt, het geeft genoeg energie vrij om een ​​tweede quark-antiquarkpaar te vormen dat zich splitst en zich bindt met de oorspronkelijke deeltjes, waardoor twee paar gebonden deeltjes ontstaan. (Het proces is vergelijkbaar met het doormidden snijden van een staafmagneet om twee kleinere magneten te krijgen, zowel met noord- als zuidpool.)

"We hebben het bekende fenomeen van de fluxbuis genomen en het naar een hoger energieniveau geschopt, " zei Kephart, hoogleraar natuurkunde aan Vanderbilt.

De natuurkundigen werken sinds 2012 de details van hun nieuwe theorie uit. toen ze een workshop bijwoonden die Kephart organiseerde aan het Isaac Newton Institute in Cambridge, Engeland. Berera, Buniy en Päs kenden Kephart allemaal omdat ze als postdoctoraal fellows bij Vanderbilt werkten voordat ze een faculteitsaanstelling kregen. In discussies tijdens de workshop de groep raakte geïntrigeerd door de mogelijkheid dat fluxbuizen een sleutelrol hadden kunnen spelen in de initiële vorming van het universum.

Volgens de huidige theorieën, toen het universum werd gecreëerd, was het aanvankelijk gevuld met een oververhitte en elektrisch geladen vloeistof, quark-gluonplasma genaamd. Deze bestond uit een mengsel van quarks en gluonen. (In 2015 werd het quark-gluonplasma met succes herschapen in een deeltjesversneller, de Relativistische Heavy Ion Collider in Brookhaven National Laboratory, door een internationale groep natuurkundigen, waaronder vijf van Vanderbilt:Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, en professoren in de natuurkunde Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon en Julia Velkovska.)

Kephart en zijn medewerkers realiseerden zich dat een hogere energieversie van het quark-gluonplasma een ideale omgeving zou zijn geweest voor de vorming van fluxbuizen in het zeer vroege heelal. Het grote aantal paren quarks en antiquarks dat spontaan wordt gecreëerd en vernietigd, zou talloze fluxbuizen creëren.

Normaal gesproken, de fluxbuis die een quark en een antiquark verbindt, verdwijnt wanneer de twee deeltjes met elkaar in contact komen en zichzelf vernietigen, maar er zijn uitzonderingen.

Als een buis de vorm van een knoop heeft, bijvoorbeeld, dan wordt het stabiel en kan het de deeltjes overleven die het hebben gecreëerd. Als een van de deeltjes het pad van een bovenhandse knoop volgt, bijvoorbeeld, dan vormt de fluxbuis een klaverbladknoop. Als resultaat, de geknoopte buis blijft bestaan, zelfs nadat de deeltjes die het verbindt elkaar vernietigen. Stabiele fluxbuizen ontstaan ​​ook wanneer twee of meer fluxbuizen met elkaar verbonden raken. Het eenvoudigste voorbeeld is de Hopf-link, die bestaat uit twee onderling verbonden cirkels.

Op deze manier, het hele universum zou gevuld kunnen zijn met een dicht netwerk van fluxbuizen, de auteurs voor ogen hadden. Vervolgens, toen ze berekenden hoeveel energie zo'n netwerk zou kunnen bevatten, ze waren aangenaam verrast toen ze ontdekten dat het genoeg was om een ​​vroege periode van kosmische inflatie aan te wakkeren.

Sinds het idee van kosmische inflatie begin jaren tachtig werd geïntroduceerd, kosmologen hebben in het algemeen de stelling aanvaard dat het vroege heelal een periode doormaakte waarin het in minder dan een biljoenste van een seconde uitbreidde van de grootte van een proton tot de grootte van een grapefruit.

Deze periode van hyperexpansie lost twee belangrijke problemen in de kosmologie op. Het kan waarnemingen verklaren dat de ruimte zowel vlakker als vloeiender is dan astrofysici denken dat het zou moeten zijn. Ondanks deze voordelen, acceptatie van de theorie is belemmerd omdat er geen geschikte energiebron is geïdentificeerd.

"Ons netwerk van fluxbuizen levert niet alleen de energie die nodig is om de inflatie aan te drijven, het verklaart ook waarom het zo abrupt stopte, "zei Kephart. "Toen het heelal begon uit te dijen, het netwerk van fluxbuizen begon te rotten en brak uiteindelijk uit elkaar, het elimineren van de energiebron die de uitbreiding aandreef."

Toen het netwerk uitviel, het vulde het universum met een gas van subatomaire deeltjes en straling, waardoor de evolutie van het universum kan doorgaan langs de lijnen die eerder zijn vastgesteld.

Het meest onderscheidende kenmerk van hun theorie is dat het een natuurlijke verklaring biedt voor een driedimensionale wereld. Er zijn een aantal hogere dimensionale theorieën, zoals snaartheorie, die het universum visualiseren met negen of tien ruimtelijke dimensies. Over het algemeen, hun voorstanders leggen uit dat deze hogere dimensies op de een of andere manier aan het zicht worden onttrokken.

De verklaring van de flux-buistheorie komt van de basisknooptheorie. "Het was Heinrich Päs die wist dat knopen zich alleen in drie dimensies vormen en dit feit wilde gebruiken om uit te leggen waarom we in drie dimensies leven, ' zei Kephart.

Een tweedimensionaal voorbeeld helpt verklaren. Stel dat je een stip in het midden van een cirkel op een vel papier zet. Er is geen manier om de cirkel van de stip te bevrijden terwijl je op het blad blijft. Maar als je een derde dimensie toevoegt, je kunt de cirkel boven de stip optillen en naar één kant verplaatsen totdat de stip zich niet meer in de cirkel bevindt voordat je hem weer naar beneden laat zakken. Iets soortgelijks gebeurt er met driedimensionale knopen als je een vierde dimensie toevoegt - wiskundigen hebben aangetoond dat ze ontrafelen. "Om deze reden kunnen geknoopte of gekoppelde buizen zich niet vormen in ruimten met een hogere dimensie, ' zei Kephart.

Het netto resultaat is dat de inflatie beperkt zou zijn gebleven tot drie dimensies. Extra afmetingen, als ze bestaan, oneindig klein zou blijven, veel te klein voor ons om waar te nemen.

De volgende stap voor de natuurkundigen is het ontwikkelen van hun theorie totdat deze enkele voorspellingen doet over de aard van het universum die kunnen worden getest.