Γιατί είναι ο χώρος στο διάστημα τριών διαστάσεων;

Οι ερευνητές προτείνουν ότι οι τρεις διαστάσεις του χώρου μπορεί να έχουν "παγώσει σε" κατά τα πρώτα λεπτά του σύμπαντος. (Αριστερά) Η ελεύθερη ενέργεια Helmholtz πυκνότητα (στ) φθάνει στη μέγιστη τιμή του σε θερμοκρασία Τ = 0,93, η οποία συμβαίνει όταν ο χώρος είχε n = 3 διαστάσεις. (s και u αντιπροσωπεύουν εντροπία πυκνότητα και την εσωτερική ενεργειακή πυκνότητα, αντίστοιχα.) (Δεξιά) Μεταβάσεις σε διαφορετικές διαστάσεις δεν μπορούν να συμβούν κάτω από τη θερμοκρασία του 0,93, που αντιστοιχεί σε τρεις διαστάσεις. Credit:. Gonzalez-Ayala et al © 2016 EPL

 Γιατί είναι ο χώρος τριών διαστάσεων;
Το ερώτημα γιατί ο χώρος είναι τρισδιάστατος (3D) και όχι κάποιος άλλος αριθμός των διαστάσεων έχει προβληματίσει τους φιλοσόφους και επιστήμονες από την αρχαία Ελλάδα. Ο χωροχρόνος είναι συνολικά τεσσάρων διαστάσεων, ή (3 + 1) διάστατος, όπου ο χρόνος είναι η τέταρτη διάσταση. Είναι γνωστό ότι η διάσταση του χρόνου σχετίζεται με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής: η ώρα έχει μία κατεύθυνση (προς τα εμπρός), επειδή η εντροπία (ένα μέτρο της αταξίας) δεν μειώνεται ποτέ σε ένα κλειστό σύστημα, όπως το σύμπαν.

Σε ένα νέο έγγραφο που δημοσιεύθηκε στην EPL , οι ερευνητές έχουν προτείνει ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί επίσης να εξηγήσει γιατί το διάστημα είναι 3D.

"Ένας αριθμός των ερευνητών στους τομείς της επιστήμης και της φιλοσοφίας έχουν αντιμετωπίσει το πρόβλημα της (3 + 1) διάστατης φύση του χωροχρόνου από δικαιολογεί την κατάλληλη επιλογή των διαστάσεων της, προκειμένου να διατηρήσει τη ζωή, τη σταθερότητα και την πολυπλοκότητα," coauthor Julian Gonzalez-Αγιάλα, στο Εθνικό Πολυτεχνικό Ινστιτούτο του Μεξικού και το Πανεπιστήμιο της Σαλαμάνκα στην Ισπανία.

"Η μεγαλύτερη σημασία της δουλειάς μας είναι ότι έχουμε παρουσιάσει μια έκπτωση που βασίζεται σε ένα φυσικό μοντέλο της διάστασης στο σύμπαν με ένα κατάλληλο και λογικό σενάριο του χώρου-χρόνου. Αυτή είναι η πρώτη φορά που ο αριθμός«τρία»των διαστάσεων του χώρου προκύπτει ως η βελτιστοποίηση μιας φυσικής ποσότητας".


Οι επιστήμονες προτείνουν ότι ο χώρος είναι 3D, λόγω της θερμοδυναμικής ποσότητας που ονομάζεται η πυκνότητα της ελεύθερης ενέργειας Helmholtz. Σε ένα σύμπαν γεμάτο με ακτινοβολία, αυτή η πυκνότητα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα είδος πίεσης σε όλα του χώρου, η οποία εξαρτάται από τη θερμοκρασία του σύμπαντος και τον αριθμό των χωρικών διαστάσεων.
Εδώ οι ερευνητές έδειξαν ότι, καθώς στο σύμπαν άρχισε η ψύξη μετά τη Μεγάλη Έκρηξη η πυκνότητα Helmholtz έφτασε πρώτη στη μέγιστη τιμή της σε πολύ υψηλή θερμοκρασία που αντιστοιχεί στο όταν το σύμπαν ήταν απλώς ένα κλάσμα του δευτερολέπτου, και όταν ο αριθμός των χωρικών διαστάσεων ήταν περίπου τρεις.

Η βασική ιδέα είναι ότι ο 3D χώρος είχε «παγώσει σε" σε αυτό το σημείο, ήταν όταν η πυκνότητα Helmholtz έφτασε πρώτη τη μέγιστη τιμή της, απαγορεύοντας τον 3D χώρο από τη μετάβαση του σε άλλες διαστάσεις

 Αυτό συμβαίνει επειδή ο δεύτερος νόμος επιτρέπει τις μεταβάσεις σε υψηλότερες διαστάσεις μόνο όταν η θερμοκρασία είναι πάνω από αυτή την κρίσιμη τιμή, και όχι κάτω από αυτή. Δεδομένου ότι το σύμπαν συνεχώς ψύχεται, η τρέχουσα θερμοκρασία είναι πολύ κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία που απαιτείται για τη μετάβαση από 3D χώρο σε ένα υψηλότερο διαστάσεων χώρο. Με τον τρόπο αυτό, οι ερευνητές εξηγούν, γιατί οι χωρικές διαστάσεις είναι χαλαρά ανάλογες με τις φάσεις της ύλης, όπου η μετάβαση σε μια διαφορετική διάσταση μοιάζει με μετάβαση φάσης όπως η τήξη του πάγου-κάτι που είναι δυνατό μόνο σε αρκετά υψηλές θερμοκρασίες.

"Κατά τη διαδικασία ψύξης του πρώιμου σύμπαντος και μετά την πρώτη κρίσιμη θερμοκρασία, η αρχή της αύξησης της εντροπίας για κλειστά συστήματα θα μπορούσαν να απαγορεύσουν ορισμένες αλλαγές των διαστάσεων", εξήγησαν οι ερευνητές.

Η πρόταση εξακολουθεί να αφήνει περιθώρια για υψηλότερες διαστάσεις για να έχουν συμβεί κατά το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν το σύμπαν ήταν ακόμη θερμότερο από ό, τι ήταν στην κρίσιμη θερμοκρασία . Επιπλέον οι διαστάσεις υπάρχουν σε πολλά κοσμολογικά μοντέλα, κυρίως στη θεωρία των χορδών. Η νέα μελέτη θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγήσει γιατί, σε ορισμένα από αυτά τα μοντέλα, οι επιπλέον διαστάσεις φαίνεται να έχουν καταρρεύσει (ή παρέμειναν στο ίδιο μέγεθος, το οποίο είναι πολύ μικρό), ενώ ο 3D χώρος συνέχισε να αναπτύσσεται σε ολόκληρο το παρατηρήσιμο σύμπαν .

Στο μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να βελτιώσουν το μοντέλο ώστε να περιλάβουν πρόσθετα κβαντικά φαινόμενα που μπορεί να έχουν συμβεί κατά το πρώτο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, το λεγόμενο «Planck εποχή." Επιπλέον, τα αποτελέσματα από ένα πιο πλήρες μοντέλο μπορεί επίσης να παρέχει καθοδήγηση για τους ερευνητές που εργάζονται σε άλλα κοσμολογικά μοντέλα , όπως η κβαντική βαρύτητα.

 Εξερευνήστε περαιτέρω: Ποιος νοιάζεται για την τέταρτη διάσταση;

Περισσότερες πληροφορίες: Julian Gonzalez-Αγιάλα, Rubén Cordero και F. Angulo-Brown. "Είναι το (3 + 1) -D φύση του σύμπαντος μια θερμοδυναμική αναγκαιότητα;" EPL . DOI: 10.1209 / 0295 με 5075/113/40006 
Επίσης (πρώιμη έκδοση) στο arXiv: 1502.01843 [gr-qc] via phys.org

kavalarissa

Η ΑΠΟΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΕΝΑΤΟΥ ΚΥΜΑΤΟΣ