Dlaczego przestrzeń ma trzy wymiary?

Pytanie, dlaczego przestrzeń ma trzy wymiary (3D) a nie jakąś inną ich liczbę, nurtowało filozofów i naukowców już w starożytnej Grecji. Czasoprzestrzeń ogólnie jest czterowymiarowa lub (3 + 1) - wymiarowa, gdzie mamy trzy wymiary przestrzenne a czwarty stanowi czas.

Przestrzeń 3D, wizja artystyczna. Duże w nowym oknie >>

Dobrze znany jest fakt, że wymiar czasu jest bezpośrednio związany z drugim prawem termodynamiki które stanowi, że czas może płynąć tylko w jednym kierunku (do przodu) ponieważ entropia (poziom, miara nieuporządkowania) nie zmniejsza się w układzie zamkniętym takim jak Wszechświat. W nowym artykule opublikowanym w EPL, naukowcy udowadniają, że druga zasada termodynamiki może również wyjaśniać dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa.

"Wielu badaczy nauk ścisłych jak również filozofów zajmujących się tym tematem tłumaczy taką a nie inną ilość wymiarów, subtelnym wyborem który umożliwia podtrzymanie życia, stabilności, złożoności Wszechświata" , mówi współautor pracy Julian Gonzalez-Ayala z Narodowego Instytutu Politechnicznego w Meksuku, Uniwersytetu Salamanki w Hiszpanii.

"Największym osiągnięciem naszej pracy jest to, że przedstawiamy obliczenia bazujące na fizycznym modelu wymiarowości Wszechświata które pasują do stanu jaki obserwujemy, stanowią rozsądny scenariusz powstania czasoprzestrzeni w takiej a nie innej formie." Kontynuuje.

Naukowcy publikujący badania o których mowa, wysnuwają wniosek, że przestrzeń w naszym Wszechświecie istniej w formie 3D z powodu termodynamicznej własności zwanej gęstością energii swobodnej Helmholtza. We wszechświecie wypełnionym promieniowaniem, ta gęstość może być rozumiana jako rodzaj nacisku na całą powierzchnię, która zależy od temperatury Wszechświata i liczby jego wymiarów przestrzennych.

Naukowcy wykazali, że kiedy Wszechświat zaczął się chłodzić tuż po Wielkim Wybuchu, gęstość Helmholtza osiągnęła pierwszą maksymalną wartość, w momencie kiedy wiek Wszechświata można szacować na ułamek sekundy, przy bardzo wysokiej temperaturze i przy w przybliżeniu trzech wymiarach przestrzennych.

Kluczowym założeniem badań jest, że przestrzeń 3D została "zamrożona" w momencie, gdy gęstość Helmholtza osiągnęła swoją pierwszą maksymalną wartość, niepozwalającą przestrzeni 3D przejść w inną strukturę wymiarową.

Naukowcy zakładają, że trzy wymiary przestrzeni zostały "zamrożone" w pierwszych chwilach Wszechświata.(Po lewej) Gęstość wolnej energii Helmholtza (f) osiąga swoje maximum przy temperatucze T = 0,93, która występuje kiedy przestrzeń ma n = 3 wymiary.(s i u reprezentują odpowiednio gęstość entropii i gęstość wewnętrznej energii.)(Po prawej) Przejście do innej struktury wymiarowej nie może wystąpić poniżej temperatury 0,93 odpowiadającej trzem wymiarom. Wykonanie: Gonzalez-Ayala i wsp. © 2016 EPL Duże w nowym oknie >>

Ograniczenie to wystąpiło ponieważ druga zasada termodynamiki dopuszcza przejście do wyższych struktur wymiarowych tylko wtedy gdy temperatura jest wyższa od pewnej krytycznej wartości. Ponieważ Wszechświat od momentu powstania ciągle ulega chłodzeniu, obecna temperatura jest znacznie poniżej krytycznej wartości umożliwiającej przejście z przestrzeni 3D do większej ilości wymiarów. Naukowcy wyjaśniają, że zjawisko to jest w pewien sposób analogią zmian stanu skupienia materii, kiedy na przykład topnienie lody jest możliwe tylko wtedy gdy temperatura jest wystarczająco wysoka.

"W procesie chłodzenia wczesnego Wszechświata i po osiągnięciu pierwszej krytycznej temperatury, zasada przyrostu entropii w systemach zamkniętych mogła zapobiec dalszej zmianie wymiarowości" , wyjaśniają naukowcy.

Wnioski z badań zakładają, że większa ilość wymiarów mogła występować w pierwszych ułamkach życia Wszechświata, kiedy jego temperatura była wyższa od temperatury krytycznej dla trzech wymiarów. Dodatkowe wymiary są obecne w wielu kosmologicznych modelach, przede wszystkim w teorii strun. Nowe badania być może pomogą wyjaśnić, dlaczego w niektórych z tych modeli, dodatkowe wymiary się zapadły (lub zostały w tym samym rozmiarze, bardzo małym), kiedy przestrzeń 3D rozrosła się do rozmiarów całego obecnie obserwowalnego Wszechświata.

W przyszłości naukowcy planują poprawić swój model o dodatkowe efekty kwantowe które mogły wystąpić w pierwszych ułamkach sekundy po Wielkim Wybuchu, w tak zwanej "Epoce Planka". Ponadto, wyniki bardziej kompletnego modelu prawdopodobnie będą stanowić wartościową wskazówkę dla badaczy pracujących przy innych modelach kosmologicznych np. Kwantowej Grawitacji.

Żródło: phys.org
Orginalny Artykuł: 10.1209/0295-5075/113/40006

Julian Gonzalez-Ayala, Rubén Cordero and F. Angulo-Brown. "Is the (3 + 1)-d nature of the universe a thermodynamic necessity?"