La próxima vez que te encuentres con un revoltijo de cuerda, alambre o hilo, reflexiona sobre esto:la tendencia natural de las cosas a enredarse puede ayudar a explicar la naturaleza tridimensional del universo y cómo se formó.

Un equipo internacional de físicos ha desarrollado una teoría innovadora de que poco después de su aparición hace 13.800 millones de años, el universo estaba lleno de nudos formados por hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo que unen las partículas elementales. La idea proporciona una clara explicación de por qué habitamos un mundo tridimensional y se describe en un artículo titulado "Inflación nudosa y la dimensionalidad del espacio-tiempo" aceptado para su publicación en el Revista Física Europea C y disponible en el servidor de preimpresión arXiv.

"Aunque la cuestión de por qué nuestro universo tiene exactamente tres (grandes) dimensiones espaciales es uno de los enigmas más profundos de la cosmología ... en realidad solo se aborda ocasionalmente en la literatura [científica], "comienza el artículo.

Para una nueva solución a este rompecabezas, los cinco coautores:los profesores de física Arjun Berera de la Universidad de Edimburgo, Roman Buniy en la Universidad Chapman, Heinrich Päs (autor de "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") en la Universidad de Dortmund, João Rosa de la Universidad de Aveiro y Thomas Kephart de la Universidad de Vanderbilt tomaron un elemento común del modelo estándar de física de partículas y lo mezclaron con una pequeña teoría básica de nudos para producir un escenario novedoso que no solo puede explicar el predominio de tres dimensiones, sino también proporciona una fuente de energía natural para la racha de crecimiento inflacionario que la mayoría de los cosmólogos creen que el universo pasó por microsegundos después de que estalló en existencia.

El elemento común que los físicos tomaron prestado es el "tubo de flujo" compuesto por quarks, las partículas elementales que componen los protones y neutrones, unidos por otro tipo de partícula elemental llamada gluón que "pega" los quarks. Los gluones vinculan los quarks positivos para hacer coincidir los antiquarks negativos con hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo. A medida que las partículas enlazadas se separan, el tubo de fundente se alarga hasta que llega a un punto en el que se rompe. Cuando lo hace libera suficiente energía para formar un segundo par quark-antiquark que se divide y se une con las partículas originales, produciendo dos pares de partículas unidas. (El proceso es similar a cortar un imán de barra por la mitad para obtener dos imanes más pequeños, ambos con polos norte y sur.)

"Hemos tomado el conocido fenómeno del tubo de flujo y lo hemos elevado a un nivel de energía más alto, "dijo Kephart, profesor de física en Vanderbilt.

Los físicos han estado trabajando en los detalles de su nueva teoría desde 2012, cuando asistieron a un taller que Kephart organizó en el Instituto Isaac Newton en Cambridge, Inglaterra. Berera, Buniy y Päs conocían a Kephart porque trabajaban como becarios postdoctorales en Vanderbilt antes de conseguir nombramientos en la facultad. En discusiones en el taller, el grupo se sintió intrigado por la posibilidad de que los tubos de flujo pudieran haber jugado un papel clave en la formación inicial del universo.

Según las teorías actuales, cuando se creó el universo, inicialmente estaba lleno de un líquido sobrecalentado y cargado eléctricamente llamado plasma de quark-gluón. Este consistía en una mezcla de quarks y gluones. (En 2015, el plasma de quark-gluón se recreó con éxito en un acelerador de partículas, el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, por un grupo internacional de físicos, incluyendo cinco de Vanderbilt:Cátedra Stevenson de Física Victoria Greene, y los profesores de física Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon y Julia Velkovska.)

Kephart y sus colaboradores se dieron cuenta de que una versión de mayor energía del plasma de quark-gluón habría sido un entorno ideal para la formación de tubos de flujo en el universo temprano. La gran cantidad de pares de quarks y antiquarks que se crean y aniquilan espontáneamente crearían miríadas de tubos de flujo.

Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto y se autoaniquilan, pero hay excepciones.

Si un tubo toma la forma de un nudo, por ejemplo, luego se vuelve estable y puede sobrevivir a las partículas que lo crearon. Si una de las partículas sigue el camino de un nudo simple, por ejemplo, entonces su tubo de flujo formará un nudo de trébol. Como resultado, el tubo anudado seguirá existiendo, incluso después de que las partículas que une se aniquilan entre sí. También se crean tubos de flujo estables cuando dos o más tubos de flujo se entrelazan. El ejemplo más simple es el enlace Hopf, que consta de dos círculos interconectados.

De esta manera todo el universo podría haberse llenado con una estrecha red de tubos de flujo, los autores previeron. Luego, cuando calcularon cuánta energía podría contener una red de este tipo, se sorprendieron gratamente al descubrir que era suficiente para impulsar un período temprano de inflación cósmica.

Desde que se introdujo la idea de inflación cósmica a principios de la década de 1980, Los cosmólogos han aceptado en general la proposición de que el universo primitivo atravesó un período en el que se expandió del tamaño de un protón al tamaño de una toronja en menos de una billonésima de segundo.

Este período de hiperexpansión resuelve dos problemas importantes en cosmología. Puede explicar las observaciones de que el espacio es más plano y liso de lo que los astrofísicos creen que debería ser. A pesar de estas ventajas, la aceptación de la teoría se ha visto obstaculizada porque no se ha identificado una fuente de energía adecuada.

"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para impulsar la inflación, también explica por qué se detuvo tan abruptamente, ", dijo Kephart." A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a decaer y finalmente se rompió, eliminando la fuente de energía que estaba impulsando la expansión ".

Cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continúe por las líneas que se han determinado previamente.

La característica más distintiva de su teoría es que proporciona una explicación natural para un mundo tridimensional. Hay una serie de teorías de dimensiones superiores, como la teoría de cuerdas, que visualizan el universo con nueve o diez dimensiones espaciales. Generalmente, sus defensores explican que estas dimensiones superiores están ocultas a la vista de una forma u otra.

La explicación de la teoría del tubo de flujo proviene de la teoría básica del nudo. "Fue Heinrich Päs quien sabía que los nudos solo se forman en tres dimensiones y quiso utilizar este hecho para explicar por qué vivimos en tres dimensiones, "dijo Kephart.

Un ejemplo bidimensional ayuda a explicarlo. Digamos que pones un punto en el centro de un círculo en una hoja de papel. No hay forma de liberar el círculo del punto mientras permanece en la hoja. Pero si agrega una tercera dimensión, puede levantar el círculo sobre el punto y moverlo hacia un lado hasta que el punto ya no esté dentro del círculo antes de volver a bajarlo. Algo similar sucede con los nudos tridimensionales si se agrega una cuarta dimensión:los matemáticos han demostrado que se deshacen. "Por esta razón, los tubos anudados o enlazados no pueden formarse en espacios de mayor dimensión, "dijo Kephart.

El resultado neto es que la inflación se habría limitado a tres dimensiones. Dimensiones adicionales, si existen, seguiría siendo de tamaño infinitesimal, demasiado pequeño para que podamos percibirlo.

El siguiente paso para los físicos es desarrollar su teoría hasta que haga algunas predicciones sobre la naturaleza del universo que puedan ser probadas.