Havde det tidlige univers bare en rumlig dimension? Det er det forbløffende koncept i hjertet af en teori, som fysiker Dejan Stojkovic fra universitetet i Buffalo og kolleger foreslog i 2010. De antydede, at det tidlige univers - som eksploderede fra et enkelt punkt og var meget, meget lille i starten - var en-dimensionel (som en lige linje), før den udvides til at omfatte to dimensioner (som et plan) og derefter tre (som den verden, vi lever i dag).
Teorien ville, hvis den er gyldig, behandle vigtige problemer inden for partikelfysik.
I en ny artikel i Physical Review Letters beskriver Stojkovic og Loyola Marymount University fysiker Jonas Mureika en test, der kunne bevise eller modbevise hypotesen om "forsvindende dimensioner".
Fordi det tager tid for lys og andre bølger at rejse til Jorden, kan teleskoper, der kigger ud i rummet, i det væsentlige se tilbage på tiden, når de undersøger universets ydre rækkevidde.
Tyngdepunktbølger kan ikke findes i et- eller to-dimensionelt rum. Så Stojkovic og Mureika har begrundet, at Laserinterferometer Space Antenna (LISA), et planlagt internationalt gravitationsobservatorium, ikke bør registrere nogen tyngdekraftsbølger, der stammer fra de lavere dimensionelle epoker i det tidlige univers.
Stojkovic, en adjunkt i fysik, siger, at teorien om udviklende dimensioner repræsenterer et radikalt skift fra den måde, vi tænker på kosmos - om, hvordan vores univers blev til.
Kerneideen er, at dimensionens rum afhænger af størrelsen på det rum, vi observerer, med mindre rum, der er forbundet med færre dimensioner. Det betyder, at en fjerde dimension åbner sig - hvis den ikke allerede har gjort det - da universet fortsætter med at udvide sig.
Teorien antyder også, at rummet har færre dimensioner ved meget høje energier af den art, der er forbundet med det tidlige, post-big bang univers.
Hvis Stojkovic og hans kolleger har ret, hjælper de med at løse grundlæggende problemer med standardmodellen for partikelfysik, herunder følgende:
Uforeneligheden mellem kvantemekanik og generel relativitet. Kvantemekanik og generel relativitet er matematiske rammer, der beskriver universets fysik. Kvantemekanik er god til at beskrive universet i meget små skalaer, mens relativitet er god til at beskrive universet i store skalaer. I øjeblikket betragtes de to teorier som uforenelige; men hvis universet på sine mindste niveauer havde færre dimensioner, ville matematiske uoverensstemmelser mellem de to rammer forsvinde.
Fysikere har observeret, at udvidelsen af universet fremskyndes, og de ved ikke hvorfor. Tilføjelsen af nye dimensioner, når universet vokser, vil forklare denne acceleration. (Stojkovic siger, at en fjerde dimension muligvis allerede er åbnet i store, kosmologiske skalaer.)
Standardmodellen for partikelfysik forudsiger eksistensen af en endnu uopdaget elementær partikel kaldet Higgs boson. For ligninger i standardmodellen til nøjagtigt at beskrive den observerede fysik i den virkelige verden, skal forskere imidlertid kunstigt justere massen af Higgs-boson for interaktioner mellem partikler, der finder sted ved høje energier. Hvis rummet har færre dimensioner ved høje energier, forsvinder behovet for denne form for "tuning".
”Det, vi foreslår her, er et paradigmeskift,” sagde Stojkovic. ”Fysikere har kæmpet med de samme problemer i 10, 20, 30 år, og ligefrem udvidelser af de eksisterende ideer vil sandsynligvis ikke løse dem.”
”Vi er nødt til at tage højde for muligheden for, at noget systematisk er galt med vores ideer,” fortsatte han. ”Vi har brug for noget radikalt og nyt, og dette er noget radikalt og nyt.”
Fordi den planlagte udrulning af LISA stadig er flere år væk, kan det vare lang tid, før Stojkovic og hans kolleger er i stand til at teste deres ideer på denne måde.
Nogle eksperimentelle beviser peger imidlertid allerede på den mulige eksistens af lavere-dimensionelt rum.
Specifikt har videnskabsmænd observeret, at den største energiflow af kosmiske strålepartikler med energier, der overstiger 1 teraelektron volt - den slags høje energi, der er forbundet med det meget tidlige univers - er rettet langs et todimensionalt plan.
Hvis høje energier stemmer overens med det lavere-dimensionelle rum, som "forsvindende dimensioner" -teorien foreslår, skal forskere, der arbejder med den store Hadron Collider-partikelaccelerator i Europa, se plane spredning ved sådanne energier.
Stojkovic siger, at observation af sådanne begivenheder ville være "en meget spændende, uafhængig test af vores foreslåede ideer."
Kilder: EurekAlert, Physical Review Letters.
