¿Por Qué el Universo Tiene Tres Dimensiones?

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Damos por sentado que vivimos en un mundo de tres dimensiones gobernado por las leyes de la física, pero ¿te has preguntado porqué?

Un grupo de físicos acaba de postular una nueva teoría que busca explicar la naturaleza tridimensional del Universo. Thomas Kephart, físico de la Universidad Vanderbilt, en Tennessee (EE.UU.), junto a cuatro de sus colegas, iniciaron un estudio con el fin de explicar la causa de que el Cosmos sólo posea, aparentemente, tres dimensiones.

“Sabemos que en escenarios de gravedad cuántica como en la teoría de cuerdas por ejemplo, se asumen nueve o diez dimensiones a nivel elemental” señalaron.

Para resolver esto, combinaron la física de partículas con la teoría matemática de nudos, integrando además el concepto de “tubos de flujo”, hebras flexibles de energía que son las encargadas de unir a las partículas elementales.

Los investigadores creen que este nuevo modelo también podría explicar la expansión exponencial del espacio que experimentó el Universo momentos después del Big Bang.

Los quarks, que son partículas elementales que componen tanto protones como neutrones, se mantienen unidos gracias a otras partículas elementales denominadas gluones. Estas últimas enlazan los quarks positivos para hacer coincidir los antiquarks negativos con las hebras de energía del tubo de flujo.

Normalmente, el tubo de flujo que une un quark con un antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto. No obstante, el equipo de científicos dijo a la revista European Physical Journal C, que si dos o más tubos de flujo se entrelazan entre sí, pasan a ser estables y no desaparecen. Es decir, si dichos enlaces de energía adoptan la forma de un nudo, son capaces de sobrevivir a las partículas que los crearon.

“Un nudo o enlace de dos tubos de flujo sólo es estable si estos no se cruzan, reconectan o atraviesan entre sí”, escribieron los investigadores.

Teoría de campo de gauge. Cromodinámica cuántica como teoría gauge, basada en el grupo SU(3). Cada tipo de quark (u o d en la imagen) posee tres «copias» de distinto «color». Los gluones actúan como bosón intermediario entre partículas con color (como un fotón entre partículas con carga eléctrica). Créditos: Wikimedia.org

La expansión del Universo en tres dimensiones

En momentos de transición, como lo sucedido durante el Big Bang, las partículas unidas se separan entre sí y el tubo de flujo llega a alargarse tanto que este se rompe. Acto seguido, libera la suficiente energía como para formar un segundo par de quark-antiquark, el cual a su vez se dividirá para conectarse con partículas originales, produciendo así otros dos pares de partículas unidas. Si los tubos estuviesen anudados, podrían expandirse y multiplicarse rápidamente.

El equipo calculó cuánta energía podría contener esta red de tubos de flujo, encontrando que sería suficiente para alimentar un período inicial de inflación cósmica, en el Universo primitivo.

Si bien esto parece un fenómeno demasiado grande y complejo en un período de tiempo tan corto, la teoría de la inflación cósmica sugiere que el Universo se expandió exponencialmente en milisegundos. Kephart también afirmó a la revista Seeker que los tubos de flujo se forman naturalmente en momentos de transición.

“Los tubos de flujo aparecen en fases de transición, donde pueden surgir formas más complejas de materia”, explicó el físico. “Por ejemplo, el vapor del agua es estructuralmente muy simple, pero si es enfriado rápidamente, se obtiene una ráfaga de copos de nieve. Estos últimos se ven todos diferentes y la nueva composición resulta mucho más compleja”.

En un ambiente de energía extremadamente alta, el equipo dijo que el plasma de quark-gluon habría sido un entorno ideal para la formación rápida de tubos de flujo en el Universo primitivo.

Sin embargo, lo interesante es que notaron que esto únicamente funcionaría si el cosmos tuviese sólo tres dimensiones. Al agregar más dimensiones, el proceso se volvería inestable.

“De todas las posibles dimensiones del espacio, nuestro modelo seleccionó tres como el único número de dimensiones que pueden expandirse y por tanto, hacerse más grandes”, detalló el equipo. “Este postulado puede explicar el porqué vivimos en tres dimensiones espaciales, ya que los tubos anudados son topológicamente inestables en espacios-tiempo de mayor número de dimensiones”.

Tres dimensiones

De acuerdo con la nueva teoría, la expansión del Universo post-Big Bang, tal y como la conocemos, únicamente sería posible en un espacio-tiempo tridimensional. Foto: Pixabay.com

Esta afirmación estaría en sintonía con un estudio desarrollado en 2012 donde científicos japoneses señalaron que en el momento del Big Bang el Universo tenía 10 dimensiones, pero sólo tres de ellas se expandieron.

Una hipótesis con gran potencial

Kephart señaló que esta nueva teoría de los tubos de flujo abarca además lo que sucedió después de la inflación cósmica.

“Nuestra red de tubos de flujo no sólo justifica de dónde proviene la energía necesaria para generar la inflación cósmica, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente”.

“A medida que el Universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo empezó a descomponerse y finalmente se desintegró, eliminando así la fuente de energía que estaba generando esa expansión”, señaló el científico.

Los investigadores señalan que cuando la red colapsó, llenó el cosmos con un gas partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del Universo continuase como la vemos hoy en día.

“Esto combina la teoría de campo de gauge con la posibilidad de que una configuración inicial y uniforme se pudo condensar en tubos de flujo. A esto hay que sumarle el hecho de que los nudos y enlaces de los tubos sólo pueden ser estables en tres dimensiones, lo que podría dar una luz sobre la teoría del Universo primitivo y la necesidad de una forma natural de expandirse”, dijo Kephart a Seeker.

Si bien por el momento todo esto es teoría, Kephart dijo que el siguiente paso será continuar con el desarrollo de su hipótesis hasta realizar algunas predicciones sobre la naturaleza del Universo que efectivamente puedan ser probadas empíricamente.

Fuente: European Physical Journal C, LiveScience.com, Seeker.com

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