У ранней вселенной было только одно пространственное измерение? Это ошеломляющая концепция, лежащая в основе теории, которую физик Деян Стойкович из Университета в Буффало и его коллеги предложил в 2010 году. Они предположили, что ранняя вселенная, которая взорвалась из одной точки и была очень, очень мала вначале, была одномерный (как прямая линия) перед расширением включает два измерения (как плоскость), а затем три (как мир, в котором мы живем сегодня).
Теория, если она верна, будет решать важные проблемы физики элементарных частиц.
Теперь в новой статье в Physical Review Letters физик Стойкович и Лойола Мэримаунт Йонас Мурейка описывают тест, который может доказать или опровергнуть гипотезу «исчезающих измерений».
Поскольку свету и другим волнам требуется время, чтобы добраться до Земли, телескопы, заглядывающие в космос, могут, по сути, оглянуться назад во времени, исследуя внешние области Вселенной.
Гравитационные волны не могут существовать в одномерном или двумерном пространстве. Так, Стойкович и Мурейка пришли к выводу, что космическая антенна лазерного интерферометра (LISA), планируемая международная гравитационная обсерватория, не должна обнаруживать какие-либо гравитационные волны, исходящие из эпох низших измерений ранней Вселенной.
Стойкович, доцент кафедры физики, говорит, что теория эволюционирующих измерений представляет собой радикальный сдвиг от того, как мы думаем о космосе - о том, как возникла наша вселенная.
Основная идея заключается в том, что размерность пространства зависит от размера наблюдаемого нами пространства, причем меньшие пространства связаны с меньшим количеством измерений. Это означает, что откроется четвертое измерение, если оно еще не открылось, поскольку вселенная продолжает расширяться.
Теория также предполагает, что пространство имеет очень мало измерений при очень высоких энергиях, связанных с ранней вселенной после Большого взрыва.
Если Стойкович и его коллеги правы, они помогут решить фундаментальные проблемы со стандартной моделью физики элементарных частиц, включая следующие:
Несовместимость между квантовой механикой и общей теорией относительности. Квантовая механика и общая теория относительности - это математические основы, которые описывают физику Вселенной. Квантовая механика хороша для описания вселенной в очень малых масштабах, в то время как теория относительности хороша для описания вселенной в больших масштабах. В настоящее время эти две теории считаются несовместимыми; но если бы вселенная на своих самых маленьких уровнях имела меньше измерений, математические расхождения между двумя структурами исчезли бы.
Физики заметили, что расширение Вселенной ускоряется, и они не знают почему. Добавление новых измерений по мере роста вселенной объясняет это ускорение. (Стойкович говорит, что четвертое измерение, возможно, уже открылось в больших космологических масштабах.)
Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает существование еще не обнаруженной элементарной частицы, называемой бозоном Хиггса. Однако, чтобы уравнения в стандартной модели точно описывали наблюдаемую физику реального мира, исследователи должны искусственно отрегулировать массу бозона Хиггса для взаимодействия между частицами, которое происходит при высоких энергиях. Если пространство имеет большие размеры при высоких энергиях, необходимость такого типа «настройки» исчезает.
«То, что мы предлагаем здесь, - это изменение парадигмы», - сказал Стойкович. «Физики боролись с одними и теми же проблемами в течение 10, 20, 30 лет, и прямое расширение существующих идей вряд ли решит их».
«Мы должны учитывать возможность того, что что-то систематически не так с нашими идеями», - продолжил он. «Нам нужно что-то радикальное и новое, а это что-то радикальное и новое».
Поскольку до запланированного развертывания LISA еще много лет, Стойкович и его коллеги могут испытать свои идеи таким образом.
Однако некоторые экспериментальные данные уже указывают на возможное существование пространства более низкого измерения.
В частности, ученые заметили, что основной поток энергии частиц космических лучей с энергиями, превышающими 1 тераэлектрон-вольт - вид высокой энергии, связанный с очень ранней вселенной - выровнен вдоль двумерной плоскости.
Если высокие энергии действительно соответствуют низкоразмерному пространству, как предлагает теория «исчезающих измерений», исследователи, работающие с ускорителем частиц Большого адронного коллайдера в Европе, должны увидеть плоскостное рассеяние при таких энергиях.
Стойкович говорит, что наблюдение за такими событиями было бы «очень захватывающим, независимым тестом наших предложенных идей».
Источники: EurekAlert, Physical Review Letters.
