Космологи объяснили, почему Вселенная — трехмерна. Но согласны не все
Мы живем в «плоском» трехмерном пространстве благодаря существованию особых узлообразных структур из элементарных частиц в ранней Вселенной, которые сохраняли стабильность лишь в среде с тремя измерениями. К такому выводу пришли американские ученые, их исследование принято к публикации в European Physical Journal C, доступно на сайте arXiv.org, кратко о нем сообщает Phys.org.
«Наша идея «узлового» расширения Вселенной не только объясняет существование трех измерений, но и раскрывает то, откуда взялась энергия, необходимая для осуществления этого процесса, и почему он так резко остановился», — говорит Томас Кепхарт из университета Вандербильта в Нэшвилле (США).
Ученый поясняет, что сеть этих узлов, «грубо говоря, лопнула почти сразу после начала расширения Вселенной», то есть почти 13,8 млрд лет назад. Это событие, по его словам, и ликвидировало источник энергии, питавший этот процесс. Стоит отметить, что пока ученые не пришли к консенсусу насчет того, является ли наша Вселенная трехмерной, или же в ней значительно больше измерений, часть из которых мы просто не видим по разным причинам.
К примеру, теория суперструн гласит, что Вселенная родилась десятимерной и обладала одним временным и девятью пространственными измерениями. Сторонники этой теории полагают, что «лишние» шесть измерений схлопнулись и замкнулись сами на себя. Другие физики уверены, что наша трехмерная Вселенная — лишь часть многомерной мультивселенной (мультиверса), а остальные шесть измерений мы не можем увидеть и изучить.
Существование иных измерений, как сегодня рассчитывают физики, может помочь нам «примирить» теорию относительности и квантовую физику и создать теорию квантовой гравитации, объясняющую то, что происходит внутри черных дыр.
Источник
Может ли наша трехмерная Вселенная быть иллюзией?
«Мы хотим выяснить, может ли пространство-время быть квантовой системой, подобно материи, — говорит Крейг Хоган, директор Центра астрофизики частиц лаборатории Ферми и разработчик теории голографического шума. — Если мы что-нибудь увидим, то совершенно поменяем представление о пространстве, которое сложилось у нас за тысячелетия».
Подобно персонажам на телевизионных шоу, которые не подозревают, что их двумерный мир существует в нашем трехмерном, мы можем не знать, что наше трехмерное пространство — иллюзия. Информация обо всем в нашей Вселенной на самом деле может быть закодирована в крошечных пакетах в двойном измерении. Уникальный эксперимент под названием Holometer, при поддержке Национальный лаборатории ускорения Ферми, поможет собрать данные, которые помогут ответить на несколько взрывающих мозг вопросов о нашей Вселенной — в том числе живем ли мы в голограмме.
Присмотритесь к экрану своего телевизора и увидите пиксели, небольшие точечки данных, которые создают цельное изображение, если вы смотрите издалека. Ученые полагают, что информация во Вселенной может храниться таким же образом, только вот размер пикселя будет в 10 триллионов триллионов раз меньше атома и приближаться к тому, что физики называют планковской длиной.
Квантовая теория предполагает, что невозможно знать точное местоположение и точную скорость субатомных частиц. Если пространство состоит из двумерных кубиков с ограниченной информацией о точном местоположении объектов, то само по себе будет подпадать под эту же теорию неопределенности. Точно так же, как материя продолжает дрожать даже будучи охлажденной до абсолютного нуля (чтобы мы никак не узнали точное местоположение мельчайшей частицы), такое оцифрованное пространство должно обладать встроенными вибрациями даже в низшем энергетическом состоянии. То есть пространство принимает свойства «пикселей», а значит и принцип неопределенности.
Эксперимент по сути исследует возможности Вселенной хранить информацию. Если есть определенный набор битов, которые говорят вам о том, что где находится, становится практически невозможным найти более определенную информацию о местоположении — даже в принципе. Инструмент, который будет проверять эти ограничения в процессе эксперимента Holometer в лаборатории Ферми, он же голографический интерферометр, это самое чувствительное устройство из всех когда-либо созданных, которое сможет измерить квантовую дрожь самого пространства.
Работающий в полную мощность, Holometer использует пару интерферометров, расположенных близко друг к другу. Каждый посылает лазерный луч в один киловатт (эквивалент — 200 000 лазерных указок) на светоделитель и по двум перпендикулярным 40-метровым манипуляторам. Затем свет отражается обратно в светоделитель, где два луча снова соединяются и создают колебания яркости в случае движения. Ученые анализируют эти колебания яркости возвращающегося света и смотрят, двигался ли определенным образом светоделитель — в процессе дрожи самого пространства.
«Голографический шум», как ожидается, будет присутствовать на всех частотах, но задача ученых — отсечь все другие возможные источники вибраций. Holometer испытывает частоты так часто — миллионы циклов в секунду — что движение обычной материи не вызовет никаких проблем. Основной шум скорее будет произведен радиоволнами, излучаемыми ближайшей электроникой. Эксперимент Holometer должен выявить и устранить шум от подобных источников.
«Если мы обнаружим шум, от которого не сможем избавиться, мы сможем найти нечто фундаментальное в природе шума — шум, который присущ пространству-времени, — говорит физик лаборатории Ферми Аарон Чоу, ведущий ученый и руководитель проекта Holometer. — Это волнующий момент для физики. Положительный результат откроет целый ряд вопросов о том, как работает пространство».
Ожидается, что эксперимент Holometer будет собирать данные в течение следующего года.
Источник
Космологи объяснили, почему Вселенная является трехмерной
РИА Новости. Мы живем в «плоском» трехмерном пространстве благодаря существованию особых узлообразных структур из элементарных частиц в ранней Вселенной, которые сохраняли стабильность только в среде с тремя измерениями, говорится в статье, опубликованной в European Physical Journal C.
Компьютерная модель «паутины» Вселенной
© V.Springel, Max-Planck Institut für Astrophysik, Garching bei München
«Наша идея «узлового» расширения Вселенной не только объясняет существование трех измерений, но и раскрывает то, откуда взялась энергия, необходимая для осуществления этого процесса, и почему он так резко остановился. Сеть этих узлов, грубо говоря, лопнула почти сразу после начала расширения Вселенной, что ликвидировало источник энергии, питавший этот процесс», — рассказывает Томас Кепхарт (Thomas Kephart) из университета Вандербильта в Нэшвилле (США).
На сегодняшний день среди ученых нет консенсуса насчет того, является ли наша Вселенная трехмерной, или же на самом деле в ней гораздо больше измерений, часть из которых мы просто не видим или даже не можем видеть по разным причинам. Существование этих измерений, как сегодня надеются физики, может помочь нам «примирить» теорию относительности и квантовую физику и создать теорию квантовой гравитации, объясняющую то, что происходит внутри черных дыр.
К примеру, теория суперструн постулирует, что Вселенная изначально родилась десятимерной и обладала одним временным и девятью пространственными измерениями. Часть сторонников этой теории считают, что «лишние» шесть измерений схлопнулись и замкнулись сами на себя. Другие физики считают, что наша трехмерная Вселенная является лишь частью многомерной мультивселенной (мультиверса), а остальные шесть измерений мы не можем увидеть и изучить.
Кепхарт и его коллеги предполагают, что существование трех измерений в нашей текущей Вселенной и сам факт ее расширения не были случайными событиями, а вполне логичными и связанными друг с другом вещами. Они пришли к такому выводу, пытаясь просчитать и описать первые мгновения жизни Вселенной после Большого Взрыва.
После рождения Вселенной, как отмечает ученый, в ней не было, ни материи, ни света – по сути, она была заполнена энергией и одномерными объектами-струнами, в сплетениях которых формировались первые элементарные частицы.
Эти струны, как показывают расчеты команды Кепхарта, периодически объединялись в сложные структуры, так называемые трубки, которые, в свою очередь, могли тоже переплетаться и образовать различные петли, узлы и прочие геометрические фигуры. Они сохраняли стабильность на протяжении более длительного времени, чем породившие их элементарные частицы, постоянно возникавшие и исчезавшие в кварково-глюонном «супе» первичной Вселенной.
В этой сети, по словам космологов, была заключена огромная энергия, которая заставила Вселенную стремительно и равномерно расширяться до тех пор, пока ее температура не упала до достаточно низкого уровня, чтобы энергия в этих узлах и трубках не начала превращаться в материю.
Подобная идея, как отмечает Кепхарт, позволяет не только понять то, почему Вселенная имеет только три измерения, но и объясняет то, почему она, как показывают последние наблюдения зондов WMAP и «Планк», является более однородной и «гладкой», чем предсказывает теория Большого Взрыва.
Сейчас ученые пытаются понять, как предсказания их «узловой» теории могут отличаться от того, что говорит нам классическая космология. Их открытие, как подчеркивают исследователи, критически важно для проверки этой идеи и доказательства ее жизнеспособности.
Источник
Почему мы живем в трехмерном пространстве
Мы живем в трехмерном мире: длина, ширина и глубина. Некоторые могут возразить: «А как же четвертое измерение — время?» Действительно, время — это тоже измерение. Но вот вопрос, почему пространство измеряется в трех измерениях — загадка для ученых. Новое исследование объясняет, почему мы живем в мире 3D.
Вопрос о том, почему пространство трехмерно, мучил ученых и философов с античных времен. Действительно, почему именно три измерения, а не десять или, скажем, 45?
В целом, пространство-время четырехмерно (или 3+1-мерно): три измерения образуют пространство, четвертым измерением является время. Существуют также философские и научные теории о многомерности времени, которые предполагают, что измерений времени на самом деле больше, чем кажется: привычная нам стрела времени, направленная из прошлого в будущее через настоящее — всего лишь одна из возможных осей. Это делает возможными различные научно-фантастические проекты, вроде путешествий во времени, а также создает новую, многовариантную космологию, которая допускает существование параллельных вселенных. Однако существование дополнительных временных измерений пока не доказано научно.
Вернемся в наше, 3+1-мерное измерение. Нам хорошо известно, что измерение времени связано со вторым законом термодинамики, который гласит, что в замкнутой системе — такой, как наша Вселенная — энтропия (мера хаоса) всегда возрастает. Уменьшаться вселенский беспорядок не может. Поэтому время всегда направлено вперед — и никак иначе.
В новой статье, опубликованной в EPL, исследователи предположили, что второй закон термодинамики может также объяснить, почему пространство трехмерно.
«Ряд исследователей в области науки и философии обращались к проблеме (3 + 1)-мерной природы пространства-времени, обосновывая выбор именно этого числа его стабильностью и возможностью поддержания жизни», — рассказал соавтор исследования Джулиан Гонсалес-Айала из Национального политехнического института в Мексике и университета Саламанки в Испании порталу Phys.org. «Ценность нашей работы заключается в том, что мы представляем рассуждения, основанные на физической модели размерности Вселенной с подходящим и разумным сценарием пространства-времени. Мы первые, кто заявил, что число «три» в размерности пространства возникает в качестве оптимизации физической величины».
Ранее ученые обращали внимание на размерность Вселенной в связи с так называемым атропным принципом: «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек». Трехмерность пространства объяснялась возможностью поддержания Вселенной в том виде, в каком мы её наблюдаем. Если бы во Вселенной было множество измерений, по ньютоновскому закону тяготения не были бы возможны устойчивые орбиты планет и даже атомная структура вещества: электроны падали бы на ядра.
В данном исследовании ученые пошли другим путем. Они предположили, что пространство трехмерно из-за термодинамической величины — плотности свободной энергии Гельмгольца. Во Вселенной, заполненной излучением, эту плотность можно рассматривать как давление в пространстве. Давление зависит от температуры Вселенной и от количества пространственных измерений.
Исследователи показали, что могло происходить в первые доли секунды после Большого взрыва, называемые Планковской эпохой. В момент, когда Вселенная начала охлаждаться, плотность Гельмгольца достигла своего первого максимума. Тогда возраст Вселенной составлял долю секунды, а пространственных измерений было ровно три. Ключевая мысль исследования заключается в том, что трехмерное пространство было «заморожено», как только плотность Гельмгольца достигла своего максимального значения, которое запрещает переход в другие измерения.
На рисунке ниже изображено, как это происходило. Слева — плотность свободной энергии Гельмгольца (е) достигает своего максимального значения при температуре Т = 0,93, которое возникает, когда пространство было трехмерным (n=3). S и U представляют плотности энтропии и плотность внутренней энергии, соответственно. Справа показано, что перехода к многомерности не происходит при температуре ниже 0,93, что соответствует трем измерениям. 
Это произошло вследствие второго закона термодинамики, который допускает переходы в более высокие измерения только тогда, когда температура выше критического значения — ни градусом меньше. Вселенная непрерывно расширяется, и элементарные частицы, фотоны, теряют энергию — поэтому наш мир постепенно охлаждается: Сейчас температура Вселенной гораздо ниже уровня, предполагающего переход из 3D-мира в многомерное пространство.
Исследователи поясняют, что пространственные измерения похожи на состояния вещества, а переход из одного измерения в другое напоминает фазовый переход — такой, как плавление льда, которое возможно лишь при очень высоких температурах.
«В процессе охлаждения ранней Вселенной и после достижения первой критической температуры, принцип приращения энтропии для замкнутых систем мог запретить определенные изменения размерности», — комментируют исследователи.
Это предположение по-прежнему оставляет место для более высоких измерений, которые существовали в Планковскую эпоху, когда Вселенная была еще более горячей, чем это было при критической температуре.
Дополнительные измерения присутствуют во многих космологических моделях — в первую очередь, в теории струн. Это исследование может помочь объяснить, почему в некоторых из этих моделей дополнительные измерения исчезли или остались такими же крошечными, как были в первые доли секунды после Большого взрыва, в то время как 3D-пространство продолжает расти во всей наблюдаемой Вселенной.
В будущем исследователи планируют улучшить свою модель, чтобы включить дополнительные квантовые эффекты, которые могли возникнуть в первую долю секунды после Большого взрыва. Кроме того, результаты дополненной модели могут также служить ориентиром для исследователей, работающих на других космологических моделях, таких как квантовая гравитация.
Источник