Varför är universum bara fyra dimensionella?

Kvant-Apokalyps och Holografisk Universum (svenska textad) (April 2019).

Anonim

På 1980-talet var fysiker desperata för att förena de fyra grundläggande krafterna i universum till en enda omfattande kraft. Deras första försök utvecklades till vad som kallades supergravity, men på grund av en mängd inkonsekvenser och obekräftade förutsägelser, måste det kasseras. En annan spirande teori var strängteori.

Född på 1970-talet ignorerades teorin i stor utsträckning fram till 1980-talet, när dess popularitet återupplivades och fysiker började studera det på allvar. Strängteori är fortfarande en av våra bästa gissningar vid en fullständig förståelse av universums vägar, men enligt teorin finns universum i 26 dimensioner! Det är därför konstigt särskilt att vi bara utsätts för fyra av dem - tre utbytbara dimensioner av rymden och en, som upptäcktes för ett århundrade sedan, av tiden.

Absurditeten har stört filosoferna och senare fysiker sedan, för alltid. De är alldeles för nyfiken på att acceptera verkligheten som det är utan några tvivel eller skepticism; de vill veta varför verkligheten är som den är. Ett papper som nyligen publicerats i Europhysics Letters (EPL) verkar dock avslöja varför vårt universum bara finns i fyra dimensioner.

Helmholtz fri energitäthet

Tjocklek. Fotokredit: Pixabay

.

varför bara fyra? Tja, papperet föreslår att de andra är förbjudna från unfurling genom termodynamikens andra lag, en grundläggande lag i universum. Enligt papperet fylldes det nyfödda universum med strålning och Helmholtz fri energitäthet, en termodynamisk kvantitet som utövar tryck på rymden.

Nästan sekunder efter storängen, när universum omedelbart avkyldes, uppnådde Helmholtz densitet sitt maximala värde och universum "omedelbart" frös. I denna fas var universum, som tidigare existerade i varje dimension vi tror finns, begränsat till endast fyra av dem. Det enda sättet som vårt universum kommer att förvandla till fler dimensioner är om det existerar över en kritisk temperatur, en helvete temperatur som säkert råder en sekund efter det att den skapades.

Fysikernas upptäckt är analog med fasövergångarna som vatten genomgår. Det enda sättet som ett isblock kan övergå till flytande vatten är när det utsätts för värme. Medan denna teori endast har blivit väldigt väldigt nyligen, är principen mot vilken vi alltid har vänt oss för att svara på sådana ökända dilemman den antropiska principen.

Det antropiska principen

Den andra lagen om termodynamik förklarar i första hand varför tiden bara rör sig i en enda riktning, som vi kallar "framåt". Lagen förutsäger att tidens riktning i vårt universum rör sig i samma riktning som störningen i det ökar. Denna resonemang är emellertid ofullständig. Ett övertygande argument förstås bara när vi kombinerar lagen med antropisk princip. Detta är ett utdrag ur en tidigare artikel som jag skrev förklarar varför tiden bara rör sig i en riktning :

"Om vi ​​kan erkänna rollen som lycka till att få en blomma eller frukt till liv, varför kan vi inte göra detsamma när vi pratar om oss själva?

Om vindarna var stormiga den dagen eller jorden var mer otrygg, kunde blomman inte ha blivit född. På samma sätt, om universums villkor var något annat, intelligent liv som kunde fråga "varför flyter tiden i endast en riktning?" Kunde inte ha spridit sig. Vi ser universet som det är för att om det var annorlunda skulle vi inte vara här för att observera det! Detta kallas antropisk princip. Jag vet att detta verkar kyniskt och svårt att förstå, men det verkar verkligen sant om vi inte förstår bevis för tvärtom.

Vi mäter tiden i riktning mot ökad störning eftersom vi lever i expansionsfasen, den fas som gynnar det intelligenta livet. Detta skulle inte vara möjligt i sammandragningsfasen, eftersom livet som var i stånd att mäta tid inte skulle vara möjligt under sammandragningsfasen. "

Precis som entropi verkar öka och därför tid med det, eftersom universum fortfarande är i sin expansionsfas, upplever fasen som gynnar spridningen av det intelligenta livet att vi upplever universum i endast fyra dimensioner eftersom det är förekomsten av endast fyra dimensioner som är gynnsam för att börja och upprätthålla det intelligenta livet.

Om universum varit tvådimensionellt skulle organismer ha kunnat flytta runt varandra. Snarare skulle de behöva övervinna en annan organism eller glida under en. De inkomplicerade sätten på vilken mat smälts och bryts ner eller blod cirkuleras genom våra kroppar skulle ha varit omöjligt att uppnå i 2D-kroppar. Vi, intelligenta arter frågar varför universum har fyra dimensioner, skulle helt enkelt inte existera.

(Foto Credit: Edwin Abbott Abbott / Wikimedia Commons)

I själva verket skulle biologin själv, även av den enklaste ordningen, förgås, eftersom jorden inte skulle kunna rotera runt solen. Gravity styrka minskar med fyra gånger när avståndet mellan två kroppar är dubbelt men nedgången är fem gånger i fem dimensioner och sex gånger i sex dimensioner. I ett högre dimensionellt universum kan jorden kanske inte uppnå en stabil omlopp kring solen och skulle därför frysa till döds.

Kanske skulle gravitationskompressionen och den gasformiga expansionen som bildade solen uppträda olika i högre dimensioner jämfört med hur de förekommer i fyra dimensioner. Kanske skulle solen i förtid kollapsa in i ett svart hål om vi skulle tinker med tyngdlagen. Till och med atomer i högre dimensioner, fysiker har funnit, skulle inte samlas och bilda komplexa molekyler som sedan kan utgöra ett komplext liv.

Livet skulle inte ha varit möjligt utan solen. (Foto Credit: Subham Dey)

Stephen Hawking citerade den antropiska principen i sin korta tidshistoria medan han spekulerade på den underligt speciella dimensionen av universum. Medan det är obestridligt förstår vi nu att det inte förklarar orsaken till det, något som publiceras i EPL. Emellertid är förslaget ännu inte validerat.

Om det så småningom är kan vi korsa detta mysterium från vår långa lista över fleråriga gåtar av vår art. Denna typ av bekräftelse skulle också vara enormt uppmuntrande för fysiker, eftersom det skulle utgöra ett stort steg i vår strävan att förena de fyra grundläggande krafterna och i slutändan vår förståelse för hur universum föddes, hur det växer och var det kan vara på väg.