Защо пространството е точно 3D

Въпросът защо пространството е точно триизмерно е озадачавал още древногръцките философи. Пространство-времето като цяло е четиримерно (или 3+1-мерно), където времето е четвъртото измерение.

Според законите на физиката процесите в природата биват необратими и естествени, като протичат спонтанно само в една посока. Забрана за друг вид протичане на естествените процеси налага Вторият принцип на термодинамиката на който се подчинява и времето. То има една посока - напред от минало, през настояще към бъдеще.

Вторият принцип на термодинамиката се оказва важен и за тримерността на пространството около нас.

Според едно ново изследване на д-р Хулиан Гонзалес-Айала (Julian Gonzalez-Ayala) и неговият екип, публикувано в Europhysics Letters (EPL), пространството е точно 3D, защото се съобразява с термодинамичната величина, наречена свободна енергия на Хелмхолц. Свободната енергия на Хелмхолц е термодинамична величина, която е зависима от ентропията (мярка за безпорядъка на физичните системи), лежаща в основата на Втория принцип на термодинамиката.

Във Вселена, изпълнена с различен тип излъчвания (радиация), тази свободна енергия на Хелмхолц може да бъде представена като един вид натиск върху цялото пространство, което зависи от температурата на Вселената и броят на пространствените й измерения.

Учените показват, че тъй като Вселената започва да се охлажда от момента след Големия Взрив свободната енергия на Хелмхолц достига своята първа максимална стойност при много висока температура, съответстваща на Вселена на възраст части от секундата и брой на измеренията приблизително три.

Основната идея е, че 3D пространството е било „замразено“ в момента, в който свободната енергия на Хелмхолц достига своята първа максимална стойност и това забранява прехода на 3D пространството към други измерения.

Това е така, защото Вторият закон на термодинамиката позволява преходи към по-високи измерения само когато температурата е над тази критична стойност, а не под нея. Тъй като Вселената непрекъснато се охлажда, текущата температура е далеч под критичната температура, която е необходима за преминаването от 3D пространство към такова с повече измерения. По този начин пространствените измерения са свободно аналогични етапи на материята, където преход към различен размер прилича на фазов преход на топящ се лед. Нещо, което е възможно само при достатъчно високи температури.

„В процеса на охлаждане на ранната Вселена и след първата критична температура принципът на увеличение на ентропията в затворени системи може да забрани някои промени на измеренията“, обясняват учените.

Предположението на д-р Гонзалес-Айала и неговият екип все още оставя място за по-високи измерения от настъпилите в първата част от секундата след Големия взрив, когато Вселената е била дори по-гореща, отколкото е била критичната температура. Допълнителните измерения са налични в редица космологични модели, най-вече в теорията на струните. Това ново изследване би могло да обясни защо в някои от тези модели теорията за допълнителните измерения сякаш се срива, докато 3D пространството продължава да расте в цялата видима Вселена.

В бъдеще учените планират да подобрят модела като включат допълнителни, квантови ефекти, които може да са възникнали през първата част от секундата след Големия Взрив, през така наречената „Епоха на Планк“. В допълнение това изследване може да предостави насоки на учени, които работят по други космологични модели, например тези за квантовата гравитация.

Още по темата

10/04/2016

Физика

Музиката на Вселената. Теорията на струните

03/04/2016

Физика

Квантовата теория на полето

16/12/2015

Физика

Как доказването на Суперсиметрията може да промени разбирането ни за Вселената

15/08/2015

Физика

Огледалото на пространство-времето. T-симетрията. CPT-симетрията