Oliko varhaisella universumilla vain yksi alueellinen ulottuvuus? Se on mielenkiintoinen käsite teorian ytimessä, jota fyysikko Dejan Stojkovic Buffalon yliopistosta ja hänen kollegansa ehdottivat vuonna 2010. He ehdottivat, että varhainen maailmankaikkeus - joka räjähti yhdestä pisteestä ja oli aluksi hyvin, hyvin pieni - oli yksiulotteinen (kuten suora viiva) ennen laajentamista sisältäen kaksi ulottuvuutta (kuten lentokone) ja sitten kolme (kuten maailma, jossa elämme tänään).
Teoria, mikäli pätevä, käsittelisi tärkeitä ongelmia hiukkasfysiikassa.
Nyt uudessa Physical Review Letters -lehdessä Stojkovic ja Loyola Marymountin yliopiston fyysikko Jonas Mureika kuvaavat testiä, joka voisi todistaa tai kumota ”kadonneiden ulottuvuuksien” hypoteesin.
Koska valon ja muiden aaltojen kuljettaminen Maahan vie aikaa, avaruuteen nousevat teleskoopit voivat pohjimmiltaan katsoa taaksepäin ajassaan koettaakseen maailmankaikkeuden ulottumisen.
Painovoimaaaltoja ei voi esiintyä yhden tai kaksiulotteisessa tilassa. Joten Stojkovic ja Mureika ovat päättäneet, että suunniteltu kansainvälinen gravitation observatorio, laserinterferometr Space Space Antenna (LISA), ei saisi havaita mitään varhaisissa aalloissa, jotka ovat peräisin varhaisen maailmankaikkeuden alemmista ulottuvuuksista.
Fysiikan apulaisprofessori Stojkovic sanoo, että kehittyvien ulottuvuuksien teoria edustaa radikaalia muutosta ajattelumme kosmosta - siitä, kuinka maailmankaikkeusmme tuli.
Perusajatuksena on, että avaruuden ulottuvuus riippuu havaitsemamme tilan koosta, pienemmille tiloille liittyy vähemmän ulottuvuuksia. Tämä tarkoittaa, että neljäs ulottuvuus aukeaa - ellei sitä ole jo tehty - maailmankaikkeuden kasvaessa.
Teoria viittaa myös siihen, että avaruudessa on vähemmän ulottuvuuksia erittäin suurilla energioilla, jotka liittyvät varhaiseen, iso-iskun jälkeiseen universumiin.
Jos Stojkovic ja hänen kollegansa ovat oikeassa, he auttavat vastaamaan hiukkasfysiikan standardimallin perusongelmiin, mukaan lukien seuraavat:
Kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuuden suhteen yhteensopimattomuus. Kvanttimekaniikka ja yleinen suhteellisuusteoria ovat matemaattiset puitteet, jotka kuvaavat maailmankaikkeuden fysiikkaa. Kvanttimekaniikka on hyvä kuvailemaan maailmankaikkeutta hyvin pienillä asteikoilla, kun taas suhteellisuusteoria on hyvä kuvaamaan maailmankaikkeutta suuressa mittakaavassa. Tällä hetkellä näitä kahta teoriaa pidetään yhteensopimattomina; mutta jos maailmankaikkeudella olisi pienimmissä tasoissa vähemmän ulottuvuuksia, kahden kehyksen väliset matemaattiset erot katoavat.
Fyysikot ovat havainneet, että maailmankaikkeuden laajeneminen nopeutuu, eivätkä he tiedä miksi. Uusien ulottuvuuksien lisääminen maailmankaikkeuden kasvaessa selittäisi tämän kiihtyvyyden. (Stojkovic sanoo, että neljäs ulottuvuus on jo avannut suurilla, kosmologisilla mittakaavoilla.)
Hiukkasfysiikan vakiomalli ennustaa vielä löytämättä olevan alkuainepartikkelin, nimeltään Higgs-bosoniksi, olemassaolon. Vakiomallin yhtälöt kuvaavat tosielämän havaittua fysiikkaa täsmällisesti, mutta tutkijoiden on kuitenkin keinotekoisesti sovitettava Higgsin bosonin massa korkeiden energioiden kanssa tapahtuvien hiukkasten vuorovaikutuksiin. Jos avaruudessa on vähemmän ulottuvuuksia korkeilla energioilla, tarve tällaiselle "viritykselle" katoaa.
"Ehdotamme tässä paradigman muutosta", Stojkovic sanoi. "Fyysikot ovat kamppailleet samojen ongelmien kanssa 10, 20, 30 vuoden ajan, ja olemassa olevien ideoiden suoraviivaistaminen ei todennäköisesti ratkaise niitä."
"Meidän on otettava huomioon mahdollisuus, että ideoissamme on järjestelmällisesti jotain vikaa", hän jatkoi. "Tarvitsemme jotain radikaalia ja uutta, ja tämä on jotain radikaalia ja uutta."
Koska LISA: n suunniteltu käyttöönotto on vielä vuosien päässä, voi kulua kauan ennen kuin Stojkovic ja hänen kollegansa voivat testata ideansa tällä tavalla.
Jotkut kokeelliset todisteet viittaavat kuitenkin jo alemman ulottuvuuden avaruuden mahdolliseen olemassaoloon.
Erityisesti tutkijat ovat havainneet, että kosmisten säteen hiukkasten, joiden energiat ylittävät 1 teraelektronivoltta, pääenergiavirta - hyvin varhaiseen universumiin liittyvä korkeaenergian tyyppi - on kohdistettu kaksiulotteista tasoa pitkin.
Jos korkeat energiat vastaavat alemman ulottuvuuden tilaa, kuten ”häviävät ulottuvuudet” -teoria ehdottaa, tutkijoiden, jotka työskentelevät Euroopassa Large Hadron Collider -hiukkaskiihdyttimen kanssa, pitäisi nähdä tasasironta tällaisissa energioissa.
Stojkovic sanoo, että tällaisten tapahtumien havaitseminen olisi ”erittäin jännittävä, riippumaton testi ehdotuksillemme”.
Lähteet: EurekAlert, Physical Review Letters.
