Hadde det tidlige universet bare en romlig dimensjon? Det er det overveldende konseptet som er kjernen i en teori som fysiker Dejan Stojkovic fra universitetet i Buffalo og kolleger foreslo i 2010. De antydet at det tidlige universet - som eksploderte fra et enkelt punkt og var veldig, veldig lite til å begynne med - var endimensjonal (som en rett linje) før den utvides til å omfatte to dimensjoner (som et fly) og deretter tre (som den verdenen vi lever i dag).
Teorien, hvis den er gyldig, ville adressere viktige problemer i partikkelfysikk.
I en ny artikkel i Physical Review Letters beskriver Stojkovic og Loyola Marymount University fysiker Jonas Mureika en test som kan bevise eller motbevise hypotesen om "forsvinnende dimensjoner".
Fordi det tar tid for lys og andre bølger å reise til Jorden, kan teleskoper som kikker ut i verdensrommet, egentlig se tilbake i tid når de undersøker universets ytre rekkevidde.
Gravitasjonsbølger kan ikke eksistere i ett- eller todimensjonalt rom. Så Stojkovic og Mureika har resonnert at Laser Interferometer Space Antenna (LISA), et planlagt internasjonalt gravitasjonsobservatorium, ikke skal oppdage noen gravitasjonsbølger som stammer fra de nedre dimensjonale epokene i det tidlige universet.
Stojkovic, adjunkt i fysikk, sier teorien om utviklende dimensjoner representerer et radikalt skifte fra måten vi tenker om kosmos - om hvordan universet vårt ble til.
Kjerneideen er at dimensjonaliteten til rommet avhenger av størrelsen på plassen vi observerer, med mindre mellomrom tilknyttet færre dimensjoner. Det betyr at en fjerde dimensjon vil åpne seg - hvis den ikke allerede har gjort det - da universet fortsetter å utvide seg.
Teorien antyder også at rom har færre dimensjoner ved veldig høye energier av den typen assosiert med det tidlige, post-big bang-universet.
Hvis Stojkovic og kollegene har rett, vil de bidra til å løse grunnleggende problemer med standardmodellen for partikkelfysikk, inkludert følgende:
Inkompatibiliteten mellom kvantemekanikk og generell relativitet. Kvantemekanikk og generell relativitet er matematiske rammer som beskriver universets fysikk. Kvantemekanikk er flink til å beskrive universet i veldig små skalaer, mens relativitet er flink til å beskrive universet på store skalaer. Foreløpig anses de to teoriene som inkompatible; men hvis universet på de minste nivåene hadde færre dimensjoner, ville matematiske avvik mellom de to rammene forsvinne.
Fysikere har observert at utvidelsen av universet går raskere, og de vet ikke hvorfor. Tilsetningen av nye dimensjoner når universet vokser vil forklare denne akselerasjonen. (Stojkovic sier at en fjerde dimensjon allerede kan ha åpnet i store, kosmologiske skalaer.)
Standardmodellen for partikkelfysikk spår eksistensen av en ennå uoppdaget elementær partikkel kalt Higgs boson. For ligninger i standardmodellen for nøyaktig å beskrive den observerte fysikken i den virkelige verden, må forskere imidlertid kunstig justere massen av Higgs-boson for interaksjoner mellom partikler som finner sted ved høye energier. Hvis plassen har færre dimensjoner med høye energier, forsvinner behovet for denne typen "innstilling".
"Det vi foreslår her er et paradigmeskifte," sa Stojkovic. "Fysikere har slitt med de samme problemene i 10, 20, 30 år, og rett frem utvidelser av de eksisterende ideene vil sannsynligvis ikke løse dem."
"Vi må ta hensyn til muligheten for at noe systematisk er galt med ideene våre," fortsatte han. "Vi trenger noe radikalt og nytt, og dette er noe radikalt og nytt."
Fordi den planlagte utplasseringen av LISA fremdeles er mange år unna, kan det ta lang tid før Stojkovic og hans kolleger klarer å teste ideene sine på denne måten.
Noen eksperimentelle bevis peker imidlertid allerede på den mulige eksistensen av lavere-dimensjonalt rom.
Spesifikt har forskere observert at hovedenergifluksen til kosmiske strålepartikler med energier som overstiger 1 teraelektron volt - den typen høy energi assosiert med det aller tidlige universet - er rettet langs et todimensjonalt plan.
Hvis høye energier stemmer overens med lavere-dimensjonalt rom, slik "forsvinnende dimensjoner" -teorien foreslår, bør forskere som jobber med Large Hadron Collider-partikkelakseleratoren i Europa, se plan spredning ved slike energier.
Stojkovic sier observasjonen av slike hendelser ville være "en veldig spennende, uavhengig test av våre foreslåtte ideer."
Kilder: EurekAlert, Physical Review Letters.
