Nova teoria pode explicar as três dimensões do nosso mundo

Por , em 18.10.2017

A tendência das coisas como cordas, fios, arames, etc, de serem “amarradas” em nós para ficarem juntas pode ajudar a explicar a natureza tridimensional do nosso universo – e como ele se formou.

Uma equipe internacional de físicos desenvolveu uma teoria fora dos padrões a respeito do assunto. Ela afirma que, pouco depois que surgiu, 13,8 bilhões de anos atrás, o universo foi preenchido com nós formados a partir de fios flexíveis de energia chamados tubos de fluxo, que unem partículas elementares em conjunto. A ideia fornece uma explicação para o fato de vivermos em um mundo tridimensional.

Por que o espaço é tridimensional?

“Embora a questão de por que nosso universo possui exatamente três dimensões espaciais (grandes) seja um dos quebra-cabeças mais profundos da cosmologia, apenas ocasionalmente ela é abordada na literatura [científica]”, começa o artigo.

Para uma nova solução para este quebra-cabeça, os cinco co-autores – professores de física Arjun Berera, da Universidade de Edimburgo, na Escócia, Roman Buniy, da Universidade de Chapman, nos EUA, Heinrich Päs, da Universidade de Dortmund, na Alemanha, João Rosa, da Universidade de Aveiro, em Portugal, e Thomas Kephart, da Universidade de Vanderbilt, nos EUA – pegaram um elemento comum do modelo padrão da física de partículas e misturaram-no com a teoria dos nós, uma teoria matemática, para produzir um cenário único que não só pode explicar o predomínio das três dimensões, mas também fornecer uma fonte de energia natural para o surto de crescimento inflacionário que a maioria dos cosmólogos acredita que o universo passou microssegundos após o Big Bang.

O elemento comum que os físicos pegaram emprestado é o “tubo de fluxo” composto por quarks, as partículas elementares que compõem prótons e nêutrons, mantidas unidas por outro tipo de partícula elementar chamada glúon, que “cola” os quarks juntos. Glúons conectam quarks positivos com seus antiquarks negativos usando fios flexíveis de energia chamados tubos de fluxo. À medida que as partículas ligadas são separadas, o tubo de fluxo fica mais longo até chegar a um ponto onde ele quebra. Quando isso acontece, ele libera energia suficiente para formar um segundo par quark-antiquark que se divide e se liga às partículas originais, produzindo dois pares de partículas ligadas. (O processo é semelhante ao corte de um ímã de barra ao meio para obter dois ímãs menores, ambos com pólos norte e sul).

“Nós levamos o fenômeno bem conhecido do tubo de fluxo para um nível de energia mais alto”, diz Kephart.

Os físicos têm elaborado os detalhes de sua nova teoria desde 2012, quando participaram de uma oficina que Kephart organizou no Instituto Isaac Newton, em Cambridge, na Inglaterra. Berera, Buniy e Päs conheciam Kephart porque eram bolsistas de pós-doutorado em Vanderbilt antes de receber consultas de professores. Nas discussões na oficina, o grupo ficou intrigado com a possibilidade de os tubos de fluxo terem desempenhado um papel fundamental na formação inicial do universo.

Explicando a hiper-expansão do universo

De acordo com as teorias atuais, quando o universo foi criado, inicialmente foi preenchido com um líquido superaquecido e eletricamente carregado, chamado plasma quark-glúon. Isso consistiu em uma mistura de quarks e glúons. Em 2015, o plasma de quark-glúon foi recriado com sucesso em um acelerador de partículas, o Relativistic Heavy Ion Collider, que fica no Laboratório Nacional de Brookhaven, nos EUA, por um grupo internacional de físicos.

Kephart e seus colaboradores perceberam que uma versão de energia mais alta do plasma quark-glúon teria sido um ambiente ideal para a formação de tubos de fluxo no universo inicial. O grande número de pares de quarks e antiquarks sendo criados e aniquilados espontaneamente criaria miríades de tubos de fluxo.

Normalmente, o tubo de fluxo que une quark e antiquark desaparece quando as duas partículas entram em contato e se aniquilam, mas existem exceções. Se um tubo assume a forma de um nó, por exemplo, torna-se estável e pode sobreviver às partículas que o criaram. Se uma das partículas traçar o caminho de um nó de mão, por exemplo, então seu tubo de fluxo formará um nó de trevo. Como resultado, o tubo atado continuará a existir, mesmo depois que as partículas que ele conecta se aniquilam. Tubos de fluxo estáveis ​​também são criados quando dois ou mais tubos de fluxo se tornam interligados. O exemplo mais simples é o Enlace de Hopf, que consiste em dois círculos interligados.

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Desta forma, todo o universo poderia ter sido preenchido com uma rede apertada de tubos de fluxo, os autores imaginaram. Então, quando calcularam a quantidade de energia que tal rede poderia conter, ficaram positivamente surpreendidos ao descobrir que era suficiente para alimentar um período inicial de inflação cósmica.

Uma vez que a ideia de inflação cósmica foi introduzida, no início dos anos 80, os cosmólogos passaram a aceitar a proposição de que o universo inicial passou por um período em que se expandiu do tamanho de um próton para o tamanho de uma toranja em menos de um trilhão de segundo.

Este período de hiper-expansão resolve dois problemas importantes na cosmologia. Pode explicar as observações de que o espaço é mais liso e mais suave do que os astrofísicos acham que deveria ser. Apesar disso, a aceitação da teoria foi dificultada porque uma fonte de energia adequada não foi identificada.

“Não só a nossa rede de tubos de fluxo fornece a energia necessária para impulsionar a inflação, mas também explica por que ela parou tão abruptamente”, aponta Kephart. “À medida que o universo começou a expandir, a rede de tubos de fluxo começou a decair e eventualmente se separou, eliminando a fonte de energia que estava alimentando a expansão”.

Quando a rede quebrou, encheu o universo com um gás de partículas subatômicas e radiação, permitindo que a evolução do universo continuasse ao longo das linhas previamente determinadas.

Universo 3-D

A característica mais distintiva da teoria é que ela fornece uma explicação natural para um mundo tridimensional. Há uma série de teorias dimensionais superiores, como a teoria das cordas, que visualizam o universo como tendo nove ou dez dimensões espaciais. Geralmente, seus defensores explicam que essas dimensões superiores estão escondidas da visão de uma forma ou de outra.

A explicação da teoria do tudo de fluxo vem da básica teoria dos nós. ” Heinrich Päs sabia que os nós apenas se formam em três dimensões e queria usar esse fato para explicar por que vivemos em três dimensões”, disse Kephart.

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Um exemplo bidimensional ajuda a explicar. Digamos que você coloque um ponto no centro de um círculo em uma folha de papel. Não há como tirar o ponto de dentro do círculo enquanto eles permanecem na folha. Mas se você adicionar uma terceira dimensão, você pode levantar o círculo acima do ponto e movê-lo para um lado até que o ponto não esteja mais dentro do círculo, e então baixá-lo de volta. Algo parecido acontece com nós tridimensionais. Se você adicionar uma quarta dimensão, os matemáticos demonstraram que eles se desfazem. “Por esta razão, os tubos ligados ou com nós não podem se formar em espaços com mais dimensões”, diz Kephart.

O resultado é que a inflação teria sido limitada a três dimensões. As dimensões adicionais, se existirem, permaneceriam infinitesimais em tamanho, muito pequenas para que percebamos. O próximo passo para os físicos é desenvolver sua teoria até o ponto em que seja possível fazer algumas previsões sobre a natureza do universo que possam ser testadas. [phys.org]

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