Por que o espaço é tridimensional?

Por , em 4.05.2016

A questão de por que o espaço é tridimensional, ou seja, 3D, é uma que intriga filósofos e cientistas há muito tempo.

No total, o espaço-tempo possui quatro dimensões, sendo três dimensões espaciais, mais o tempo como uma quarta dimensão.

A dimensão de tempo está relacionada com a segunda lei da termodinâmica: o tempo tem uma direção (para a frente) porque a entropia (uma medida de desordem) nunca diminui num sistema fechado tal como o universo.

Agora, um novo estudo propõe que a segunda lei da termodinâmica também pode explicar porque o espaço é 3D.

O estudo

Os cientistas propõem que o espaço é 3D por causa de uma grandeza termodinâmica chamada de energia livre de Helmholtz. “A maior importância do nosso trabalho é que nós apresentamos uma dedução com base em um modelo físico da dimensionalidade do universo, com um cenário adequado e razoável do espaço-tempo. Esta é a primeira vez que o número ‘três’ das dimensões surge como a otimização de uma quantidade física”, disse o coautor do estudo Julian Gonzalez-Ayala, do Instituto Politécnico Nacional do México e da Universidade de Salamanca, na Espanha, ao portal Phys.org.

Em um universo cheio de radiação, a energia livre de Helmholtz pode ser pensada como uma espécie de pressão em todo o espaço, que depende da temperatura do universo e do seu número de dimensões espaciais.

Os pesquisadores mostraram que, conforme o universo começou a esfriar no momento após o Big Bang, a energia livre de Helmholtz atingiu o seu primeiro valor máximo a uma temperatura muito elevada correspondente à quando o universo tinha apenas uma fração de um segundo de idade, e quando o número de dimensões espaciais era de aproximadamente três.

A ideia-chave é que o espaço 3D foi “congelado” neste momento, quando a energia livre de Helmholtz atingiu o seu primeiro valor máximo, o que proibiu o espaço de mudar para outras dimensões.

Entropia

Transições para dimensões maiores são possíveis apenas quando a temperatura estiver acima deste valor crítico, não abaixo. Uma vez que o universo está continuamente resfriando, a temperatura atual é muito abaixo da temperatura crítica necessária para a transição do espaço 3D para um espaço de dimensão superior.

“No processo de resfriamento do início do universo e depois da primeira temperatura crítica, o princípio da entropia para sistemas fechados pode ter proibido certas mudanças de dimensionalidade”, disseram os pesquisadores.

A proposta ainda deixa espaço para dimensões mais elevadas que poderiam ter ocorrido na primeira fração de segundo após o Big Bang, quando o universo era ainda mais quente do que a temperatura crítica.

Dimensões extras estão presentes em muitos modelos cosmológicos, principalmente na teoria das cordas. O novo estudo pode ajudar a explicar por que, em alguns desses modelos, as dimensões extras parecem ter entrado em colapso (ou permaneceram do mesmo tamanho, o que é muito pequeno), enquanto o espaço 3D continuou a crescer em todo o universo observável.

Mais para a frente

No futuro, os pesquisadores pretendem melhorar o seu modelo para incluir efeitos quânticos adicionais que possam ter ocorrido durante a primeira fração de segundo após o Big Bang, a chamada “Era de Planck”.

Além disso, os resultados de um modelo mais completo também podem fornecer orientações para cientistas que trabalham em outros modelos cosmológicos, como a gravidade quântica. [Phys]

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