Da próxima vez que você se deparar com uma confusão de corda, arame ou fio com nós, pondere sobre o seguinte:a tendência natural para que as coisas se emaranhem pode ajudar a explicar a natureza tridimensional do universo e como ele se formou.

Uma equipe internacional de físicos desenvolveu uma teoria out-of-the-box que, pouco depois de ter surgido há 13,8 bilhões de anos, o universo estava cheio de nós formados por fios flexíveis de energia chamados tubos de fluxo que unem as partículas elementares. A ideia fornece uma explicação clara de por que habitamos um mundo tridimensional e é descrita em um artigo intitulado "Inflação nodosa e a dimensionalidade do espaço-tempo", aceito para publicação no European Physical Journal C e disponível no servidor de pré-impressão arXiv.

"Embora a questão de por que nosso universo tem exatamente três (grandes) dimensões espaciais seja um dos quebra-cabeças mais profundos da cosmologia ... na verdade, é apenas ocasionalmente abordado 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, Roman Buniy na Chapman University, Heinrich Päs (autor de "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") na Universidade de Dortmund, João Rosa da Universidade de Aveiro e Thomas Kephart da Universidade de Vanderbilt - pegaram um elemento comum do modelo padrão da física de partículas e misturou-o com um pouco de teoria básica de nós para produzir um novo cenário que não só pode explicar a predominância de três dimensões, mas também fornece uma fonte de energia natural para o surto de crescimento inflacionário que a maioria dos cosmologistas acredita que o universo passou por microssegundos depois de ter surgido.

O elemento comum que os físicos pegaram emprestado é o "tubo de fluxo" composto de quarks, as partículas elementares que constituem os prótons e nêutrons, mantidos juntos por outro tipo de partícula elementar chamada glúon, que "cola" os quarks. Os glúons ligam os quarks positivos aos antiquarks negativos correspondentes com 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 se rompe. Quando isso acontecer, 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 a cortar um ímã em barra pela metade para obter dois ímãs menores, ambos com pólos norte e sul.)

"Pegamos o conhecido fenômeno do tubo de fluxo e o elevamos a um nível de energia mais alto, "disse Kephart, professor de física em Vanderbilt.

Os físicos têm trabalhado nos detalhes de sua nova teoria desde 2012, quando participaram de um workshop que Kephart organizou no Instituto Isaac Newton em Cambridge, Inglaterra. Berera, Buniy e Päs conheciam Kephart porque trabalharam como pós-doutorandos em Vanderbilt antes de conseguirem nomeações para o corpo docente. Em discussões no workshop, o grupo ficou intrigado com a possibilidade de que os tubos de fluxo pudessem ter desempenhado um papel fundamental na formação inicial do universo.

De acordo com as teorias atuais, quando o universo foi criado, ele foi inicialmente preenchido com um líquido superaquecido e eletricamente carregado chamado plasma de quark-gluon. Isso consistia em uma mistura de quarks e glúons. (Em 2015, o plasma quark-gluon foi recriado com sucesso em um acelerador de partículas, o Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​do Laboratório Nacional de Brookhaven, por um grupo internacional de físicos, incluindo cinco da Vanderbilt:Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, e os professores de física Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon e Julia Velkovska.)

Kephart e seus colaboradores perceberam que uma versão de energia mais alta do plasma quark-gluon teria sido um ambiente ideal para a formação de tubos de fluxo no início do universo. 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 liga um quark e antiquark desaparece quando as duas partículas entram em contato e se auto-aniquilam, mas existem exceções.

Se um tubo assume a forma de um nó, por exemplo, então ele se torna estável e pode sobreviver às partículas que o criaram. Se uma das partículas traça o caminho de um nó overhand, por exemplo, então seu tubo de fluxo formará um nó trifólio. Como resultado, o tubo com nós continuará a existir, mesmo depois que as partículas que ele une 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 link Hopf, que consiste em dois círculos interligados.

Desta forma, todo o universo poderia ter se preenchido com uma rede apertada de tubos de fluxo, os autores imaginaram. Então, quando calcularam quanta energia essa rede pode conter, eles ficaram agradavelmente surpresos ao descobrir que era o suficiente para alimentar um período inicial de inflação cósmica.

Desde que a ideia de inflação cósmica foi introduzida no início dos anos 1980, cosmologistas geralmente aceitam a proposição de que o universo primitivo passou por um período em que se expandiu do tamanho de um próton para o tamanho de uma toranja em menos de um trilionésimo de segundo.

Este período de hiperexpansão resolve dois problemas importantes da cosmologia. Pode explicar as observações de que o espaço é mais plano e liso do que os astrofísicos pensam que deveria ser. Apesar dessas vantagens, a aceitação da teoria foi prejudicada porque uma fonte de energia apropriada não foi identificada.

"Não apenas nossa rede de tubos de fluxo fornece a energia necessária para impulsionar a inflação, também explica por que parou tão abruptamente, "disse Kephart." À medida que o universo começou a se expandir, a rede de tubos de fluxo começou a se deteriorar e eventualmente se separou, eliminando a fonte de energia que impulsionava a expansão. "

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

A característica mais marcante de sua teoria é que ela fornece uma explicação natural para um mundo tridimensional. Existem várias teorias dimensionais superiores, como a teoria das cordas, que visualizam o universo como tendo nove ou dez dimensões espaciais. Geralmente, seus proponentes explicam que essas dimensões superiores ficam ocultas da vista de uma forma ou de outra.

A explicação da teoria do tubo de fluxo vem da teoria básica do nó. "Foi Heinrich Päs quem sabia que os nós só se formam em três dimensões e queria usar esse fato para explicar por que vivemos em três dimensões, "disse Kephart.

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 liberar o círculo do ponto enquanto permanece 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 antes de abaixá-lo novamente. Algo semelhante acontece com os nós tridimensionais se você adicionar uma quarta dimensão - os matemáticos mostraram que eles se desfazem. "Por esta razão, tubos com nós ou vinculados não podem se formar em espaços de dimensões superiores, "disse Kephart.

O resultado líquido é que a inflação teria sido limitada a três dimensões. Dimensões adicionais, se eles existem, permaneceria infinitesimal em tamanho, muito pequeno para que possamos perceber.

O próximo passo para os físicos é desenvolver sua teoria até que ela faça algumas previsões sobre a natureza do universo que possam ser testadas.