فرضیه ای جالب برای علت سه بعدی بودن جهان

احتمالا شما هیچ وقت به این فکر نکرده اید که چرا دنیا تنها سه بعد دارد، اما این پرسش مدت هاست که ذهن فیزیکدانان را به خود مشغول کرده است.

گویا آی تی – ایده ای که فیزیک ذرات را با مفهومی به نام نظریه گره ترکیب ادغام می کند، نه تنها می تواند این موضوع را توضیح دهد بلکه می تواند در مورد عاملی که موجب شده است جهان تنها لحظاتی پس از به وجود آمدن، رشد بسیار سریع و انفجاری را تجربه کند اطلاعاتی در اختیار ما قرار می دهد.
این واقعیت که حجم های استاتیکی فضایی، دارای سه درجه آزادی –عرض، ارتفاع و طول – هستند آن قدر بنیادی و بدیهی به نظر می رسد که تصور کردن دنیا به شکلی دیگر بسیار دشوار است.
اگر سعی کنید که یک ابرمکعب (hypercube) 4 بعدی را به صورت یک جسم واقعی در نظر بگیرید، ذهن شما به سرعت با مشکل مواجه می شود
با این حال ما نمی توانیم احتمال وجود ابعاد دیگر در فضا را کنار بگذاریم، تنها به این دلیل که هنوز نمی توانیم آن را تجربه کنیم. مدل هایی چون نظریه ی ریسمان، فضا را برای درک ابعاد بیشتر تا فضای ۹ بعدی آماده می کنند.
اما تا زمانی که ما بتوانیم شواهد محکمی از وجود این بعدها پیدا کنیم، در یک مقیاس ماکرو از انسان ها، گیاهان و کهکشان ها تنها سه بعد برای ما مفهوم دارد.
تیمی بین المللی از فیزیکدانان برای یافتن دلیل این عدد جادوئی (۳ بعد) تلاش کردند و توانستند فرضیه ای احتمالی را به صورت مدلی که آن را تورم گرهی می نامند معرفی کنند.
فیزیکدانان تحقیقات خود را با مفاهیم شناخته شده ی فیزیک نظیر لوله های شار (Flux Tubes) آغاز کردند که ریشه در مدلسازی الکترومغناطیس توسط جیمز کلارک ماکسول در قرن نوزدهم دارد.

لوله های شار در واقع شیوه ای برای توصیف کانال هایی از خطوط موهومی نیروهایی است که در اثر میدان مغناطیس ایجاد می شوند.
ما با مفهوم بارهای الکتریکی مثبت و منفی، و هم چنین قطب های شمال و جنوب آهنرباها، به عنوان نشانه هایی از همین پدیده ی بنیادی آشنایی داریم.
دنیای کوانتومی نیر سیستمی مشابه دارد. بنابراین از لوله های شار می توان در مقیاس کوانتومی نیز استفاده کرد و توضیح داد که چرا انواع خاصی از ذرات به نام کوارک به یکدیگر می چسبند تا ذرات زیر اتمی بزرگتری مانند پروتون ها و نوترون ها را در ایجاد کنند.
با جدا کردن یک جفت آهنربا ما دو آهنربای کوچکتر خواهیم داشت که هر کدام از آن ها یک قطب شمال و یک قطب جنوب دارند.
دنیای کوانتوم نیز پاسخ خاص خود را به این پدیده می دهد؛ اگر شما یک جفت کوارک متصل شده را از یکدیگر جدا کنید، لوله ی شار در امتداد جدایی کشیده می شود تا زمانی که در نهایت گسیخته شود. سپس انرژی موجود در آن میدان موجب می شود که یک کوارک و یک ضد کوارک تولید شود.
گاهی اوقات این جفت ذرات بلافاصله به سوی هم جذب شده و خنثی می شوند. و گاهی هریک از کوارک ها یک بخش جدا شده از جفت اولیه را به خود جذب می کند تا نوعی پیوند جدید را به وجود آورد.

زمانی که دنیا تنها چند میکرو ثانیه سن داشت، کوارک ها همه جا حضور داشتند. بنابراین می توان گفت که لوله های شار در آن زمان نقش مهمی را ایفا کرده اند.
این نقطه ی آغاز تمام تفکرات پیچیده و تو در توی فیزیکدانان است.
توماس کِفارت، یکی از محققان این طرح از دانشگاه واندربیلت می گوید:” ما پدیده ی شناخته شده ی لوله ی شار را دنبال کردیم و آن را به سطح انرژی بسیار بالاتری رساندیم.”
از هم گسیختن یک لوله شار و جدا کردن یک کوارک و یک ضد کوارک پایان ماجرا به نظر می رسد، به ویژه اگر کوارک و ضد کوارک مجددا یکدیگر را از بین ببرند.
اما یک استثناء وجود دارد – این فضاهای لوله ای از دیدگاه علمی به یک خط مستقیم تک بعدی محدود نیستند. آرایش های پیچیده‌ی لوله های شار می توانند سطوح مختلفی از پایداری را داشته باشند، و برخی از آن ها می توانند عمر بیشتری به کوارک و ضد کوراک ساخته شده بدهند و به صورت یک گره باقی بمانند.
بهترین آرایش برای این گره ها چگونه است؟ بله – این آرایش در فضای سه بعدی بیشترین میزان از پایداری را دارد. اگر ابعاد بیشتر شوند، در کسری از ثانیه این تنظیمات به هم خورده و نابود می شود.

با منبسط شدن جهان تا حدی که کوارک ها بتوانند به یکدیگر بچسبند، احتمالا فضای خالی با مجموعه ای از این گره های لوله شار پر شده بوده است.
محققان انرژی موجود در این لوله های شار را محاسبه کرده اند و متوجه شدند که این انرژی برای ایجاد و پیش بردن پدیده ی تورم کیهانی کافی بوده است.
جهان ما در جهت های مختلف ظاهر تقریبا مشابهی دارد. این موضوع باعث شده است که کیهان شناسان تصور کنند که جهان بلافاصله پس از تشکیل شدن، دچار انبساطی حیرت انگیز شده است که آن را تنها در کسری از ثانیه، از اندازه ای در حد یک پروتون به اندازه ی یک گریپ فروت رسانده است.
کفارت می گوید: “شبکه ی لوله های شار نه تنها انرژی لازم برای تورم کیهانی را تأمین می کند، بلکه می تواند توضیح دهد که چرا این پدیده آن قدر ناگهانی متوقف شده است.”
” با شروع تورم کیهانی، شبکه ی لوله های شار شروع به تخریب شدن کرده و از بین رفتند، و به این ترتیب منبع انرژی که پدیده ی تورم را پیش می برد به مرور از بین رفت.”
با توجه به آنکه لوله های پایدار در فضایی سه بعدی شکل گرفته بودند، تمام درجات آزادی دیگر از بین رفتند.
محققان تا اینجا توانسته اند در آزمایش هایی نظیر بازسازی پلاسمای کوارک ها، و ذرات متصل به آن ها با نام گلوئون، از چهره ی فیزیک جدید پرده بردارند.
در حالی که این پژوهش تنها در حد یک مدل است، ممکن است در آینده ی نزدیک به شواهد محکمی دست پیدا کنیم که نشان دهد جهان ما تاریخ بسیار پیچیده ای داشته است.