Hade det tidiga universum bara en rumslig dimension? Det är det överväldigande konceptet i hjärtat av en teori som fysikern Dejan Stojkovic från universitetet i Buffalo och kollegor föreslog under 2010. De föreslog att det tidiga universum - som exploderade från en enda punkt och var mycket, mycket litet till en början - var en-dimensionell (som en rak linje) innan den utvidgas till att inkludera två dimensioner (som ett plan) och sedan tre (som den värld där vi lever idag).
Teorin, om den är giltig, skulle ta itu med viktiga problem inom partikelfysik.
Nu, i en ny artikel i Physical Review Letters, beskriver Stojkovic och Loyola Marymount University fysiker Jonas Mureika ett test som kan bevisa eller motbevisa hypotesen om "försvinnande dimensioner".
Eftersom det tar tid för ljus och andra vågor att resa till jorden, kan teleskop som tittar ut i rymden, i huvudsak titta tillbaka på tiden när de undersöker universumets yttre räckvidd.
Gravitationsvågor kan inte existera i en- eller tvådimensionell rymd. Så Stojkovic och Mureika har resonerat att Laserinterferometer Space Antenna (LISA), ett planerat internationellt gravitationsobservatorium, inte bör upptäcka några gravitationsvågor som härrör från de lägre dimensionella epokarna i det tidiga universum.
Stojkovic, biträdande professor i fysik, säger att teorin om utvecklande dimensioner representerar en radikal förskjutning från hur vi tänker på kosmos - om hur vårt universum blev.
Kärnan är att dimensionens rymd beror på storleken på utrymmet som vi observerar, med mindre utrymmen associerade med färre dimensioner. Det betyder att en fjärde dimension öppnas - om den inte redan har gjort det - eftersom universum fortsätter att expandera.
Teorin antyder också att rymden har färre dimensioner med mycket höga energier av den typ som är förknippade med det tidiga, post-big bang universum.
Om Stojkovic och hans kollegor har rätt, kommer de att hjälpa till att ta itu med grundläggande problem med standardmodellen för partikelfysik, inklusive följande:
Inkompatibiliteten mellan kvantmekanik och allmän relativitet. Kvantmekanik och allmän relativitet är matematiska ramverk som beskriver universumets fysik. Kvantmekanik är bra på att beskriva universum på mycket små skalor, medan relativitet är bra på att beskriva universum på stora skalor. För närvarande anses de två teorierna vara oförenliga; men om universumet på sina minsta nivåer hade färre dimensioner försvann matematiska skillnader mellan de två ramarna.
Fysiker har observerat att universumets expansion växer snabbare och de vet inte varför. Tillägget av nya dimensioner när universum växer skulle förklara denna acceleration. (Stojkovic säger att en fjärde dimension kanske redan har öppnat i stora, kosmologiska skalor.)
Standardmodellen för partikelfysik förutsäger förekomsten av en ännu oupptäckt elementär partikel som kallas Higgs boson. För att ekvationer i standardmodellen för att exakt kan beskriva den observerade fysiken i den verkliga världen måste forskare konstgjordt justera massan på Higgs-boson för interaktioner mellan partiklar som äger rum vid höga energier. Om rymden har färre dimensioner vid höga energier, försvinner behovet av denna typ av "inställning".
"Det vi föreslår här är en förändring av paradigmet," sade Stojkovic. "Fysiker har kämpat med samma problem i 10, 20, 30 år och det är troligt att det är troligt att de existerande idéerna inte kommer att lösa dem."
”Vi måste ta hänsyn till möjligheten att något systematiskt är fel med våra idéer,” fortsatte han. "Vi behöver något radikalt och nytt, och detta är något radikalt och nytt."
Eftersom den planerade utplaceringen av LISA fortfarande är år borta kan det vara lång tid innan Stojkovic och hans kollegor kan testa sina idéer på detta sätt.
Vissa experimentella bevis pekar emellertid redan på en eventuell existens av lägre dimensionella rymden.
Specifikt har forskare observerat att det huvudsakliga energiflödet av kosmiska strålpartiklar med energier som överstiger 1 teraelektron volt - den typ av hög energi som är associerat med det mycket tidiga universum - är inriktade längs ett tvådimensionellt plan.
Om höga energier stämmer överens med lägre-dimensionella rymden, som "försvinnande dimensioner" -teorin föreslår, bör forskare som arbetar med partikelacceleratorn Large Hadron Collider i Europa se plan spridning vid sådana energier.
Stojkovic säger att observationen av sådana händelser skulle vara "ett mycket spännande, oberoende test av våra föreslagna idéer."
Källor: EurekAlert, Physical Review Letters.
