Miért van csak három dimenziónk?

Miért olyan az univerzum, amilyen? Ezen belül is, miért csak három térbeli dimenziót észlelünk? A húrelmélet szuperszimmetriát is tartalmazó változata, a szuperhúrelmélet például tíz dimenzió létezését bizonygatja, amiből kilenc térbeli, a tizedik pedig az idő dimenziója.

Japán tudósok úgy vélik sikerült magyarázatot találniuk arra, hogyan alakult ki a mai háromdimenziós univerzum az eredeti kilencből. A világegyetem születését szimuláló új szuperszámítógépes számításaik a Physical Review Letters-ben jelennek meg. Mielőtt azonban belekezdünk, nem árt egy kicsit elmélyedni az előzményekben.

A világegyetem születéséről alkotott ősrobbanás elméletet meglehetősen szilárd észlelési bizonyítékok támasztják alá, ideértve a kozmikus mikrohullámú háttér méréseket és az elemek viszonylagos sokaságát. Bár a kozmológusok egészen az ősrobbanást követő néhány másodpercig vissza tudnak tekinteni az időben, a kritikus pillanatnál, amikor mindez létrejött, amikor az univerzum csak egy parányi pont volt, az általunk ismert és szeretett fizika kártyavárként omlik össze. Ezért egy új típusú elméletre van szükségünk, ami a relativitást összehozza a kvantum-mechanikával, hogy értelmezni tudjuk azt a bizonyos pillanatot.

A 20. század során a fizikusok fáradhatatlanul foltozgatták az egészen ésszerűnek tűnő standard modellt. A végeredmény majdnem működik is, méghozzá az extra dimenziók nélkül. Összevegyíti az elektromágnesességet az erős és gyenge erőkkel és nagyszerű elméleti vázat biztosít a szubatomi részecskék nagy és zajos "családjának". Van azonban egy nagy és tátongó űr: a standard modell nem foglalja magába a gravitációs erőt, amit a szuperhúrelmélettel próbálnak betömködni.

A húrelmélet támogatói szerint a ma tapasztalható három teljes méretű térbeli dimenzió és egy időbeli dimenzió mellett létezik hat extra dimenzió, amik mint icipici papírgalacsinok összegyűrődtek a Planck-skálán. Ahogy ezek a dimenziók zsugorodnak, úgy lesznek a természet a Plack-skála mentén rezgő legalapvetőbb egységei, a húrok is egyre kisebbek. Az extra dimenziók geometriai alakja segít megállapítani a húr-rezgések rezonáns sémáit, amik pedig meghatározzák a létrejött elemi részecskék típusát, és megalkotják az általunk észlelt fizikai erőket, valahogy úgy, ahogy a vibráló elektromos és mágneses mezők előidézik a teljes fényspektrumot, vagy a hegedű húrjainak rezgése a különböző zenei hangokat.

Minden anyag és erő ezekből a rezgésekből áll össze, ez alól a gravitáció sem kivétel. A húrelméletben a részecskék szerepét egy apró rezgő húr veszi át, ami összekötő kapocsként szolgál a gravitációhoz, és íme, az általános relativitás elmélet máris kvantálódott. Ez pedig azt jelenti, hogy a húrelmélet alkalmazható a világegyetem születését adó végtelenül parányi pont, vagy mondjuk a fekete lyukak középpontjában elhelyezkedő szingularitás feltárására.

Térjünk azonban vissza hiányzó dimenzióinkhoz. A fizikusok erre is kitaláltak egy egészen meggyőző történetet. Az ősrobbanás előtt, a kozmosz egy tökéletesen szimmetrikus kilenc-, az idővel együtt tízdimenziós univerzum volt, elképzelhetetlenül magas hőmérsékleten fogva egybe a négy alapvető erőt. Ez az univerzum azonban rendkívül instabil volt és kettészakadt, hatalmas lökéshullámot generálva. Az eredmény két különálló tér-idő lett: a kiteljesedett háromdimenziós, amiben jelenleg élünk, és egy hatdimenziós, ami ugyanolyan hevesen zsugorodott össze, ahogy a miénk tágult, parányi Planck-i gömbbé töpörödve össze. Mialatt a mi univerzumunk kitágult és lehűlt, a négy erő a gravitációval az élén egyenként szétvált. Minden amit ma magunk körül tapasztalunk, az eredeti széttört kilencdimenziós univerzum egy szilánkja.

A fenti nézetet támogató fizikusok nem tudják megmondani, miért alakult mindez a leírtak szerint, csupán gyanítják, hogy a szuperszimmetrikus állapot fenntartásához szükséges elképesztő feszültség és magas energia az ok, ami instabilitást eredményez. Képzeljük el, amint mosás után a tiszta ágyneművel megpróbálunk megágyazni, a lepedő azonban némileg összement a mosásban. Sikerül ráerőszakolni az ágybetét négy sarkára, azonban annyira feszül, hogy nem marad meg a helyén. Mivel túl nagy feszültség nehezedik az anyagra, ezért valamelyik sarok óhatatlanul ledobja magát, a lepedő pedig egy ponton felgyűrődik. Természetesen újra visszahúzhatjuk a sarkot a helyére, de a feszültség újra és újra megismétli a folyamatot.

Ahogy a lepedő, az eredeti tízdimenziós tér-idő anyaga is túl feszes volt a szuperszimmetria állapotában, és amikor már túl nagy lett a feszültség, a tér-idő kettészakadt. Az egyik része egy kis gömbbé tekeredett össze, míg a másiknál a kataklizma lökéshulláma gyors ütemű kifelé irányuló tágulást eredményezett, ezt nevezzük felfúvódásnak, ebből született meg a látható univerzumunk. Ugyanezt mutatja a japán szimuláció is; az univerzumnak születésekor kilenc térbeli dimenziója volt, de csak három esett át a táguláson. Ez az első gyakorlati demonstrációja a háromdimenziós univerzum kilencdimenziósból történő kialakulásának, jókora támogatást adva a fent leírt elméletnek.

Milyen mechanizmus áll az események mögött? - teszi fel a kérdést a Discovery. Egy tízdimenziós univerzumban több millió módja van a szuperszimmetria felbomlásának. Van tehát valami különleges ebben a három térbeli dimenzióban? Az új szimulációk segíthetnek fényt deríteni a kérdésekre.

Jun Nishimura (KEK), Asato Tsuchiya (Shizuoka Egyetem) és Sang-Woo Kim (Oszakai Egyetem) a húrelmélethez kapcsolódó, 1996-ban kifejlesztett, a húrok komplex kölcsönhatásait modellező IKKT mátrix (kitalálói Ishibashi, Kawai, Kitizawa és Tsuchiya tudósok után kapta a nevét) alkalmazásával kezdtek neki a probléma megoldásának. Igen komplikált technikai okokból az eredeti IKKT mátrix modell és a valós világ közötti kapcsolat kissé homályos volt, elsősorban azért, mert gyenge kölcsönhatásokat feltételez, miközben a húrok közötti kölcsönhatások a valóságban meglehetősen erősek. A másik fő ok, hogy az idő változóját a számításokban nem kezelték matematikai értelemben "valósként".

Az új szimulációk erős kölcsönhatásokat feltételeznek és az időt is valós változóként kezelik, melynek eredményeként a húrelmélet támogatói egy hasznos eszközt kaptak a szuperhúrelmélet jövendöléseinek számítógépes szimulációkkal történő tesztelésére, fényt derítve olyan bonyolult problémákra, mint a felfúvódás, a sötét anyag és a világegyetem gyorsuló tágulása, miközben megmagyarázza, miért olyan az univerzumunk, amilyen.