¿El universo primitivo tenía solo una dimensión espacial? Ese es el concepto alucinante en el corazón de una teoría que el físico Dejan Stojkovic de la Universidad de Buffalo y sus colegas propusieron en 2010. Sugirieron que el universo primitivo, que explotó desde un solo punto y era muy, muy pequeño al principio, era unidimensional (como una línea recta) antes de expandirse para incluir dos dimensiones (como un plano) y luego tres (como el mundo en el que vivimos hoy).
La teoría, si es válida, abordaría problemas importantes en la física de partículas.
Ahora, en un nuevo artículo en Physical Review Letters, el físico de la Universidad de Stojkovic y Loyola Marymount, Jonas Mureika, describe una prueba que podría probar o refutar la hipótesis de las "dimensiones de fuga".
Debido a que lleva tiempo para que la luz y otras ondas viajen a la Tierra, los telescopios que miran hacia el espacio pueden, esencialmente, mirar hacia atrás en el tiempo mientras exploran los alcances externos del universo.
Las ondas gravitacionales no pueden existir en el espacio de una o dos dimensiones. Entonces Stojkovic y Mureika han razonado que la Antena Espacial de Interferómetro Láser (LISA), un observatorio gravitacional internacional planeado, no debería detectar ninguna onda gravitacional que provenga de las épocas de dimensiones más bajas del universo primitivo.
Stojkovic, profesor asistente de física, dice que la teoría de las dimensiones en evolución representa un cambio radical de la forma en que pensamos sobre el cosmos, sobre cómo nació nuestro universo.
La idea central es que la dimensionalidad del espacio depende del tamaño del espacio que estamos observando, con espacios más pequeños asociados con menos dimensiones. Eso significa que se abrirá una cuarta dimensión, si aún no lo ha hecho, a medida que el universo continúe expandiéndose.
La teoría también sugiere que el espacio tiene menos dimensiones a muy altas energías del tipo asociado con el universo temprano posterior al Big Bang.
Si Stojkovic y sus colegas tienen razón, ayudarán a abordar problemas fundamentales con el modelo estándar de física de partículas, que incluyen lo siguiente:
La incompatibilidad entre la mecánica cuántica y la relatividad general. La mecánica cuántica y la relatividad general son marcos matemáticos que describen la física del universo. La mecánica cuántica es buena para describir el universo a escalas muy pequeñas, mientras que la relatividad es buena para describir el universo a grandes escalas. Actualmente, las dos teorías se consideran incompatibles; pero si el universo, en sus niveles más pequeños, tuviera menos dimensiones, las discrepancias matemáticas entre los dos marcos desaparecerían.
Los físicos han observado que la expansión del universo se está acelerando, y no saben por qué. La adición de nuevas dimensiones a medida que el universo crece explicaría esta aceleración. (Stojkovic dice que una cuarta dimensión ya puede haberse abierto a grandes escalas cosmológicas).
El modelo estándar de física de partículas predice la existencia de una partícula elemental aún no descubierta llamada bosón de Higgs. Sin embargo, para que las ecuaciones en el modelo estándar describan con precisión la física observada del mundo real, los investigadores deben ajustar artificialmente la masa del bosón de Higgs para las interacciones entre partículas que tienen lugar a altas energías. Si el espacio tiene menos dimensiones a altas energías, la necesidad de este tipo de "sintonización" desaparece.
"Lo que estamos proponiendo aquí es un cambio de paradigma", dijo Stojkovic. "Los físicos han luchado con los mismos problemas durante 10, 20, 30 años, y es poco probable que las extensiones directas de las ideas existentes los resuelvan".
"Tenemos que tener en cuenta la posibilidad de que algo esté sistemáticamente mal con nuestras ideas", continuó. "Necesitamos algo radical y nuevo, y esto es algo radical y nuevo".
Debido a que el despliegue planificado de LISA aún está a años de distancia, puede pasar mucho tiempo antes de que Stojkovic y sus colegas puedan probar sus ideas de esta manera.
Sin embargo, algunas pruebas experimentales ya apuntan a la posible existencia de un espacio de dimensiones inferiores.
Específicamente, los científicos han observado que el flujo de energía principal de las partículas de rayos cósmicos con energías superiores a 1 teraelectrón voltio, el tipo de alta energía asociada con el universo primitivo, está alineado a lo largo de un plano bidimensional.
Si las altas energías se corresponden con el espacio de dimensiones más bajas, como propone la teoría de las “dimensiones de fuga”, los investigadores que trabajan con el acelerador de partículas del Gran Colisionador de Hadrones en Europa deberían ver la dispersión plana en tales energías.
Stojkovic dice que la observación de tales eventos sería "una prueba muy emocionante e independiente de nuestras ideas propuestas".
Fuentes: EurekAlert, Physical Review Letters.
