Had het vroege universum slechts één ruimtelijke dimensie? Dat is het verbijsterende concept dat de kern vormt van een theorie die natuurkundige Dejan Stojkovic van de Universiteit van Buffalo en collega's in 2010 voorstelden. Ze suggereerden dat het vroege universum - dat vanuit één punt explodeerde en aanvankelijk heel erg klein was - eendimensionaal (als een rechte lijn) voordat het wordt uitgebreid met twee dimensies (zoals een vlak) en vervolgens drie (zoals de wereld waarin we vandaag leven).
De theorie zou, indien geldig, belangrijke problemen in de deeltjesfysica aanpakken.
In een nieuw artikel in Physical Review Letters beschrijven Stojkovic en Loyola Marymount University-natuurkundige Jonas Mureika een test die de hypothese van de "verdwijnende dimensies" zou kunnen bewijzen of weerleggen.
Omdat het tijd kost voordat licht en andere golven naar de aarde reizen, kunnen telescopen die de ruimte in kijken, in wezen terugkijken in de tijd terwijl ze de buitengebieden van het universum onderzoeken.
Zwaartekrachtsgolven kunnen niet bestaan in een- of tweedimensionale ruimte. Dus Stojkovic en Mureika hebben geredeneerd dat de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), een gepland internationaal zwaartekrachtsobservatorium, geen zwaartekrachtsgolven zou moeten detecteren die afkomstig zijn van de lager-dimensionale tijdperken van het vroege universum.
Stojkovic, een assistent-professor in de natuurkunde, zegt dat de theorie van evoluerende dimensies een radicale verschuiving vertegenwoordigt van de manier waarop we over de kosmos denken - over hoe ons universum is ontstaan.
Het kernidee is dat de dimensionaliteit van ruimte afhangt van de grootte van de ruimte die we waarnemen, waarbij kleinere ruimtes geassocieerd zijn met minder dimensies. Dat betekent dat er een vierde dimensie zal openen - als dat nog niet is gebeurd - terwijl het universum zich blijft uitbreiden.
De theorie suggereert ook dat de ruimte minder dimensies heeft bij zeer hoge energieën van het soort dat geassocieerd wordt met het vroege universum na de oerknal.
Als Stojkovic en zijn collega's gelijk hebben, helpen ze fundamentele problemen met het standaardmodel van de deeltjesfysica aan te pakken, waaronder:
De onverenigbaarheid tussen kwantummechanica en algemene relativiteit. Kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie zijn wiskundige kaders die de fysica van het heelal beschrijven. Kwantummechanica is goed in het beschrijven van het heelal op zeer kleine schaal, terwijl relativiteit goed is in het beschrijven van het heelal op grote schaal. Momenteel worden de twee theorieën als onverenigbaar beschouwd; maar als het universum op zijn kleinste niveaus minder dimensies zou hebben, zouden wiskundige verschillen tussen de twee kaders verdwijnen.
Natuurkundigen hebben opgemerkt dat de uitdijing van het universum versnelt, en ze weten niet waarom. De toevoeging van nieuwe dimensies naarmate het universum groeit, zou deze versnelling verklaren. (Stojkovic zegt dat er misschien al een vierde dimensie is geopend op grote, kosmologische schalen.)
Het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt het bestaan van een nog niet ontdekt elementair deeltje dat het Higgs-deeltje wordt genoemd. Voor vergelijkingen in het standaardmodel om de waargenomen fysica van de echte wereld nauwkeurig te beschrijven, moeten onderzoekers de massa van het Higgs-boson kunstmatig aanpassen voor interacties tussen deeltjes die plaatsvinden bij hoge energieën. Als de ruimte bij hoge energieën minder dimensies heeft, verdwijnt de behoefte aan dit soort 'afstemming'.
"Wat we hier voorstellen is een verschuiving in het paradigma", zei Stojkovic. "Natuurkundigen hebben 10, 20, 30 jaar met dezelfde problemen geworsteld en het is onwaarschijnlijk dat eenvoudige uitbreidingen van de bestaande ideeën deze zullen oplossen."
"We moeten rekening houden met de mogelijkheid dat er systematisch iets mis is met onze ideeën", vervolgde hij. 'We hebben iets radicaals en nieuws nodig, en dit is iets radicaals en nieuws.'
Omdat de geplande inzet van LISA nog jaren weg is, kan het nog lang duren voordat Stojkovic en zijn collega's hun ideeën op deze manier kunnen testen.
Sommige experimentele aanwijzingen wijzen echter al op het mogelijke bestaan van een lagere dimensie.
Wetenschappers hebben met name opgemerkt dat de belangrijkste energieflux van deeltjes van kosmische straling met energieën groter dan 1 tera-elektronvolt - het soort hoge energie dat wordt geassocieerd met het zeer vroege heelal - is uitgelijnd langs een tweedimensionaal vlak.
Als hoge energieën overeenkomen met lager-dimensionale ruimte, zoals de theorie van de "verdwijnende dimensies" suggereert, zouden onderzoekers die met de Large Hadron Collider-deeltjesversneller in Europa werken, vlakke verstrooiing bij dergelijke energieën moeten zien.
Stojkovic zegt dat het waarnemen van dergelijke gebeurtenissen 'een zeer opwindende, onafhankelijke test van onze voorgestelde ideeën' zou zijn.
Bronnen: EurekAlert, Physical Review Letters.
