Warum ist unser Universum drei Dimensionen haben?

Warum sieht unser Universum so aus, wie es funktioniert? Vor allem, warum nur erleben wir drei räumliche Dimensionen in unserem Universum, wenn Superstring-Theorie, zum Beispiel behauptet, dass es zehn Dimensionen – neun Raumdimensionen und einem zehnten Dimension der Zeit?

Japanische Wissenschaftler denken, dass sie möglicherweise eine Erklärung für eine dreidimensionale Universum aus den ursprünglichen neun Dimensionen des Raumes entstand. Sie beschreiben ihre neuen Supercomputer Berechnungen simulieren die Geburt unseres Universums in einem bevorstehenden Papier in Physical Review Letters.

Bevor wir in die kniffligen Besonderheiten tief, ist es hilfreich, ein wenig Hintergrund haben.

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Die Urknall-Theorie von der Entstehung des Universums hat durch einige ziemlich überzeugende Beobachtungen Beweise, einschließlich der Messung der kosmischen Hintergrundstrahlung und die relative Häufigkeit der Elemente gestärkt worden.

Aber während Kosmologen zurück in die Zeit, innerhalb weniger Sekunden des Urknalls, der tatsächliche Zeitpunkt, kam es zustande bewundern können, wenn das ganze Universum nur ein winziger Punkt--nun, zu diesem Zeitpunkt war die Physik wir kennen und lieben Pausen nach unten. Wir brauchen eine neue Art von Theorie, eine, die Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik, diesem Moment sinnvoll kombiniert.

Im Laufe des 20. Jahrhunderts zusammengeschustert Physiker mühsam ein hinreichend effizient "Standardmodell" der Physik. Das Modell kam sie mit fast arbeitet ohne Rückgriff auf extra-Dimensionen. Es verschmilzt Elektromagnetismus mit dem starken und schwachen Kernkräfte (bei fast unglaublich hohen Temperaturen), trotz der Unterschiede in ihren jeweiligen Stärken und bietet einen ordentlichen theoretischen Rahmen für die großen, lauten "Familie" von subatomaren Teilchen.

Aber es gibt ein riesiges Loch. Das Standardmodell beinhaltet nicht die Schwerkraft. Das ist warum Jupiter, der Physiker in Jeanette Wintersons Roman, Darm Symmetrien, ruft das Standard-Modell der "Flying Plane"--Es ist "groß, hässlich, nützlich, deckt, was Sie wollen und Schwerkraft ignoriert." Superstring-Theorie zielt darauf ab, dieses Loch zu stopfen.

Fäden ziehen

Nach Zeichenfolge Theoretiker gibt es die drei Full-size Raumdimensionen, die wir jeden Tag erleben, eine Dimension der Zeit und sechs Extradimensionen auf der Planck-Skala wie klitzekleine Bündel Papier zerknittert. So winzig wie diese Dimensionen, Saiten--die grundlegendste Einheit in der Natur, schwingen sich mit der Planck-Skala--sind sogar noch kleiner.

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Alle Materie (und alle Kräfte) sind diese Schwingungen--einschließlich Schwerkraft zusammen. Und eine der Möglichkeiten, in denen Saiten vibrieren können, entspricht ein Teilchen, die die Schwerkraft vermittelt.

Voila! Allgemeinen Relativitätstheorie hat jetzt quantisiert. Und das bedeutet, dass die String-Theorie verwendet werden kann, entdecken die unendlich kleinen Punkt unseres Universums geboren (oder für diese Angelegenheit, die Singularität, die im Zentrum eines schwarzen Lochs liegt).

Zerbrochene Symmetrie

Es gibt eine weitere Falte, und das ist das ganze Geschäft der extra-Dimensionen, wenn unsere Welt wie wir sie derzeit erleben hat nur drei. Physiker haben eine ziemlich überzeugende hypothetisches Szenario für wie könnte dies zustande gekommen herausgehämmert.

Vor dem Urknall war der Kosmos eine perfekt symmetrische neun-dimensionalen Universums (oder zehn, wenn Sie in die Dimension der Zeit hinzufügen) mit allen vier Grundkräfte vereinheitlicht bei unvorstellbar hohen Temperaturen. Aber dieses Universums war sehr instabil und in zwei, senden eine immense Schockwelle hallte durch den embryonalen Kosmos rissig.

Das Ergebnis war zwei separate Raumzeiten: die entrollten dreidimensionale, die wir bewohnen, und eine sechsdimensionale, die so heftig wie unsere schrumpfen zu einem winzigen Planckian Ball erweitert, vergeben. Als unser Universum ausdehnte und gekühlt, zwingt die vier Split aus einer von eins, Beginn mit der Schwerkraft. Alles, was wir um uns herum, heute sehen ist eine bloße Shard des ursprünglichen zerbrochenen neun-dimensionalen Universums.

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Stell dir vor, du versuchst, so dass das Bett am Waschtag, aber das Bettlaken ist etwas geschrumpft, in der Wäsche. Sie schaffen es, um alle vier Ecken des Bettes zu passen, aber das Blatt wird so fest, dass es nicht nur im Ort bleiben gestreckt.

Es gibt zu viel Belastung auf das Gewebe, so eine Ecke zwangsläufig Pop locker, wodurch das Bettlaken zu kuscheln an dieser Stelle. Sicher, Sie können erzwingen, Ecke zurück an ihren Platz, aber wiederum die Belastung erweisen sich zuviel und eine andere Ecke öffnet.

Wie das Bettlaken war die originale zehndimensionalen Stoff von Raum und Zeit fest in einem supersymmetrischen Zustand gedehnt. Aber die Spannung war zu groß und Raumzeit in zwei geknackt. Einerseits zusammengerollt in einem engen kleinen Ball, während der Nachbeben aus der katastrophalen kosmische Risse verursacht andererseits nach außen rasch expandieren einer Periode bekannt als Inflation. Dies wurde uns sichtbaren Universums.

Geburt Schmerzen

Was ist der Mechanismus, mit dem dies geschehen? Für eine zehn-dimensionalen Universums gibt es Millionen Möglichkeiten für Supersymmetrie zu brechen. So gibt es etwas besonderes etwa drei Raumdimensionen, die bewirkt, dass die Konfiguration, in unserem eigenen Universum bevorzugt zu werden? Die neue Simulationen können helfen, etwas Licht auf, warum diese Symmetrie brechen die Art und Weise entfaltet haben könnte, was, die er tat. Das ist, was die japanischen Simulation zeigt: das Universum hatte neun Raumdimensionen bei seiner Geburt, aber nur drei von ihnen erlebt Erweiterung. Es ist die erste praktische Demonstration der wie ein dreidimensionales Universum ergibt sich aus neun-dimensionalen Raum, die starke Unterstützung zu Gunsten der Theorie Gültigkeit.

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Jun Nishimura (KEK), Asato Tsuchiya (Shizuoka University) und Sang-Woo Kim (Osaka University) bekämpft das Problem mit Hilfe einer Formulierung der String-Theorie bekannt als die IKKT-Matrix-Modell (benannt nach dem Wissenschaftler, die es im Jahr 1996, Ishibashi, Kawai und Kitazawa Tsuchiya entwickelt). Es wurde entwickelt, um die komplexen Wechselwirkungen von Zeichenfolgen zu modellieren.

Sehr komplizierten technischen Gründen wurde die Verbindung zwischen dem ursprünglichen IKKT Matrix-Modell und der realen Welt, nun ja, ein bisschen vage, vor allem, weil (a) It schwachen Wechselwirkungen, übernimmt, wenn in der Tat die Wechselwirkungen zwischen Saiten ziemlich stark sind; und (b) die Variable Zeit in den Berechnungen war nicht als "Real" im mathematischen Sinn behandelt. Diese neue Simulationen übernehmen starke Wechselwirkungen und Zeit als eine echte Variable zu behandeln.

So take away Nachricht, dass String-Theoretiker jetzt ein nützliches Werkzeug für die Analyse der Superstring-Theorie Vorhersagen mit Hilfe von Computersimulationen haben, verzwickten Problemen wie Inflation, dunkle Materie und die beschleunigte Ausdehnung des Universums zu beleuchten. Und es erklärt auch, warum unser Universum Ihren Vorstellungen entspricht dies der Fall ist.

Dieser Artikel wurde von Discovery News bereitgestellt.