Klausimas kuris nuolat kyla – kodėl mus supanti erdvė yra trimatė. Erdvė ir laikas sudaro keturmatę dimensiją (3 erdvės + 1 laiko). Visiems žinoma, kad laiko dimensija yra apribojama antruoju termodinamikos dėsniu: laiko yra tik viena kryptis (pirmyn), nes entropija (medžiagos netvarkingumo matas) niekuomet nemažėja uždaroje sistemoje, tokioje kaip mūsų Visata.
Naujame straipsnyje, kuris buvo publikuotas „Europhysics Letters“ žurnale, mokslininkai teigia, kad remiantis antruoju termodinamikos dėsniu galima paaiškinti ir tai, kodėl mūsų erdvė yra trimatė.
„Savo darbe mes pateikiame skaičiavimus, kurie atlikti remiantis fizikiniais Visatos modeliais. Pirmą kartą optimizuojant fizikinius dydžius pasirodo dimensija – trys,“ pasakoja vienas iš šio straipsnio bendraautorių Julian Gonzalez-Ayala.
Mokslininkai mano, kad erdvė yra trijų dimensijų dėl termodinamikos dydžio vadinamo Helmholco laisvosios energijos (ši energija matuoja naudingą darbą uždaroje sistemoje) tankiu. Visatoje, kuri yra užpildyta spinduliuote, šis tankis gali būti suvokiamas kaip slėgis į visą Visatą, kuris priklauso nuo Visatos temperatūros ir nuo jos erdvinių dimensijų skaičiaus.
Mokslininkai parodė, kad po didžiojo sprogimo Visatai pradėjus vėsti, Helmholco laisvosios energijos tankis pasiekė savo pirmąjį maksimumą prie labai aukštos temperatūros, atitinkančios Visatos sekundės senumo amžių ir kuomet erdvės dimensijos buvo apytiksliai lygios trims.
Pagrindinė idėja yra tame, kad trimatė erdvė tuomet, kai Helmholco laisvosios energijos tankis pasiekė savo pirmąjį maksimumą, buvo „įšaldyta“.
Tai nutinka dėl to, kad pagal antrąjį termodinamikos dėsnį perėjimas į didesnes erdvės dimensijas galimas tik tada, kai temperatūra yra aukštesnė nei pirmojo maksimumo temperatūra. Kadangi Visata nuolat vėsta, tai jos temperatūra, kurios reikia didesniam dimensijų skaičiui, nuolat yra mažesnė už temperatūrą pirmojo maksimumo metu.
„Ankstyvoje Visatos vėsimo stadijoje ir po pirmos pasiektos kritinės temperatūros, pagal entropijos didėjimo principą uždarai sistemai galėjo būti uždrausti atitinkami dimensijų pokyčiai, “ aiškina mokslininkai.
Šis modelis leidžia taip pat egzistuoti ne vienai dimensijai Visatos pirmosios sekundės metu po didžiojo sprogimo, kai Visatos temperatūra buvo aukštesnė už kritinę temperatūrą. Papildomos dimensijos egzistuoja ne viename kosminiame modelyje ir žinoma – stygų teorijoje. Nauji tyrimai gali paaiškinti, kodėl kai kuriuose modeliuose papildomos dimensijos suirsta (arba lieka nepakitusio dydžio), o tuo tarpu trimatė erdvė stebima visoje Visatoje.
Artimiausiu metu mokslininkai planuoja tobulinti savo modelį įtraukiant papildomus kvantinis efektus, kurie galėjo būti per pirmąją Visatos gyvavimo sekundę. Šis modelis gali padėti tyrėjams, dirbantiems su kitais kosmologiniais modeliais, tokiais kaip kvantinė gravitacija.
Julian Gonzalez-Ayala, Rubén Cordero and F. Angulo-Brown. „Is the (3 + 1)-d nature of the universe a thermodynamic necessity?“ EPL. DOI: 10.1209/0295-5075/113/40006
Also (early version) at arXiv:1502.01843 [gr-qc]