La prochaine fois que vous rencontrerez un fouillis de cordes, de fils ou de fils noués, Réfléchissez à ceci :La tendance naturelle des choses à s'emmêler peut aider à expliquer la nature tridimensionnelle de l'univers et comment il s'est formé.

Une équipe internationale de physiciens a développé une théorie prête à l'emploi selon laquelle peu de temps après son apparition il y a 13,8 milliards d'années, l'univers était rempli de nœuds formés de brins flexibles d'énergie appelés tubes de flux qui relient les particules élémentaires entre elles. L'idée fournit une explication claire de la raison pour laquelle nous habitons un monde en trois dimensions et est décrite dans un article intitulé "Inflation noueuse et la dimensionnalité de l'espace-temps" accepté pour publication dans le Revue Physique Européenne C et disponible sur le serveur de préimpression arXiv.

"Bien que la question de savoir pourquoi notre univers a exactement trois (grandes) dimensions spatiales soit l'une des énigmes les plus profondes de la cosmologie … elle n'est en fait abordée qu'occasionnellement dans la littérature [scientifique], " commence l'article.

Pour une nouvelle solution à ce casse-tête, les cinq co-auteurs – les professeurs de physique Arjun Berera à l'Université d'Édimbourg, Roman Buniy à l'Université Chapman, Heinrich Päs (auteur de "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") à l'Université de Dortmund, João Rosa à l'Université d'Aveiro et Thomas Kephart à l'Université Vanderbilt - ont pris un élément commun du modèle standard de la physique des particules et l'ont mélangé avec une petite théorie des nœuds de base pour produire un nouveau scénario qui peut non seulement expliquer la prédominance des trois dimensions, mais fournit également une source d'énergie naturelle pour la poussée de croissance inflationniste que la plupart des cosmologistes pensent que l'univers a traversé quelques microsecondes après son apparition.

L'élément commun que les physiciens ont emprunté est le "tube de flux" composé de quarks, les particules élémentaires qui composent les protons et les neutrons, maintenues ensemble par un autre type de particule élémentaire appelée gluon qui "colle" les quarks ensemble. Les gluons relient les quarks positifs aux antiquarks négatifs correspondants avec des brins d'énergie flexibles appelés tubes de flux. Au fur et à mesure que les particules liées sont séparées, le tube de flux s'allonge jusqu'à ce qu'il atteigne un point où il se brise. Quand c'est le cas, il libère suffisamment d'énergie pour former une seconde paire quark-antiquark qui se sépare et se lie aux particules d'origine, produisant deux paires de particules liées. (Le processus est similaire à la coupe d'une barre aimantée en deux pour obtenir deux aimants plus petits, à la fois avec les pôles nord et sud.)

"Nous avons pris le phénomène bien connu du tube de flux et l'avons poussé à un niveau d'énergie plus élevé, " dit Kephart, professeur de physique à Vanderbilt.

Les physiciens élaborent les détails de leur nouvelle théorie depuis 2012, lorsqu'ils ont assisté à un atelier organisé par Kephart à l'Isaac Newton Institute de Cambridge, Angleterre. Berera, Buniy et Päs connaissaient tous Kephart parce qu'ils travaillaient comme boursiers post-doctoraux à Vanderbilt avant d'obtenir des postes de professeur. Lors des discussions à l'atelier, le groupe a été intrigué par la possibilité que les tubes de flux aient pu jouer un rôle clé dans la formation initiale de l'univers.

Selon les théories actuelles, lorsque l'univers a été créé, il était initialement rempli d'un liquide surchauffé et chargé électriquement appelé plasma quark-gluon. Il s'agissait d'un mélange de quarks et de gluons. (En 2015, le plasma quark-gluon a été recréé avec succès dans un accélérateur de particules, le collisionneur d'ions lourds relativistes au laboratoire national de Brookhaven, par un groupe international de physiciens, dont cinq de Vanderbilt :Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, et professeurs de physique Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon et Julia Velkovska.)

Kephart et ses collaborateurs ont réalisé qu'une version à plus haute énergie du plasma de quarks et de gluons aurait été un environnement idéal pour la formation de tubes de flux dans le tout premier univers. Le grand nombre de paires de quarks et d'antiquarks créés et annihilés spontanément créerait des myriades de tubes de flux.

Normalement, le tube de flux qui relie un quark et un antiquark disparaît lorsque les deux particules entrent en contact et s'auto-annihilent, mais il y a des exceptions.

Si un tube prend la forme d'un nœud, par exemple, alors il devient stable et peut survivre aux particules qui l'ont créé. Si l'une des particules trace le chemin d'un nœud simple, par exemple, alors son tube de flux formera un nœud en trèfle. Par conséquent, le tube noué continuera d'exister, même après que les particules qu'il relie s'annihilent les unes les autres. Des tubes de flux stables sont également créés lorsque deux ou plusieurs tubes de flux sont interconnectés. L'exemple le plus simple est le lien Hopf, qui se compose de deux cercles reliés entre eux.

Dans cette mode, l'univers entier aurait pu se remplir d'un réseau serré de tubes de flux, les auteurs envisageaient. Puis, lorsqu'ils calculaient la quantité d'énergie que pouvait contenir un tel réseau, ils ont été agréablement surpris de découvrir que c'était suffisant pour alimenter une première période d'inflation cosmique.

Depuis que l'idée d'inflation cosmique a été introduite au début des années 1980, les cosmologistes ont généralement accepté la proposition selon laquelle l'univers primitif a traversé une période où il est passé de la taille d'un proton à la taille d'un pamplemousse en moins d'un trillionième de seconde.

Cette période d'hyper-expansion résout deux problèmes importants en cosmologie. Cela peut expliquer les observations selon lesquelles l'espace est à la fois plus plat et plus lisse que les astrophysiciens ne le pensent. Malgré ces avantages, l'acceptation de la théorie a été entravée parce qu'une source d'énergie appropriée n'a pas été identifiée.

"Non seulement notre réseau de tubes de flux fournit l'énergie nécessaire au gonflage, cela explique aussi pourquoi il s'est arrêté si brusquement, " dit Kephart. " Alors que l'univers commençait à s'étendre, le réseau de tubes de flux a commencé à se détériorer et s'est finalement rompu, éliminant la source d'énergie qui alimentait l'expansion."

Lorsque le réseau est tombé en panne, il a rempli l'univers d'un gaz de particules subatomiques et de rayonnement, permettant à l'évolution de l'univers de continuer le long des lignes qui ont été précédemment déterminées.

La caractéristique la plus distinctive de leur théorie est qu'elle fournit une explication naturelle pour un monde en trois dimensions. Il existe un certain nombre de théories dimensionnelles supérieures, comme la théorie des cordes, qui visualisent l'univers comme ayant neuf ou dix dimensions spatiales. Généralement, leurs partisans expliquent que ces dimensions supérieures sont cachées à la vue d'une manière ou d'une autre.

L'explication de la théorie du tube de flux vient de la théorie des nœuds de base. "C'est Heinrich Päs qui savait que les nœuds ne se forment qu'en trois dimensions et a voulu utiliser ce fait pour expliquer pourquoi nous vivons en trois dimensions, " dit Kephart.

Un exemple en deux dimensions aide à expliquer. Imaginons que vous mettiez un point au centre d'un cercle sur une feuille de papier. Il n'y a aucun moyen de libérer le cercle du point tout en restant sur la feuille. Mais si vous ajoutez une troisième dimension, vous pouvez soulever le cercle au-dessus du point et le déplacer d'un côté jusqu'à ce que le point ne soit plus à l'intérieur du cercle avant de le redescendre. Quelque chose de similaire arrive aux nœuds tridimensionnels si vous ajoutez une quatrième dimension - les mathématiciens ont montré qu'ils se défont. "Pour cette raison, les tubes noués ou liés ne peuvent pas se former dans des espaces de dimension supérieure, " dit Kephart.

Le résultat net est que l'inflation aurait été limitée à trois dimensions. Dimensions supplémentaires, s'ils existent, resterait de taille infinitésimale, bien trop petit pour que nous le percevions.

La prochaine étape pour les physiciens est de développer leur théorie jusqu'à ce qu'elle fasse des prédictions sur la nature de l'univers qui puissent être testées.