دلیل سه بعدی بودن جهان چیست؟

 بر اساس نظریه‌ی جدید پروفسوری از دانشگاه ادینبرگ به‌نام «آرجون بررا» و همکارانش، جهان مدت کوتاهی پس از تشکیل با گره‌هایی متشکل از رشته‌های انعطاف‌پذیر انرژی به نام «لوله‌های شار» پُر شد؛ این رشته‌ها ذرات اولیه را به یکدیگر متصل کردند. پروفسور بررا و همکارانش گفتند: «این سئوال که «چرا جهان دقیقأ دارای سه‌بُعد فضایی است؟» یکی از جدی‌ترین معما‌های کیهان‌شناسی است، در واقع فقط گاهی اوقات در پیشینه‌ی تحقیقات به آن اشاره شده است.»
برای پاسخ به این سئوال، محققان عنصر مشترکی از مدل استاندارد فیزیک ذرات را برداشتند و آن‌را با نظریه‌ی گره‌ی بنیادی کوچک ادغام کردند تا سناریوی جدیدی ایجاد کنند؛ سناریویی که نه تنها می‌تواند غلبه سه‌بُعد را توضیح دهد، بلکه منبع نیروی طبیعی را برای جهش رشد تورمی ارائه می‌دهد که به نظر کیهان‌شناسان جهان ظرف چند میکروثانیه پس از بیگ‌بنگ به وجود آمده است.

آن‌ها توضیح دادند: «این عنصر مشترک در واقع «لوله‌ی شار» نام دارد و از کوارک، ذره بنیادیِ سازنده‌ی پروتون‌ها و نوترون‌ها، تشکیل شده است. ذرات کوارک توسط ذره‌ی بنیادی دیگری به نام «گلوئون» کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. گلوئون کوارک‌های مثبت را به پادکوارک‌های منفی با رشته‌های انعطاف‌پذیر لوله‌های شار متصل می‌کند.»

آن‌ها ادامه دادند: «وقتی این رشته‌های متصل از هم جدا می‌شوند، لوله‌ی شار کشش پیدا می‌کند و دراز می‌شود تا زمانی‌که به مرحله‌ای خاص برسد و شکسته شود. وقتی این اتفاق بیفتد، انرژی کافی برای تشکیل «یک جفت کوارک-پادکوارک» دیگر را آزاد می‌کند؛ این جفت نیز از هم جدا شده و به ذرات اصلی متصل می‌شوند و دو جفت ذره‌ی به هم متصل و محدود را ایجاد می‌کنند.» پروفسور «توماس کفارت» از دانشگاه وندربیلت گفت: «ما پدیده‌ی معروف لوله‌ی شار را به سطح بالاتری از انرژی نسبت می‌دهیم.»

بر اساس نظریات فعلی، وقتی جهان ساخته شد، در ابتدا با حالتی ابتدایی به‌شدت حرارت دید که «پلاسمای کوارک-گلوئون» نامیده می‌شود. این پلاسما از کوارک و گلوئون تشکیل شده است. فیزیکدانان تشخیص دادند که نسخه‌ی پُر انرژی‌تر پلاسمای کوارک-گلوئون محیط ایده‌آلی برای تشکیل لوله‌ی شار در جهان اولیه بوده است. تعداد زیاد جفت کوارک‌ها و پادکوارک‌هایی که ساخته و سپس نابود شدند، هزاران لوله‌ی شار را ایجاد کرد. معمولأ، لوله‌ی شاری که کوارک و پادکوارک را به هم متصل می‌کند با تماس این دو ذره نابود می‌شود، اما استثناءهایی نیز وجود دارد.

مثلأ اگر لوله‌ای به شکل گره در بیاید، سپس پایدار شده و می‌تواند بیشتر از ذرات سازنده‌اش زنده بماند. مثلأ اگر یکی از ذرات مسیر گره‌ای‌ یک‌طرفه را دنبال کند، سپس لوله‌ی شار گره‌ای سه‌تایی تشکیل می‌دهد. در نتیجه، لوله‌ی گره‌خورده همچنان به حیات خود ادامه خواهد داد، حتی پس از اینکه ذراتی که به‌هم متصل می‌کند یکدیگر را نابود کنند.

لوله‌های شار پایدار همچنین زمانی که دو یا چند لوله‌ی شار به یکدیگر متصل شوند، ساخته می‌شود. ساده‌ترین مثال اتصال «Hopf» است که از دو دایره‌ی به‌هم پیوسته تشکیل شده است. در این صورت، کل جهان می‌تواند با شبکه‌ای سفت و سخت از لوله‌های شار پر شود. وقتی محققان محاسبه کردند که این شبکه چگونه می‌تواند چنین انرژی داشته باشد، کشف کردند که این انرژی به اندازه‌ای بوده که می‌توانسته نیروی دوره‌ی اولیه‌ی تورم کیهانی را تأمین کند. از آنجایی‌که ایده‌ی تورم کیهانی از اوایل دهه‌ی ۸۰ مطرح شد، کیهان‌شناسان این فرضیه را پذیرفتند که جهان اولیه وارد دوره‌ای شد که ظرف کمتر از یک تریلیون‌ام ثانیه از اندازه‌ی یک پروتون به اندازه‌ی یک گریپ فروت تبدیل شد.
این دوره‌ی انبساط بیش از حد، دو مسئله‌ی مهم در کیهان‌شناسایی را حل می‌کند. این دوره توضیح می‌دهد که فضا از آن چیزی که اخترفیزیکدانان تصور می‌کنند مسطح‌تر و هموارتر است. علی‌رغم این مزایا، پذیرش این نظریه منع شده، زیرا منبع انرژی مناسبی شناسایی نشده است. پروفسور کفارت گفت: «نه تنها شبکه‌ی لوله‌ی شار انرژی لازم برای تورم را فراهم می‌کند، بلکه توضیح می‌دهد که چرا به سرعت متوقف شده است. وقتی جهان شروع به انبساط کرد، شبکه‌ی لوله‌ی شار شروع به نابودی و در نهایت جدایی کرد؛ در نتیجه منبع انرژی که نیروی انبساط را تأمین می‌کرد، از بین رفت.»

وقتی این شبکه تجزیه شد، جهان را مملو از گازِ ذرات زیراتمی و تابش کرد و باعث شد جهان همچنان تکامل پیدا کند. متمایزترین ویژگی این نظریه‌ی جدید این است که توضیحی طبیعی را برای جهان سه‌بُعدی ارائه می‌دهد. مرحله‌ی بعدی برای نویسندگان این است که نظریه‌شان را توسعه دهند تا زمانی‌که بتواند پیش‌بینی‌هایی را درباره‌ی ماهیت جهان ارائه دهد؛ پیش‌بینی‌هایی که جنبه‌ی آزمایش داشته باشند. جزئیات این تحقیق در مجله‌ی European Physical منتشر شده است.