Nästa gång du stöter på ett knutet virvar av rep eller tråd eller garn, fundera över detta:Den naturliga tendensen att saker och ting trasslar kan hjälpa till att förklara universums tredimensionella natur och hur det bildades.

Ett internationellt team av fysiker har utvecklat en out-of-the-box-teori om att universum strax efter att det uppstod för 13,8 miljarder år fylldes med knutar bildade av flexibla energisträngar som kallas fluxrör som länkar elementära partiklar samman. Idén ger en fin förklaring till varför vi lever i en tredimensionell värld och beskrivs i en artikel med titeln "Knotty inflation and the dimensionality of space time" som accepteras för publicering i European Physical Journal C och tillgänglig på arXiv -förtrycksservern.

"Även om frågan om varför vårt universum har exakt tre (stora) rumsliga dimensioner är ett av de mest djupgående gåtorna i kosmologin ... det tas faktiskt bara upp ibland i den [vetenskapliga] litteraturen, "artikeln börjar.

För en ny lösning på detta pussel, de fem medförfattarna-fysikprofessorerna Arjun Berera vid University of Edinburgh, Roman Buniy vid Chapman University, Heinrich Päs (författare till "The Perfect Wave:With Neutrinos at the Boundary of Space and Time") vid universitetet i Dortmund, João Rosa vid University of Aveiro och Thomas Kephart vid Vanderbilt University - tog ett gemensamt element från standardmodellen för partikelfysik och blandade det med lite grundläggande knutteori för att producera ett nytt scenario som inte bara kan förklara övervägande av tre dimensioner utan ger också en naturlig kraftkälla för den inflatoriska tillväxtspurt som de flesta kosmologer tror att universum gick igenom mikrosekunder efter att det utbröt.

Det vanliga elementet som fysikerna lånat är "flussröret" som består av kvarker, de elementära partiklarna som utgör protoner och neutroner, hålls samman av en annan typ av elementär partikel som kallas en gluon som "limar" kvarkar ihop. Gluoner kopplar positiva kvarkar till matchande negativa antikvarter med flexibla energisträngar som kallas fluxrör. När de länkade partiklarna dras isär, flödesröret blir längre tills det når en punkt där det går sönder. När det gör det, det släpper ut tillräckligt med energi för att bilda ett andra kvark-antikvark-par som splittras och binds med de ursprungliga partiklarna, producerar två par bundna partiklar. (Processen liknar att halvera en stångmagnet för att få två mindre magneter, både med nord- och sydpolen.)

"Vi har tagit det välkända fenomenet flödesröret och sparkat upp det till en högre energinivå, "sa Kephart, professor i fysik vid Vanderbilt.

Fysikerna har arbetat fram detaljerna i sin nya teori sedan 2012, när de deltog i en workshop som Kephart anordnade vid Isaac Newton Institute i Cambridge, England. Berera, Buniy och Päs kände alla till Kephart eftersom de var anställda som postdoktorer på Vanderbilt innan de fick fakultetsanställningar. I diskussioner på workshopen, gruppen blev fascinerad av möjligheten att flussrör kunde ha spelat en nyckelroll i den första bildandet av universum.

Enligt nuvarande teorier, när universum skapades fylldes det ursprungligen med en överhettad och elektriskt laddad vätska som kallas kvark-gluonplasma. Detta bestod av en blandning av kvarker och gluoner. (År 2015 återskapades kvark-gluonplasma framgångsrikt i en partikelaccelerator, Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory, av en internationell grupp av fysiker, inklusive fem från Vanderbilt:Stevenson Chair in Physics Victoria Greene, och professorer i fysik Will Johns, Charles Maguire, Paul Sheldon och Julia Velkovska.)

Kephart och hans medarbetare insåg att en version med högre energi av kvark-gluonplasma skulle ha varit en idealisk miljö för flödesrörsbildning i det mycket tidiga universum. Det stora antalet par kvarkar och antikvarker som spontant skapas och förintas skulle skapa otal flödesrör.

I vanliga fall, flödesröret som förbinder en kvark och antikvark försvinner när de två partiklarna kommer i kontakt och självförintar, men det finns undantag.

Om ett rör har formen av en knut, till exempel, då blir den stabil och kan överleva partiklarna som skapade den. Om en av partiklarna spårar vägen för en överknuten knut, till exempel, då kommer dess fluxrör att bilda en trefoil -knut. Som ett resultat, det knutna röret kommer att fortsätta att existera, även efter att partiklarna som den länkar förintar varandra. Stabila flödesrör skapas också när två eller flera flödesrör blir sammanlänkade. Det enklaste exemplet är Hopf -länken, som består av två sammanlänkade cirklar.

På detta sätt, hela universum kunde ha fyllts med ett tätt nätverk av flussrör, författarna tänkt sig. Sedan, när de beräknade hur mycket energi ett sådant nätverk kan innehålla, de blev positivt överraskade över att upptäcka att det var tillräckligt för att driva en tidig period av kosmisk inflation.

Sedan idén om kosmisk inflation introducerades i början av 1980 -talet, kosmologer har allmänt accepterat påståendet att det tidiga universum gick igenom en period då det expanderade från storleken på en proton till storleken på en grapefrukt på mindre än en biljondel av en sekund.

Denna period av hyperexpansion löser två viktiga problem inom kosmologin. Det kan förklara observationer att rymden är både plattare och smidigare än astrofysiker tror att det borde vara. Trots dessa fördelar, accept av teorin har hindrats eftersom en lämplig energikälla inte har identifierats.

"Vårt fluxrörsnätverk ger inte bara den energi som behövs för att driva inflationen, det förklarar också varför det slutade så plötsligt, "sade Kephart." När universum började expandera, flödesrörsnätet började förfalla och slutligen gick sönder, eliminera energikällan som drev expansionen. "

När nätverket gick sönder, det fyllde universum med en gas av subatomära partiklar och strålning, låta universums utveckling fortsätta i linje med tidigare bestämda linjer.

Det mest utmärkande för deras teori är att den ger en naturlig förklaring till en tredimensionell värld. Det finns ett antal högre dimensionella teorier, som strängteori, som visualiserar universum som att ha nio eller tio rumsliga dimensioner. Rent generellt, deras förespråkare förklarar att dessa högre dimensioner är dolda från syn på ett eller annat sätt.

Fluxrörsteorins förklaring kommer från grundläggande knutteori. "Det var Heinrich Päs som visste att knop bara bildas i tre dimensioner och ville använda detta faktum för att förklara varför vi lever i tre dimensioner, sa Kephart.

Ett tvådimensionellt exempel hjälper till att förklara. Säg att du sätter en prick i mitten av en cirkel på ett pappersark. Det finns inget sätt att frigöra cirkeln från pricken medan du vistas på arket. Men om du lägger till en tredje dimension, du kan lyfta cirkeln ovanför pricken och flytta den åt sidan tills pricken inte längre är inne i cirkeln innan du sänker den tillbaka. Något liknande händer med tredimensionella knutar om man lägger till en fjärde dimension-matematiker har visat att de löser sig. "Av denna anledning kan inte knutna eller länkade rör bildas i utrymmen med högre dimension, sa Kephart.

Nettoresultatet är att inflationen skulle ha begränsats till tre dimensioner. Ytterligare dimensioner, om de finns, skulle förbli oändligt stor i storlek, alldeles för liten för att vi ska förstå.

Nästa steg för fysikerna är att utveckla sin teori tills den gör några förutsägelser om universums natur som kan testas.