Físicos han teorizado que, poco después de su aparición, hace 13.800 millones de años, el Universo estaba lleno de nudos formados por hilos flexibles de energía uniendo las partículas elementales.

La idea proporciona una clara explicación de por qué habitamos un mundo tridimensional y se describe en un artículo aceptado para su publicación en el European Physical Journal Cy disponible en el servidor de preimpresión arXiv.

"Aunque la cuestión de por qué nuestro universo tiene exactamente tres dimensiones espaciales es uno de los enigmas más profundos de la cosmología, en realidad solo de vez en cuando se aborda en la literatura (científica)", dice el artículo.

Para una nueva solución a este rompecabezas, los cinco coautores: los profesores de Física Arjun Berera en la Universidad de Edimburgo, Roman Buniy en la Universidad Chapman, Heinrich Päs en la Universidad de Dortmund, João Rosa en la Universidad de Aveiro y Thomas Kephart en la Universidad de Vanderbilt, tomaron un elemento común del modelo estándar de la física de partículas y lo mezclaron con una pequeña teoría del nudo básico para producir un escenario novedoso que no solo puede explicar el predominio de las tres dimensiones, sino que también proporciona una fuente de energía natural para el crecimiento inflacionario por el que la mayoría de los cosmólogos creen que el universo pasó durante microsegundos después del Big-bang.

El elemento común que los físicos tomaron prestado es el "tubo de flujo" compuesto por quarks, las partículas elementales que forman protones y neutrones, unidas por otro tipo de partículas elementales llamadas gluones que "pegan" los quarks. Los gluones vinculan los quarks positivos con los antiquarks negativos coincidentes con hebras flexibles de energía llamadas tubos de flujo. A medida que se separan las partículas enlazadas, el tubo de flujo se alarga hasta que alcanza un punto en el que se rompe. Cuando lo hace, libera suficiente energía para formar un segundo par quark-antiquark que se divide y se une con las partículas originales, produciendo dos pares de partículas unidas. (El proceso es similar a cortar un imán de barra por la mitad para obtener dos imanes más pequeños, ambos con polos norte y sur).

"Tomamos el fenómeno conocido del tubo de flujo y lo elevamos a un nivel de energía más alto", dijo en un comunicado Kephart, profesor de física en Vanderbilt.

De acuerdo con las teorías actuales, cuando se creó el Universo, inicialmente se llenó con un líquido sobrecalentado y cargado eléctricamente llamado plasma quark-gluon. Esto consistía en una mezcla de quarks y gluones.

Kephart y sus colaboradores se dieron cuenta de que una versión de energía más alta del plasma quark-gluon habría sido un entorno ideal para la formación de tubos de flujo en el universo primitivo. La gran cantidad de pares de quarks y antiquarks que se crearon y aniquilaron espontáneamente crearía miríadas de tubos de flujo.

Normalmente, el tubo de flujo que une un quark y un antiquark desaparece cuando las dos partículas entran en contacto y se aniquilan, pero hay excepciones.

Si un tubo toma la forma de un nudo, por ejemplo, entonces se vuelve estable y puede sobrevivir a las partículas que lo crearon. Si una de las partículas traza el camino de un nudo por encima, por ejemplo, entonces su tubo de flujo formará un nudo de trébol. Como resultado, el tubo anudado seguirá existiendo, incluso después de que las partículas que une se aniquilan entre sí. También se crean tubos de flujo estables cuando dos o más tubos de flujo se entrelazan. El ejemplo más simple es el enlace Hopf, que consta de dos círculos entrelazados.

De esta manera, todo el universo podría haberse llenado con una red estrecha de tubos de flujo, imaginaron los autores. Luego, cuando calcularon la cantidad de energía que tal red podría contener, se sorprendieron gratamente al descubrir que fue suficiente para alimentar un período temprano de inflación cósmica.

Desde que se introdujo la idea de la inflación cósmica a principios de la década de 1980, los cosmólogos generalmente aceptaron la proposición de que el universo primitivo pasó por un período en el que se expandió del tamaño de un protón al tamaño de un pomelo en menos de una billonésima de segundo .

Este período de hiper-expansión resuelve dos problemas importantes en la cosmología. Puede explicar las observaciones de que el espacio es más plano y más suave de lo que los astrofísicos creen que debería ser. A pesar de estas ventajas, la aceptación de la teoría se ha visto obstaculizada porque no se ha identificado una fuente de energía apropiada.

"Nuestra red de tubos de flujo no solo proporciona la energía necesaria para controlar la inflación, sino que también explica por qué se detuvo tan abruptamente", dijo Kephart. "A medida que el universo comenzó a expandirse, la red de tubos de flujo comenzó a descomponerse y finalmente se rompió, eliminando la fuente de energía que estaba alimentando la expansión".

Cuando la red se rompió, llenó el universo con un gas de partículas subatómicas y radiación, permitiendo que la evolución del universo continuara a lo largo de las líneas que se habían determinado previamente.

La característica más distintiva de su teoría es que proporciona una explicación natural para un mundo tridimensional. Hay una serie de teorías dimensionales superiores, como la teoría de cuerdas, que visualizan el universo como si tuvieran nueve o diez dimensiones espaciales. En general, sus defensores explican que estas dimensiones superiores están ocultas de la vista de una u otra manera.