Por qué solo hay tres dimensiones en esta realidad

Crédito: physics.brocku.ca

A decir verdad, solo podemos percibir tres dimensiones espaciales: ancho, largo y alto. Todo parece más vibrante y real en 3-D, en comparación con 2-D, pero uno solo puede preguntarse cómo se verán las cosas en cuatro dimensiones. Por desgracia, nuestros cerebros simplemente no pueden comprender un universo de cuatro dimensiones, y mucho menos un universo de 99 dimensiones. Además, parece que nuestro Universo simplemente no puede albergar más de tres dimensiones debido a las leyes de la termodinámica, dicen los físicos.

La primera ley de la termodinámica explica por qué el tiempo es unidimensional. Dice que la entropía (cuán desordenado es un sistema) nunca puede disminuir. En otras palabras, el tiempo puede moverse en una sola dirección (hacia adelante). ¿Puede la segunda ley de la termodinámica explicar un espacio tridimensional? Tal vez, pensaron algunos físicos.

Un equipo de la Universidad de Salamanca en España y el Instituto Politécnico Nacional de México investigaron qué pasaría si comienzas un nuevo Universo con un número indefinido de dimensiones. En otras palabras, un universo en el que no está claro en qué direcciones se pueden mover la materia y la energía.

En este universo hipotético, solo una pequeña fracción de segundo después del Big Bang, cuando todo estaba realmente caliente, toda la energía ocupaba una pequeña cantidad de espacio. En este punto, realmente no había forma de distinguir entre un universo con una dimensión o uno con 99.

El segundo de la termodinámica dice que no puedes obtener más energía de la que tienes desde el principio. Por eso las máquinas de movimiento perpetuo son imposibles. En el caso del Universo, siempre se está expandiendo, lo que significa que se hace más grande en el espacio y al mismo tiempo conserva su energía. En otras palabras, a medida que el universo se expande, habrá menos energía en un volumen de espacio. Esto también significa que una vez que el Universo ha pasado a un estado de expansión, ya no puede albergar la misma acción que tuvo en el pasado en todas partes porque ahora en todas partes tiene menos energía de la que tenía.

Volviendo a nuestro universo hipotético, una vez que se enfrió, tuvo que lidiar con una cantidad termodinámica llamada densidad de energía libre de Helmholtz, una especie de presión en todo el espacio. En el modelo, esta presión era máxima en aquellos momentos posteriores al Big Bang cuando solo había tres dimensiones. Debido a que el Universo se está enfriando constantemente desde el Big Bang, hay menos temperatura, por lo tanto, menos energía para romper la densidad de energía libre de Hemlholtz y no hay forma de moverse a un espacio dimensional superior. Estábamos atrapados en 3D desde el Big Bang, al parecer, debido a la física.

Momentos después del Big Bang, las leyes de la termodinámica congelaron el Universo en 3-D. Crédito: González-Ayala et al. LPE 2016

El mayor significado de nuestro trabajo es que presentamos una deducción basada en un modelo físico de la dimensionalidad del universo con un escenario de espacio-tiempo adecuado y razonable. Esta es la primera vez que el número tres de las dimensiones del espacio surge como la optimización de una cantidad física, dijo Julián González-Ayala, del Instituto Politécnico Nacional en México y la Universidad de Salamanca en España para Phys.org.
En el proceso de enfriamiento del universo primitivo y después de la primera temperatura crítica, el principio de incremento de entropía para sistemas cerrados podría haber impedido ciertos cambios de dimensionalidad, explicaron los investigadores.

Por supuesto, esta no es la última palabra. A continuación, los investigadores planean refinar el modelo para que se incluyan más efectos cuánticos como la llamada época de Planck.

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