Científicos proponen una segunda ley de la termodinámica que podría explicar por qué el espacio es tridimensional

El espacio-tiempo total es de cuatro dimensiones, o dimensión 3+1, donde el tiempo es la cuarta dimensión. Es bien sabido que la dimensión del tiempo se relaciona con la segunda ley de la termodinámica: el tiempo tiene una dirección (hacia adelante), ya que la entropía (una medida del desorden) nunca disminuye en un sistema cerrado como el universo.

En un nuevo artículo publicado en 'Europhysics Letters (EPL)', los investigadores han propuesto que la segunda ley de la termodinámica también puede explicar por qué el espacio es 3D.

"Diferentes investigadores en los campos de la ciencia y la filosofía han abordado el problema de la naturaleza del espacio-tiempo en la dimensión 3+1, al justificar la elección adecuada de su dimensionalidad con el fin de mantener la vida, la estabilidad y la complejidad", dijo a Phys.org el coautor Julián González-Ayala, del Instituto Politécnico Nacional de México y la Universidad de Salamanca.

"La mayor importancia de nuestro trabajo es que se presenta una deducción basada en un modelo físico de la dimensionalidad del universo con un escenario adecuado y razonable de espacio-tiempo. Esta es la primera vez que el número 'tres' de las dimensiones del espacio surge como la optimización de una magnitud física ".

Los científicos proponen que el espacio es 3D a causa de una magnitud termodinámica llamada la densidad de energía libre de Helmholtz. En un universo lleno de radiación, esta densidad se puede considerar como una especie de presión en todo el espacio, que depende de la temperatura del universo y su número de dimensiones espaciales.

Aquí, los investigadores demostraron que, mientras el universo comenzó el enfriamiento desde el momento después del big bang, la densidad de Helmholtz alcanzó su primer valor máximo a una muy alta temperatura que corresponde a cuando el universo tenía sólo una fracción de segundo de edad, y cuando el número de dimensiones espaciales fue de aproximadamente tres.

La idea clave es que el espacio 3D fue "congelado" en este punto cuando la densidad de Helmholtz alcanzó su valor máximo en primer lugar, que prohíbe el espacio 3D a partir de la transición a otras dimensiones.

Esto es porque la segunda ley permite transiciones a dimensiones más altas sólo cuando la temperatura está por encima de este valor crítico, no por debajo. Puesto que el universo se está enfriando continuamente hacia abajo, la temperatura actual está muy por debajo de la temperatura crítica necesaria para la transición desde el espacio 3D con un espacio de más dimensiones. De esta manera, explican los investigadores, las dimensiones espaciales son vagamente análogas a fases de la materia, donde la transición a una dimensión diferente se asemeja a una transición de fase tal como la fusión del hielo, algo que sólo es posible a temperaturas suficientemente altas.

"En el proceso de enfriamiento del universo temprano y después de la primera temperatura crítica, el principio de incremento de entropía para sistemas cerrados podría haber prohibido ciertos cambios de dimensionalidad", explicaron los investigadores.

La propuesta aún deja espacio para que dimensiones superiores se hayan producido en la primera fracción de segundo después del Big Bang, cuando el universo era aún más caliente de lo que era a la temperatura crítica. Dimensiones adicionales están presentes en muchos modelos cosmológicos, sobre todo la teoría de cuerdas. El nuevo estudio podría ayudar a explicar por qué, en algunos de estos modelos, las dimensiones adicionales parecen haber colapsado, mientras que el espacio 3D siguió creciendo en todo el universo observable.

En el futuro, los investigadores planean mejorar su modelo para incluir los efectos cuánticos adicionales que puedan haber ocurrido durante la primera fracción de segundo después del Big Bang, la llamada "época de Planck." Además, los resultados de un modelo más completo pueden proporcionar una guía para los investigadores que trabajan en otros modelos cosmológicos, como la gravedad cuántica.