Вільна енергія Гельмгольца повинна допомогти вченим, які намагаються пояснити існування просторових і часових вимірів. Не йдеться про Perpetuum mobile, навпаки: основою досліджень є строгий другий закон термодинаміки, що «заморожує» виміри.
Великий вибух у часовій осі. Фото: NASA / GSFC.
З часів Альберта Ейнштейна простір-час фізики вважають сукупністю трьох вимірів простору та четвертого – часового (3+1). Властивості цього часового виміру вже тривалий час відомі: односторонність, незворотність руху, в якому протікає час. Ці ознаки можна обґрунтувати другим законом термодинаміки.
Це — один із основних законів фізики, по суті він передбачає, що можливості роботи теплового двигуна – обмежені, тобто вічний двигун – неможливий, бо такий механізм потребує постійного охолодження.
Причина цього ефекту в тому, що ентропія, міра безладу в термодинамічній системі, в замкнутому просторі ніколи не зменшується. Ентропію можна вважати мірою кількості можливих станів системи, отже й спрощеною одиницею її порядку. Проте порядок сам по собі не виникає. Час тече в напрямі збільшення хаосу.
Саме в другому законі термодинаміки науковці на чолі з Джуліаном Гонзалезом-Аялою (Julian Gonzalez-Ayala) з іспанського Університету Саламанки нещодавно намагалися знайти причину існування трьох вимірів Усесвіту. Центральним пунктом їхньої роботи стала так звана вільна енергія, відома також як енергія Гельмгольца.
Якщо спостерігати за Всесвітом, заповненим світлом, – гіпотетично, так було незадовго після Великого вибуху, – щільність цієї вільної енергії можна вважати тиском, який впливає на загальний космічний простір. Ця енергетична щільність залежить від температури та кількості просторових вимірів Усесвіту. Згідно з підрахунками вчених свого максимуму вона досягнула вже через кілька секунд після Великого вибуху, тобто тоді, коли температура Всесвіту була ще дуже високою. У цьому стані він мав приблизно три виміри.
Згідно з другим законом термодинаміки кількість вимірів може змінюватися лише за межами цього температурного максиму, а Всесвіт опісля лише розширювався та остигав, тобто кількість просторових вимірів з моменту досягнення температурного піку мала би залишитися «замороженою».
«Цифру три як суму просторових вимірів в результаті оптимізації фізичних величин отримали вперше», – цитують Гонзалеза-Аялу на вебсайті phys.org. Зі своїми колегами науковець прагне й надалі покращувати напрацьовану модель шляхом залучення до неї квантових ефектів.
Дослідники припускають, що три просторові виміри були «заморожені» на ранньому етапі існування Всесвіту (Зліва). Щільність вільної енергії Гельмгольца (f) досягає свого максимального значення за температури Т = 0,93, яка виникає в тому випадку, якщо простір має три виміри: n = 3. S та U позначають щільність ентропії і щільність внутрішньої енергії (Справа). Перехід до різних вимірів не може відбуватися за температури нижчої, ніж 0,93, що відповідає трьом вимірам. Credit: Gonzalez-Ayala et al. ©2016 EPL
Philipp Hummel
Warum hat der Raum genau drei Dimensionen?
Spektrum.de, 04/05/2016
Зреферувала Соломія Кривенко
06.05.2016