Życie mogłoby istnieć we wszechświecie 2D (w każdym razie według fizyki)

Kolorowy widok Wszechświata uchwyconego przez Kosmiczny Teleskop NASA

Dlaczego żyjemy we wszechświecie z trzema wymiarami przestrzeni i jednym czasem — 3+1 wymiarami, jak powiedzieliby kosmologowie? Dlaczego nie jakaś inna kombinacja, na przykład cztery wymiary przestrzeni lub dwa wymiary czasu?

W ostatnich dziesięcioleciach fizycy badali tę kwestię, badając właściwości innych wszechświatów, aby sprawdzić, czy może w nich istnieć złożone życie. Ich wniosek jest taki, że nie może istnieć we wszechświecie o czterech wymiarach, ani we wszechświecie z więcej niż jednym wymiarem czasu. Mówią więc, że fakt, że ludzkość znajduje się w 3+1-wymiarowym wszechświecie, jest nieunikniony.

Jest to znane jako argument antropiczny – idea, że ​​wszechświat musi mieć właściwości niezbędne do przetrwania obserwatorów.

Ale co z prostszymi wszechświatami, na przykład z wymiarami 2+1? Fizycy założyli, że dwa wymiary przestrzenne nie mogą pozwolić, aby złożoność wspierała życie. Uważają również, że grawitacja nie działałaby w dwóch wymiarach, więc obiekty typu Układu Słonecznego nie mogłyby powstać. Ale czy to naprawdę prawda?

Dziś dowiadujemy się dzięki pracy Jamesa Scargilla z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis, który wykazał wbrew wszelkim oczekiwaniom, że wszechświat 2+1-wymiarowy może wspierać zarówno grawitację, jak i rodzaj złożoności, której wymaga życie. Praca podważa antropiczną argumentację kosmologów i filozofów, którzy będą musieli znaleźć inny powód, dla którego wszechświat przybiera taką formę, jaką ma.

Najpierw trochę tła. Jedną z wielkich naukowych zagadek jest to, dlaczego prawa fizyki wydają się być dostrojone do życia. Na przykład wartość liczbowa stałej struktury subtelnej wydaje się dowolna (około 1/137), a jednak różni fizycy zwracali uwagę, że gdyby była choć trochę inna, atomy i bardziej złożone obiekty nie mogłyby powstać. W takim wszechświecie życie byłoby niemożliwe.

Podejście antropiczne polega na argumentowaniu, że gdyby stała struktury subtelnej przybrała inną wartość, nie byłoby obserwatorów, którzy mogliby ją zmierzyć. Dlatego ma wartość, którą mierzymy!

W latach 90. Max Tegmark, obecnie fizyk z MIT, opracował podobny argument dotyczący liczby wymiarów we wszechświecie. Twierdził, że gdyby istniał więcej niż jeden wymiar czasowy, prawa fizyki nie miałyby właściwości niezbędnych obserwatorom do przewidywania. Wydaje się to z pewnością wykluczać istnienie fizyków, a być może także samego życia.

Następnie są właściwości wszechświatów o czterech wymiarach przestrzennych. W tego rodzaju kosmosie prawa ruchu Newtona byłyby bardzo wrażliwe na drobne perturbacje. Jedną z konsekwencji jest to, że stabilne orbity nie mogłyby się uformować, więc nie byłoby systemów słonecznych ani innych podobnych struktur. W przestrzeni o więcej niż trzech wymiarach nie może być tradycyjnych atomów i być może stabilnych struktur, powiedział Tegmark.

Zatem warunki do życia wydają się nieprawdopodobne we wszechświatach o większej liczbie wymiarów niż nasz. Ale argumentem są mniej bezpieczne wszechświaty o mniejszej liczbie wymiarów.

Jednym z argumentów jest to, że ogólna teoria względności nie może działać w dwóch wymiarach, więc nie może być grawitacji.

Ale James Scargill ma inne poglądy. W dzisiejszym artykule pokazuje, że znacznie prostsze, czysto skalarne pole grawitacyjne byłoby możliwe w dwóch wymiarach, a to pozwoliłoby na stabilne orbity i rozsądną kosmologię.

Ale jego bardziej imponującym wynikiem jest pokazanie, w jaki sposób złożoność może pojawić się w wymiarach 2+1. Scargill podchodzi do tego problemu z punktu widzenia sieci neuronowych. Wskazuje, że złożoność biologicznych sieci neuronowych może charakteryzować się różnymi specjalnymi właściwościami, które każdy system 2D musi być w stanie odtworzyć.

Należą do nich własność małego świata, wzorzec łączności, który umożliwia przemierzanie złożonej sieci w niewielkiej liczbie kroków. Inną właściwością sieci mózgowych jest to, że działają one w reżimie, który jest delikatnie zrównoważony między przejściem od wysokiej do niskiej aktywności, reżim znany jako krytyczność. Wydaje się to również możliwe tylko w sieciach o modułowej hierarchii, w której małe podsieci łączą się w większe sieci.

Dlatego pytanie, które zadaje Scargill, brzmi, czy istnieją jakieś sieci 2D, które mają wszystkie te cechy — właściwości małego świata, hierarchię modułową i zachowanie krytyczne.

Na początku wydaje się to mało prawdopodobne, ponieważ w grafach 2D węzły są połączone krawędziami, które się przecinają. Niemniej jednak Scargill pokazuje, że sieci 2D rzeczywiście można budować w sposób modułowy i że te wykresy mają pewne właściwości małego świata.

Pokazuje również, że sieci te mogą działać w punkcie przejściowym między dwoma typami zachowań, a zatem wykazywać krytyczność. Są one w przybliżeniu „małym światem”, mają strukturę hierarchiczną i modułową i wykazują dowody [krytycznego zachowania] w przypadku pewnych procesów stochastycznych, mówi.

To fascynujący wynik. Sugeruje to, że sieci 2D mogą obsługiwać zaskakująco złożone zachowania. Oczywiście nie stanowi to dowodu na to, że wszechświat 2+1 może podtrzymywać życie. Rzeczywiście, Scargill wskazuje, że potrzeba więcej pracy, aby odkryć, czy opisane przez niego typy sieci 2D są zdolne do złożonego zachowania obserwowanego u żywych istot. Potrzeba więcej pracy, aby porównać przedstawione tutaj wykresy z rzeczywistymi sieciami neuronowymi, mówi.

Ale zadaje kłam twierdzeniom, że wszechświat 2+1 nie może podtrzymywać życia. Kosmolodzy i filozofowie, którzy promują zasadę antropiczną, będą musieli zastanowić się trochę intensywniej.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1906.05336 : Czy życie może istnieć w wymiarach 2+1?

ukryć