211service.com
Livet kan eksistere i et 2D-univers (ifølge fysikk, uansett)
Fargerik utsikt over universet fanget av romteleskop NASA
Hvorfor lever vi i et univers med tre dimensjoner av rom og en av tid – 3+1 dimensjoner, som kosmologer vil si? Hvorfor ikke en annen kombinasjon, for eksempel fire dimensjoner av rom eller to dimensjoner av tid?
I de siste tiårene har fysikere utforsket dette spørsmålet ved å undersøke egenskapene til andre universer for å se om komplekst liv kan eksistere i dem. Deres konklusjon er at det ikke kunne eksistere i et univers med fire dimensjoner, og heller ikke i ett med mer enn én tidsdimensjon. Så det faktum at menneskeheten befinner seg i et 3+1-dimensjonalt univers er uunngåelig, sier de.
Dette er kjent som det antropiske argumentet - ideen om at universet må ha de egenskapene som er nødvendige for at observatører skal overleve.
Men hva med enklere universer, for eksempel et med 2+1 dimensjoner? Fysikere har antatt at to romlige dimensjoner ikke kunne tillate den typen kompleksitet å støtte liv. De tror også tyngdekraften ikke ville fungere i to dimensjoner, så objekter av solsystemtypen kunne ikke dannes. Men er det virkelig sant?
I dag finner vi ut av det takket være arbeidet til James Scargill ved University of California, Davis, som har vist mot alle forventninger at et 2+1-dimensjonalt univers kan støtte både tyngdekraften og den typen kompleksitet som livet krever. Verket undergraver det antropiske argumentet for kosmologer og filosofer, som må finne en annen grunn til at universet tar den formen det gjør.
Først litt bakgrunn. En av de store vitenskapelige gåtene er hvorfor fysikkens lover virker finjusterte for livet. For eksempel virker den numeriske verdien til finstrukturkonstanten vilkårlig (omtrent 1/137), og likevel har forskjellige fysikere påpekt at hvis den til og med var litt annerledes, kunne ikke atomer og mer komplekse objekter dannes. I et slikt univers ville livet være umulig.
Den antropiske tilnærmingen er å hevde at hvis finstrukturkonstanten hadde en annen verdi, kunne det ikke være noen observatører til å måle den. Det er derfor den har verdien vi måler!
På 1990-tallet utviklet Max Tegmark, en fysiker nå ved MIT, et lignende argument for antall dimensjoner i universet. Han hevdet at hvis det var mer enn én tidsmessig dimensjon, ville fysikkens lover mangle de egenskapene som er nødvendige for observatører til å komme med spådommer. Det ser ut til å utelukke eksistensen av fysikere og kanskje også livet selv.
Så er det egenskapene til universer med fire romlige dimensjoner. I denne typen kosmos vil Newtons bevegelseslover være svært følsomme for små forstyrrelser. En konsekvens er at stabile baner ikke kunne dannes, så det ville ikke være noen solsystemer eller andre lignende strukturer. I et rom med mer enn tre dimensjoner kan det ikke være noen tradisjonelle atomer og kanskje ingen stabile strukturer, sa Tegmark.
Så betingelsene for liv virker usannsynlige i universer med flere dimensjoner enn våre. Men argumentet er mindre sikre universer med færre dimensjoner.
Et argument er at generell relativitet ikke kan fungere i to dimensjoner, så det kan ikke være noen gravitasjon.
Men James Scargill har andre synspunkter. I dagens artikkel viser han at et mye enklere, rent skalar, gravitasjonsfelt ville være mulig i to dimensjoner, og dette ville tillate stabile baner og en rimelig kosmologi.
Men hans mer imponerende resultat er å vise hvordan kompleksitet kan dukke opp i 2 +1 dimensjoner. Scargill nærmer seg dette problemet fra nevrale nettverks synspunkt. Han påpeker at kompleksiteten til biologiske nevrale nettverk kan karakteriseres av ulike spesielle egenskaper som ethvert 2D-system må kunne reprodusere.
Disse inkluderer eiendommen i den lille verden, et tilkoblingsmønster som gjør det mulig å krysse et komplekst nettverk i et lite antall trinn. En annen egenskap ved hjernenettverk er at de opererer i et regime som er delikat balansert mellom overgangen fra høy til lav aktivitet, et regime kjent som kritikalitet. Og dette ser også ut til å være mulig bare i nettverk som har et modulært hierarki der små undernettverk kombineres for å danne større nettverk.
Så spørsmålet Scargill stiller er om det er noen 2D-nettverk som har alle disse funksjonene – små-verden-egenskaper, modulært hierarki og kritisk oppførsel.
Til å begynne med virker dette usannsynlig fordi i 2D-grafer er noder koblet sammen via kanter som krysser hverandre. Likevel viser Scargill at 2D-nettverk faktisk kan bygges på en modulær måte, og at disse grafene har visse små-verdensegenskaper.
Han viser også at disse nettverkene kan operere i overgangspunktet mellom to typer atferd og derfor demonstrere kritikkverdighet. De er tilnærmet «liten verden», de har en hierarkisk og modulær konstruksjon, og de viser bevis på [kritisk oppførsel] for visse stokastiske prosesser, sier han.
Det er et fascinerende resultat. Det antyder at 2D-nettverk kan støtte overraskende kompleks oppførsel. Selvfølgelig er det ikke et bevis på at et 2+1-univers kan støtte liv. Faktisk påpeker Scargill at mer arbeid er nødvendig for å finne ut om typene 2D-nettverk han beskriver er i stand til den komplekse atferden som observeres i levende ting. Mer arbeid er nødvendig for å sammenligne grafene som presenteres her med nevrale nettverk i virkeligheten, sier han.
Men det gir løgn til påstander om at 2+1-universet ikke kunne støtte liv. Kosmologene og filosofene som fremmer det antropiske prinsippet, må tenke litt hardere.
Ref: arxiv.org/abs/1906.05336 : Kan livet eksistere i 2 + 1 dimensjoner?