Liv skulle kunna existera i ett 2D-universum (i alla fall enligt fysiken)

Färgglad vy av universum fångad av rymdteleskop NASA

Varför lever vi i ett universum med tre dimensioner av rymd och en av tid-3+1 dimensioner, som kosmologer skulle säga? Varför inte någon annan kombination, som fyra dimensioner av rymd eller två dimensioner av tid?

Under de senaste decennierna har fysiker utforskat denna fråga genom att undersöka egenskaperna hos andra universum för att se om komplext liv kan existera i dem. Deras slutsats är att det inte kunde existera i ett universum med fyra dimensioner, och inte heller i ett med mer än en tidsdimension. Så det faktum att mänskligheten befinner sig i ett 3+1-dimensionellt universum är oundvikligt, säger de.

Detta är känt som det antropiska argumentet – idén att universum måste ha de egenskaper som krävs för att observatörer ska överleva.

Men hur är det med enklare universum, till exempel ett med 2+1 dimensioner? Fysiker har antagit att två rumsliga dimensioner inte kunde tillåta den typen av komplexitet att stödja livet. De tror också att gravitationen inte skulle fungera i två dimensioner, så objekt av typen solsystem kunde inte bildas. Men är det verkligen sant?

Idag får vi reda på det tack vare James Scargills arbete vid University of California, Davis, som mot alla förväntningar har visat att ett 2+1-dimensionellt universum skulle kunna stödja både gravitation och den typ av komplexitet som livet kräver. Verket undergräver det antropiska argumentet för kosmologer och filosofer, som kommer att behöva hitta en annan anledning till varför universum tar den form det gör.

Först lite bakgrund. En av de stora vetenskapliga gåtorna är varför fysikens lagar verkar finjusterade för livet. Till exempel verkar det numeriska värdet av finstrukturkonstanten godtyckligt (cirka 1/137), och ändå har olika fysiker påpekat att om det ens var något annorlunda, skulle atomer och mer komplexa objekt inte kunna bildas. I ett sådant universum skulle livet vara omöjligt.

Det antropiska tillvägagångssättet är att hävda att om finstrukturkonstanten tog något annat värde, skulle det inte finnas några observatörer som kunde mäta den. Det är därför det har det värde vi mäter!

På 1990-talet utvecklade Max Tegmark, en fysiker nu vid MIT, ett liknande argument för antalet dimensioner i universum. Han hävdade att om det fanns mer än en tidsdimension skulle fysikens lagar sakna de egenskaper som är nödvändiga för observatörer att göra förutsägelser. Det verkar verkligen utesluta fysikers existens och kanske också livet självt.

Sedan finns det egenskaperna hos universum med fyra rumsliga dimensioner. I denna typ av kosmos skulle Newtons rörelselagar vara mycket känsliga för små störningar. En konsekvens är att stabila banor inte kunde bildas, så det skulle inte finnas några solsystem eller andra liknande strukturer. I ett utrymme med mer än tre dimensioner kan det inte finnas några traditionella atomer och kanske inga stabila strukturer, sa Tegmark.

Så förutsättningarna för liv verkar osannolika i universum med fler dimensioner än våra. Men argumentet är mindre säkra universum med färre dimensioner.

Ett argument är att generell relativitetsteori inte kan fungera i två dimensioner, så det kan inte finnas någon gravitation.

Men James Scargill har andra åsikter. I dagens tidning visar han att ett mycket enklare, rent skalärt, gravitationsfält skulle vara möjligt i två dimensioner, och detta skulle möjliggöra stabila banor och en rimlig kosmologi.

Men hans mer imponerande resultat är att visa hur komplexitet kan uppstå i 2 +1 dimensioner. Scargill närmar sig detta problem från neurala nätverks synvinkel. Han påpekar att komplexiteten i biologiska neurala nätverk kan kännetecknas av olika speciella egenskaper som vilket 2D-system som helst måste kunna reproducera.

Dessa inkluderar egendomen i den lilla världen, ett anslutningsmönster som gör det möjligt att korsa ett komplext nätverk i ett litet antal steg. En annan egenskap hos hjärnnätverk är att de fungerar i en regim som är hårfint balanserad mellan övergången från hög till låg aktivitet, en regim som kallas kritikalitet. Och detta verkar också möjligt endast i nätverk som har en modulär hierarki där små subnätverk kombineras för att bilda större nätverk.

Så frågan Scargill ställer är om det finns några 2D-nätverk som har alla dessa funktioner – små världsegenskaper, modulär hierarki och kritiskt beteende.

Till en början verkar detta osannolikt eftersom i 2D-grafer är noder anslutna via kanter som korsar varandra. Ändå visar Scargill att 2D-nätverk verkligen kan byggas på ett modulärt sätt och att dessa grafer har vissa små världsegenskaper.

Han visar också att dessa nätverk kan fungera i övergångspunkten mellan två typer av beteenden och därför uppvisa kritik. De är ungefär 'liten värld', de har en hierarkisk och modulär konstruktion, och de visar bevis på [kritiskt beteende] för vissa stokastiska processer, säger han.

Det är ett fascinerande resultat. Det tyder på att 2D-nätverk kan stödja förvånansvärt komplext beteende. Naturligtvis är det inget bevis på att ett 2+1-universum skulle kunna stödja liv. Scargill påpekar faktiskt att det krävs mer arbete för att upptäcka om de typer av 2D-nätverk han beskriver är kapabla till det komplexa beteende som observeras i levande varelser. Mer arbete behövs för att jämföra graferna som presenteras här med verkliga neurala nätverk, säger han.

Men det är en lögn för påståenden om att 2+1-universum inte kunde stödja liv. De kosmologer och filosofer som främjar den antropiska principen kommer att behöva tänka lite hårdare.

Ref: arxiv.org/abs/1906.05336 : Kan livet existera i 2 + 1 dimensioner?

Dölj