Dlaczego żyjemy we wszechświecie o trzech wymiarach przestrzennych i jednym wymiarze czasowym - 3 + 1, jak powiedzieliby kosmolodzy? Dlaczego właśnie ta kombinacja, a nie 4 + 2 lub 2 + 1? W ciągu ostatniej dekady fizycy wielokrotnie badali to pytanie, rozważając inne wszechświaty o różnych właściwościach, aby zrozumieć, czy może w nich istnieć złożone życie, czy nie. I nieuchronnie doszli do wniosku, że nie może istnieć we wszechświecie o czterech wymiarach przestrzennych lub dwóch wymiarach czasowych. Więc ludzie nieuchronnie skończą (i skończą) we wszechświecie 3 + 1.
Oto argument antropiczny: idea, że wszechświat musi mieć właściwości niezbędne do przetrwania obserwatorów.
Jak wygląda dwuwymiarowy wszechświat?
Ale co z prostszymi wszechświatami, takimi jak 2 + 1? Fizycy wysnuli teorię, że te dwa wymiary przestrzeni mogą nie zapewniać wystarczającej złożoności, aby podtrzymywać życie. Wierzą również, że grawitacja nie będzie działać w dwóch wymiarach, więc obiekty takie jak układ słoneczny nie mogą się uformować. Ale czy tak jest naprawdę?
James Scargill z University of California w Davis, wbrew wszelkim oczekiwaniom, wykazał, że wszechświat o wymiarach 2 + 1 może wspierać zarówno grawitację, jak i złożone życie. Jego praca podważa antropiczny argument dla kosmologów i filozofów, którzy będą musieli szukać innego powodu, dla którego wszechświat przybiera taką postać.
Najpierw trochę tła. Jedną z wielkich tajemnic naukowych jest to, dlaczego prawa fizyki wydają się być wyostrzone (lub dostrojone) na całe życie. Na przykład wartość liczbowa stałej struktury drobnoziarnistej wydaje się dowolna (około 1/137), a mimo to różni fizycy zwracali uwagę, że gdyby była choćby nieco inna, atomy i bardziej złożone obiekty nie mogłyby powstać. W takim wszechświecie życie byłoby niemożliwe.
Podejście antropiczne zakłada, że gdyby stała struktury subtelnej przybrała jakąkolwiek inną wartość, nie byłoby obserwatorów, którzy mogliby ją zmierzyć. Dlatego ma wartość, którą mierzymy!
Film promocyjny:
W latach dziewięćdziesiątych Max Tegmark, obecnie fizyk z Massachusetts Institute of Technology, opracował podobny argument dotyczący liczby wymiarów wszechświata. Twierdził, że gdyby istniał więcej niż jeden wymiar czasowy, prawa fizyki nie miałyby właściwości, które obserwatorzy muszą przewidywać. To zdecydowanie wykluczałoby istnienie fizyków i prawdopodobnie samo życie.
Przejdźmy teraz do właściwości wszechświatów o czterech wymiarach przestrzennych. W takiej przestrzeni prawa dynamiki Newtona byłyby bardzo wrażliwe na drobne zaburzenia. Jedną z konsekwencji tego jest to, że stabilne orbity nie mogły powstać, więc nie byłoby układów słonecznych ani innych podobnych struktur. „W przestrzeni o więcej niż trzech wymiarach nie może być żadnych tradycyjnych atomów i prawdopodobnie stabilnych struktur” - mówi Tegmark.
Zatem warunki życia wydają się nieprawdopodobne we wszechświatach o większej liczbie wymiarów niż nasz. Ale argument jest taki, że wszechświaty o mniejszych wymiarach są mniej bezpieczne.
Istnieje opinia, że ogólna teoria względności nie działa w dwóch wymiarach, dlatego nie może istnieć grawitacja.
Ale James Scargill myśli inaczej. W swoim artykule pokazuje, że znacznie prostsze, czysto skalarne pole grawitacyjne mogłoby być możliwe w dwóch wymiarach, a to pozwoliłoby na stabilne orbity i inteligentną kosmologię. Pozostaje tylko pokazać, jak złożoność może powstać w wymiarach 2 + 1. Scargill podchodzi do tego problemu w kategoriach sieci neuronowych. Wskazuje, że złożoność biologicznych sieci neuronowych może charakteryzować się różnymi specjalnymi właściwościami, które każdy system 2D musi odtwarzać.
Wśród nich jest właściwość „mały świat”, model komunikacji, który pozwala na przemierzanie złożonej sieci w kilku małych krokach. Inną właściwością sieci mózgowych jest to, że działają one w trybie, który jest delikatnie zrównoważony między przejściem od wysokiej aktywności do niskiej aktywności - tryb krytyczny. Wydaje się, że jest to możliwe tylko w sieciach o hierarchii modułowej, w których małe podsieci są łączone w większe sieci.
Pytanie, które zadaje Scargill, dotyczy tego, czy istnieją sieci 2D, które mają wszystkie te cechy - małe właściwości świata, hierarchię modułową i krytyczne zachowanie.
Na początku wydaje się to mało prawdopodobne, ponieważ na wykresach 2D węzły są połączone krawędziami, które się przecinają. Ale 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 zachowaniami, demonstrując w ten sposób krytyczność. To niesamowity wynik, który sugeruje, że sieci 2D rzeczywiście mogą obsługiwać zaskakująco złożone zachowanie. Oczywiście nie dowodzi to, że wszechświat 2 + 1 może faktycznie podtrzymywać życie. To na pewno zajmie więcej pracy.