Varför lever vi i ett universum med tre rumsliga och en tidsdimension - 3 + 1, som kosmologer skulle säga? Varför exakt denna kombination, och inte 4 + 2 eller 2 + 1? Under det senaste decenniet har fysiker undersökt denna fråga många gånger och övervägt andra universum med olika egenskaper för att förstå om komplexa liv kan existera i dem eller inte. Och de kom oundvikligen till slutsatsen att det inte kunde existera i ett universum med fyra rumsliga dimensioner eller två temporära. Så människor kommer oundvikligen att hamna (och hamna) i ett 3 + 1 universum.
Detta är det antropiska argumentet: idén att universum måste ha de egenskaper som är nödvändiga för observatörernas överlevnad.
Hur ser ett tvådimensionellt universum ut?
Men hur är det med enklare universum som 2 + 1? Fysiker har föreslagit att rymdens två dimensioner kanske inte ger tillräckligt komplexitet för att stödja livet. De tror också att gravitationen inte kommer att fungera i två dimensioner, så föremål som solsystemet kan inte bildas. Men är det verkligen så?
James Scargill från University of California, Davis, i motsats till alla förväntningar, visade att ett 2 + 1-dimensionellt universum kunde stödja både allvar och komplexa liv. Hans arbete undergräver det antropiska argumentet för kosmologer och filosofer, som kommer att behöva leta efter ett annat skäl till varför universumet tar den form det tar.
Först lite bakgrund. Ett av de stora vetenskapliga mysterierna är varför fysikens lagar verkar vara skärpta (eller finjusterade) för livet. Exempelvis verkar det numeriska värdet på den fina strukturkonstanten godtyckligt (cirka 1/137), och ändå har olika fysiker påpekat att om det till och med var något annorlunda kunde atomer och mer komplexa föremål inte ha bildats. I ett sådant universum skulle livet vara omöjligt.
Det antropiska tillvägagångssättet är att om den fina strukturkonstanten tog något annat värde, skulle det inte finnas några observatörer som kunde mäta det. Det är därför det har det värde som vi mäter!
Kampanjvideo:
Under 1990-talet utvecklade Max Tegmark, nu fysiker vid Massachusetts Institute of Technology, ett liknande argument för antalet universums dimensioner. Han hävdade att om det fanns mer än en tidsdimension, fysiklagarna inte skulle ha de egenskaper som observatörer behöver förutsäga. Detta skulle definitivt utesluta fysiker och eventuellt livet i sig.
Låt oss nu gå vidare till egenskaper hos universum med fyra rumsliga dimensioner. I ett sådant utrymme skulle Newtons rörelselagar vara mycket känsliga för små störningar. En konsekvens av detta 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 möjligen stabila strukturer," säger Tegmark.
Livsförhållanden verkar således osannolika i universum med fler dimensioner än våra. Men argumentet är att universum med färre dimensioner är mindre säkra.
Det finns en uppfattning om att den allmänna relativitetsteorin inte fungerar i två dimensioner, därför kan det inte finnas någon tyngdkraft.
Men James Scargill tänker annorlunda. I sitt papper visar han att ett mycket enklare, rent skalärt gravitationsfält kan vara möjligt i två dimensioner, och det skulle möjliggöra stabila banor och intelligent kosmologi. Det återstår bara att visa hur komplexitet kan uppstå i 2 + 1. dimensioner. Scargill närmar sig detta problem när det gäller neurala nätverk. Han påpekar att komplexiteten hos biologiska nervnätverk kan kännetecknas av olika speciella egenskaper som alla 2D-system måste reproducera.
Bland dem är egenskapen "liten värld", en kommunikationsmodell som låter dig korsa ett komplext nätverk i några små steg. En annan egenskap hos hjärnanätverk är att de arbetar i ett läge som är balanserat mellan övergången från hög aktivitet till låg aktivitet - kritikalitetsläget. Detta verkar också vara möjligt i nätverk med en modulär hierarki, där små subnät kombineras till större nätverk.
Frågan som Scargill ställer är om det finns några 2D-nätverk som har alla dessa funktioner - små världsegenskaper, modulär hierarki och kritiskt beteende.
Detta verkar osannolikt till en början, eftersom i 2D-diagram är noder anslutna genom kanter som korsar varandra. Men Scargill visar att 2D-nät verkligen kan byggas på ett modulärt sätt och att dessa diagram har vissa små världsegenskaper.
Han visar också att dessa nätverk kan fungera vid en övergångspunkt mellan två beteenden och därmed visa kritik. Och detta är ett fantastiskt resultat, vilket antyder att 2D-nät verkligen kan stödja förvånansvärt komplexa beteenden. Naturligtvis bevisar detta inte att 2 + 1 universum faktiskt kan stödja livet. Det kommer att krävas mer arbete för att ta reda på det.
