211service.com
Het leven zou kunnen bestaan in een 2D-universum (althans volgens de natuurkunde)
Kleurrijk beeld van heelal vastgelegd door ruimtetelescoop NASA
Waarom leven we in een universum met drie dimensies van ruimte en één van tijd – 3+1 dimensies, zoals kosmologen zouden zeggen? Waarom niet een andere combinatie, zoals vier dimensies van ruimte of twee dimensies van tijd?
In de afgelopen decennia hebben natuurkundigen deze vraag onderzocht door de eigenschappen van andere universums te onderzoeken om te zien of er complex leven in zou kunnen bestaan. Hun conclusie is dat het niet zou kunnen bestaan in een universum met vier dimensies, noch in een universum met meer dan één dimensie van tijd. Dus het feit dat de mensheid zich in een 3+1-dimensionaal universum bevindt is onvermijdelijk, zeggen ze.
Dit staat bekend als het antropische argument - het idee dat het universum de eigenschappen moet hebben die waarnemers nodig hebben om te overleven.
Maar hoe zit het met eenvoudiger universums, zoals een met 2+1 dimensies? Natuurkundigen zijn ervan uitgegaan dat twee ruimtelijke dimensies het soort complexiteit dat het leven ondersteunt, niet kunnen toestaan. Ze denken ook dat zwaartekracht niet in twee dimensies zou werken, dus objecten van het zonnestelsel kunnen zich niet vormen. Maar is dat echt waar?
Tegenwoordig komen we erachter dankzij het werk van James Scargill van de Universiteit van Californië, Davis, die tegen alle verwachtingen in heeft aangetoond dat een 2+1-dimensionaal universum zowel zwaartekracht als het soort complexiteit kan ondersteunen dat het leven vereist. Het werk ondermijnt het antropische argument voor kosmologen en filosofen, die een andere reden zullen moeten vinden waarom het universum de vorm aanneemt die het aanneemt.
Eerst wat achtergrond. Een van de grote wetenschappelijke puzzels is waarom de wetten van de natuurkunde verfijnd lijken voor het leven. De numerieke waarde van de fijnstructuurconstante lijkt bijvoorbeeld willekeurig (ongeveer 1/137), en toch hebben verschillende natuurkundigen erop gewezen dat als het zelfs maar iets anders zou zijn, atomen en complexere objecten zich niet zouden kunnen vormen. In zo'n universum zou leven onmogelijk zijn.
De antropische benadering houdt in dat als de fijnstructuurconstante een andere waarde zou aannemen, er geen waarnemers zouden zijn om deze te meten. Daarom heeft het de waarde die wij meten!
In de jaren negentig ontwikkelde Max Tegmark, een natuurkundige die nu aan het MIT werkt, een soortgelijk argument voor het aantal dimensies in het universum. Hij voerde aan dat als er meer dan één temporele dimensie zou zijn, de natuurwetten niet de eigenschappen zouden hebben die waarnemers nodig hebben om voorspellingen te doen. Dat lijkt het bestaan van natuurkundigen en misschien ook het leven zelf zeker uit te sluiten.
Dan zijn er de eigenschappen van universa met vier ruimtelijke dimensies. In dit soort kosmos zouden de bewegingswetten van Newton zeer gevoelig zijn voor kleine verstoringen. Een gevolg is dat er geen stabiele banen konden worden gevormd, dus er zouden geen zonnestelsels of andere soortgelijke structuren zijn. In een ruimte met meer dan drie dimensies kunnen er geen traditionele atomen zijn en misschien geen stabiele structuren, zei Tegmark.
Dus de omstandigheden voor leven lijken onwaarschijnlijk in universa met meer dimensies dan de onze. Maar het argument is minder veilige universums met minder dimensies.
Een argument is dat de algemene relativiteitstheorie niet in twee dimensies kan werken, dus er kan geen zwaartekracht zijn.
Maar James Scargill heeft een andere mening. In het artikel van vandaag laat hij zien dat een veel eenvoudiger, puur scalair, zwaartekrachtveld in twee dimensies mogelijk zou zijn, en dit zou stabiele banen en een redelijke kosmologie mogelijk maken.
Maar zijn indrukwekkender resultaat is om te laten zien hoe complexiteit kan ontstaan in 2+1 dimensies. Scargill benadert dit probleem vanuit het oogpunt van neurale netwerken. Hij wijst erop dat de complexiteit van biologische neurale netwerken kan worden gekenmerkt door verschillende speciale eigenschappen die elk 2D-systeem moet kunnen reproduceren.
Deze omvatten de small world property, een connectiviteitspatroon dat het mogelijk maakt om in een klein aantal stappen een complex netwerk te doorkruisen. Een andere eigenschap van hersennetwerken is dat ze opereren in een regime dat delicaat is gebalanceerd tussen de overgang van hoge naar lage activiteit, een regime dat bekend staat als criticaliteit. En dit lijkt ook alleen mogelijk in netwerken die een modulaire hiërarchie hebben waarin kleine subnetwerken samen grotere netwerken vormen.
Dus de vraag die Scargill stelt, is of er 2D-netwerken zijn die al deze kenmerken hebben: eigenschappen van een kleine wereld, modulaire hiërarchie en kritisch gedrag.
In eerste instantie lijkt dit onwaarschijnlijk omdat in 2D-grafieken knopen zijn verbonden via randen die elkaar kruisen. Desalniettemin laat Scargill zien dat 2D-netwerken inderdaad modulair kunnen worden gebouwd en dat deze grafieken bepaalde kleine wereldeigenschappen hebben.
Hij laat ook zien dat deze netwerken kunnen opereren op het overgangspunt tussen twee soorten gedrag en daarmee kriticiteit vertonen. Ze zijn ongeveer 'kleine wereld', ze hebben een hiërarchische en modulaire constructie, en ze vertonen bewijs van [kritisch gedrag] voor bepaalde stochastische processen, zegt hij.
Dat is een fascinerend resultaat. Het suggereert dat 2D-netwerken verrassend complex gedrag kunnen ondersteunen. Het is natuurlijk geen bewijs dat een 2+1-universum leven zou kunnen ondersteunen. Scargill wijst er inderdaad op dat er meer werk nodig is om te ontdekken of de soorten 2D-netwerken die hij beschrijft in staat zijn tot het complexe gedrag dat wordt waargenomen in levende wezens. Er is meer werk nodig om de hier gepresenteerde grafieken te vergelijken met echte neurale netwerken, zegt hij.
Maar het liegt tegen beweringen dat het 2+1-universum geen leven zou kunnen ondersteunen. De kosmologen en filosofen die het antropische principe promoten, zullen wat beter moeten nadenken.
Referentie: arxiv.org/abs/1906.05336 : Kan leven bestaan in 2 + 1 dimensies?