Research

Фізики вважають, що в життя може існувати в 2D-світі

Чому ми живемо у Всесвіті з трьомапросторовими і одним тимчасовим виміром - 3 + 1, як сказали б космологи? Чому саме така комбінація, а не 4 + 2 або 2 + 1? За останнє десятиліття фізики багато разів досліджували це питання, задумуючи інші всесвіти з іншими властивостями, щоб зрозуміти, могла б в них існувати складне життя чи ні. І неминуче приходили до висновку, що вона не могла б існувати у всесвіті з чотирма просторовими вимірами або з двома тимчасовими. Так що люди неминуче виявляться (і виявилися) у всесвіті з вимірами 3 +1.

Такий антропний аргумент: думка про те, що всесвіт повинний мати властивості, необхідними для виживання спостерігачів.

Як виглядає двомірна всесвіт?

Але як бути з більш простими вселеними,наприклад, 2 + 1? Фізики припустили, що два просторових виміри не можуть забезпечити достатньої складності для підтримки життя. Вони також вважають, що гравітація не працюватиме в двох вимірах, тому об'єкти типу сонячної системи не зможуть утворитися. Але чи так це насправді?

Джеймс Скаргілл з Каліфорнійського університету вДевісі, всупереч всім очікуванням, показав, що 2 + 1-мірна всесвіт могла б підтримувати як гравітацію, так і складне життя. Його робота підриває антропний аргумент для космологів і філософів, яким доведеться шукати іншу причину, по якій Всесвіт приймає форму, яку приймає.

Спершу трохи передісторії. Одна з великих наукових загадок полягає в тому, чому закони фізики здаються заточеними (або тонко налаштованими) на життя. Наприклад, числове значення постійної тонкої структури здається довільним (близько 1/137), і все ж різні фізики вказували, що якби воно навіть трохи відрізнялося, атоми і більш складні об'єкти не могли б утворитися. У такій всесвіту життя була б неможлива.

Антропний підхід полягає в тому, що якбипостійна тонкої структури приймала будь-яке інше значення, не було б спостерігачів, які могли б її виміряти. Ось чому вона має значенням, яке ми вимірюємо!

У 1990-х роках Макс Тегмарк, нині фізикМассачусетського технологічного інституту, розробив аналогічний аргумент для числа вимірювань всесвіту. Він стверджував, що якби існувало більше одного часового виміру, закони фізики не мали б властивостями, необхідними спостерігачам для прогнозування. Це безперечно виключило б існування фізиків і, можливо, самого життя.

Тепер перейдемо до властивостей всесвітів з чотирмапросторовими вимірами. В такому космосі закони руху Ньютона були б дуже чутливі до крихітним збурень. Одним із наслідків цього є те, що стійкі орбіти не змогли б утворитися, тому не було б сонячних систем або інших подібних структур. «У просторі з більш ніж трьома вимірами не може бути традиційних атомів і, можливо, стабільних структур», говорить Тегмарк.

Таким чином, умови для життя здаютьсямалоймовірними під всесвітів з великою кількістю вимірювань, ніж у нас. Але аргумент полягає в тому, що всесвіти з меншою кількістю вимірювань менш безпечні.

Існує думка, що загальна теорія відносності не працює в двох вимірах, тому гравітації бути не може.

Але Джеймс Скаргілл думає інакше. У своїй статті він показує, що набагато простіше, чисто скалярний гравітаційне поле може бути можливим в двох вимірах і це дозволило б отримати стабільні орбіти і розумну космологію. Залишилося тільки показати, як складність може виникнути в вимірах 2 + 1. Скаргілл підходить до цієї проблеми з точки зору нейронних мереж. Він вказує, що складність біологічних нейронних мереж може характеризуватися різними особливими властивостями, які повинна відтворювати будь-яка 2D-система.

Серед них властивість «маленького світу», модельзв'язку, яка дозволяє обходити складну мережу за кілька маленьких кроків. Інша властивість мереж мозку полягає в тому, що вони працюють в режимі, який тонко збалансований між переходом від високої активності до низької активності - режим критичності. Це також представляється можливим тільки в мережах з модульної ієрархією, в якій невеликі подсети об'єднуються в більш великі мережі.

Питання, яке задає Скаргілл, полягає в тому, чи існують які-небудь 2D-мережі, що володіють всіма цими функціями - властивостями маленького світу, модульної ієрархією і критичним поведінкою.

Спочатку це здається малоймовірним, тому що в2D-графах вузли з'єднуються через ребра, що перетинають один одного. Але Скаргілл показує, що 2D-мережі дійсно можна будувати за модульним принципом і що ці графи мають певні властивості маленького світу.

Він також показує, що ці мережі можуть працюватив точці переходу між двома типами поведінки, демонструючи таким чином критичність. І це приголомшливий результат, який говорить про те, що двомірні мережі дійсно можуть підтримувати дивно складну поведінку. Звичайно, це не доводить, що всесвіт 2 + 1 насправді може підтримувати життя. Буде потрібно провести більше робіт, щоб з'ясувати це напевно.

Але тепер у космологів і філософів є нова їжа для роздумів. Чи згодні? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.