Waarom leven we in een universum met drie ruimtelijke en eenmalige dimensies - 3 + 1, zoals kosmologen zouden zeggen? Waarom precies deze combinatie, en niet 4 + 2 of 2 + 1? In het afgelopen decennium hebben natuurkundigen deze vraag vele malen onderzocht en andere universums met verschillende eigenschappen overwogen om te begrijpen of er complex leven in zou kunnen bestaan of niet. En ze kwamen onvermijdelijk tot de conclusie dat het niet kon bestaan in een universum met vier ruimtelijke dimensies of twee tijdelijke dimensies. Mensen zullen dus onvermijdelijk eindigen (en eindigen) in een 3 + 1 universum.
Dit is het antropische argument: het idee dat het universum de eigenschappen moet hebben die nodig zijn voor het voortbestaan van waarnemers.
Hoe ziet een tweedimensionaal universum eruit?
Maar hoe zit het met eenvoudigere universums zoals 2 + 1? Natuurkundigen theoretiseerden dat de twee dimensies van de ruimte mogelijk niet voldoende complexiteit bieden om het leven te ondersteunen. Ze geloven ook dat zwaartekracht niet in twee dimensies werkt, zodat objecten zoals het zonnestelsel zich niet kunnen vormen. Maar is het echt zo?
James Scargill van de University of California, Davis, toonde, in tegenstelling tot alle verwachtingen, aan dat een 2 + 1-dimensionaal universum zowel de zwaartekracht als het complexe leven kan ondersteunen. Zijn werk ondermijnt het antropische argument voor kosmologen en filosofen, die op zoek zullen moeten gaan naar een andere reden waarom het universum de vorm aanneemt die het aanneemt.
Eerst wat achtergrondinformatie. Een van de grote wetenschappelijke mysteries is waarom de wetten van de natuurkunde voor het leven lijken te zijn aangescherpt (of verfijnd). De numerieke waarde van de fijne structuurconstante lijkt bijvoorbeeld willekeurig (ongeveer 1/137), en toch hebben verschillende natuurkundigen erop gewezen dat als het zelfs maar een klein beetje anders was, atomen en complexere objecten niet hadden kunnen ontstaan. In zo'n universum zou leven onmogelijk zijn.
De antropische benadering is dat als de fijne structuurconstante een andere waarde zou krijgen, er geen waarnemers zouden zijn die deze konden meten. Dit is waarom het de waarde heeft die we meten!
Promotie video:
In de jaren negentig ontwikkelde Max Tegmark, nu natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology, een soortgelijk argument voor het aantal dimensies van het universum. Hij voerde aan dat als er meer dan één tijddimensie zou zijn, de natuurkundige wetten niet de eigenschappen zouden hebben die waarnemers moeten voorspellen. Dit zou absoluut het bestaan van fysici en mogelijk het leven zelf uitsluiten.
Laten we nu verder gaan met de eigenschappen van universums met vier ruimtelijke dimensies. In zo'n ruimte zouden de bewegingswetten van Newton erg gevoelig zijn voor kleine verstoringen. Een gevolg hiervan is dat er geen stabiele banen kunnen 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 en mogelijk stabiele structuren zijn", zegt Tegmark.
De omstandigheden voor het leven lijken dus onwaarschijnlijk in universums met meer dimensies dan de onze. Maar het argument is dat universums met minder dimensies minder veilig zijn.
Er is een mening dat de algemene relativiteitstheorie niet in twee dimensies werkt, dus er kan geen zwaartekracht zijn.
Maar James Scargill denkt daar anders over. In zijn paper laat hij zien dat een veel eenvoudiger, puur scalair zwaartekrachtveld mogelijk is in twee dimensies, en dit zou stabiele banen en intelligente kosmologie mogelijk maken. Het blijft alleen maar om te laten zien hoe complexiteit kan ontstaan in 2 + 1 dimensies Scargill benadert dit probleem in termen 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 reproduceren.
Een daarvan is de eigenschap "kleine wereld", een communicatiemodel waarmee u in een paar kleine stappen een complex netwerk kunt doorkruisen. Een andere eigenschap van hersennetwerken is dat ze werken in een modus die subtiel uitgebalanceerd is tussen de overgang van hoge activiteit naar lage activiteit - de criticaliteitsmodus. Dit blijkt ook alleen mogelijk te zijn in netwerken met een modulaire hiërarchie, waarin kleine subnetten worden gecombineerd tot grotere netwerken.
De vraag die Scargill stelt is of er 2D-netwerken zijn die al deze kenmerken hebben: kleine wereldeigenschappen, modulaire hiërarchie en kritisch gedrag.
Dit lijkt in eerste instantie onwaarschijnlijk, omdat in 2D-grafieken knooppunten zijn verbonden via randen die elkaar kruisen. Maar Scargill laat zien dat 2D-netwerken inderdaad modulair opgebouwd kunnen worden en dat deze grafieken bepaalde kleinschalige eigenschappen hebben.
Hij laat ook zien dat deze netwerken kunnen opereren op een overgangspunt tussen twee gedragingen, en dus kritisch zijn. En dit is een verbluffend resultaat, wat suggereert dat 2D-netwerken inderdaad verrassend complex gedrag kunnen ondersteunen. Dit bewijst natuurlijk niet dat het 2 + 1-universum daadwerkelijk leven kan ondersteunen. Het zal meer werk kosten om er zeker van te zijn.
