Физики считают, что жизнь может существовать в 2D-мире

Почему мы живем во Вселенной с тремя пространственными и одним временным измерением — 3 + 1, как сказали бы космологи? Почему именно такая комбинация, а не 4 + 2 или 2 + 1? За последнее десятилетие физики много раз исследовали этот вопрос, задумывая другие вселенные с другими свойствами, чтобы понять, могла бы в них существовать сложная жизнь или нет. И неизбежно приходили к выводу, что она не могла бы существовать во вселенной с четырьмя пространственными измерениями или с двумя временными. Так что люди неизбежно окажутся (и оказались) во вселенной с измерениями 3 +1.

Таков антропный аргумент: мысль о том, что вселенная должна обладать свойствами, необходимыми для выживания наблюдателей.

Но как быть с более простыми вселенными, например, 2 + 1? Физики предположили, что два пространственных измерения не могут обеспечить достаточной сложности для поддержания жизни. Они также считают, что гравитация не будет работать в двух измерениях, поэтому объекты типа солнечной системы не смогут образоваться. Но так ли это на самом деле?

Джеймс Скаргилл из Калифорнийского университета в Дэвисе, вопреки всем ожиданиям, показал, что 2+1-мерная вселенная могла бы поддерживать как гравитацию, так и сложную жизнь. Его работа подрывает антропный аргумент для космологов и философов, которым придется искать другую причину, по которой Вселенная принимает форму, которую принимает.

Сперва немного предыстории. Одна из великих научных загадок заключается в том, почему законы физики кажутся заточенными (или тонко настроенными) на жизнь. Например, числовое значение постоянной тонкой структуры кажется произвольным (около 1/137), и все же разные физики указывали, что если бы оно даже немного отличалось, атомы и более сложные объекты не могли бы образоваться. В такой вселенной жизнь была бы невозможна.

Антропный подход заключается в том, что если бы постоянная тонкой структуры принимала какое-либо другое значение, не было бы наблюдателей, которые могли бы ее измерить. Вот почему она обладает значением, которое мы измеряем!

В 1990-х годах Макс Тегмарк, ныне физик Массачусетского технологического института, разработал аналогичный аргумент для числа измерений вселенной. Он утверждал, что если бы существовало более одного временного измерения, законы физики не обладали бы свойствами, необходимыми наблюдателям для прогнозирования. Это определенно исключило бы существование физиков и, возможно, самой жизни.

Теперь перейдем к свойствам вселенных с четырьмя пространственными измерениями. В таком космосе законы движения Ньютона были бы очень чувствительны к крошечным возмущениям. Одним из следствий этого является то, что устойчивые орбиты не смогли бы образоваться, поэтому не было бы солнечных систем или других подобных структур. «В пространстве с более чем тремя измерениями не может быть традиционных атомов и, возможно, стабильных структур», говорит Тегмарк.

Таким образом, условия для жизни кажутся маловероятными во вселенных с большим количеством измерений, чем у нас. Но аргумент состоит в том, что вселенные с меньшим количеством измерений менее безопасны.

Существует мнение, что общая теория относительности не работает в двух измерениях, поэтому гравитации быть не может.

Но Джеймс Скаргилл думает иначе. В своей статье он показывает, что гораздо более простое, чисто скалярное гравитационное поле может быть возможным в двух измерениях и это позволило бы получить стабильные орбиты и разумную космологию. Осталось только показать, как сложность может возникнуть в измерениях 2 + 1. Скаргилл подходит к этой проблеме с точки зрения нейронных сетей. Он указывает, что сложность биологических нейронных сетей может характеризоваться различными особыми свойствами, которые должна воспроизводить любая 2D-система.

Среди них свойство «маленького мира», модель связи, которая позволяет обходить сложную сеть за несколько маленьких шагов. Другое свойство сетей мозга состоит в том, что они работают в режиме, который тонко сбалансирован между переходом от высокой активности к низкой активности — режим критичности. Это также представляется возможным только в сетях с модульной иерархией, в которой небольшие подсети объединяются в более крупные сети.

Вопрос, который задает Скаргилл, состоит в том, существуют ли какие-либо 2D-сети, обладающие всеми этими функциями — свойствами маленького мира, модульной иерархией и критическим поведением.

Сначала это кажется маловероятным, потому что в 2D-графах узлы соединяются через ребра, пересекающие друг друга. Но Скаргилл показывает, что 2D-сети действительно можно строить по модульному принципу и что эти графы обладают определенными свойствами маленького мира.

Он также показывает, что эти сети могут работать в точке перехода между двумя типами поведения, демонстрируя таким образом критичность. И это потрясающий результат, который говорит о том, что двухмерные сети действительно могут поддерживать удивительно сложное поведение. Конечно, это не доказывает, что вселенная 2+1 на самом деле может поддерживать жизнь. Потребуется провести больше работ, чтобы выяснить это наверняка.