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生命可能存在於二維宇宙當中

物理學家和哲學家長期以來一直認為,生命只能在像我們這樣具有三維空間和一個時間的宇宙當中形成。現在,這種想法可能需要修正下了。

為什麼我們生活在具有三維空間和時間的3 + 1維度的宇宙中?為什麼不是其它一些組合,例如四維空間或兩維時間?

生命可能存在於二維宇宙當中

先讓我們簡單瞭解下維度概念。0維是一點,1維是線,2維是一個長和寬(或曲線)面積,3維是2維加上高度形成體積面,4維則是3維加入另外一個維度的超高度形成的超體積面。

我們生活的這個宇宙是一個由長、寬、高三個維度所構成的空間,相對論的誕生以及相應的數學發展使得實際空間的性質有了其它的可能性,比如將時間和空間整體地作為四維的連續統一體進行看待。弦理論問世以後,用三維空間來描述現實中的宇宙已經不再足夠,而需要用到更高維的數學模型,如十維空間。

近幾十年來,物理學家透過研究其它宇宙的性質來研究這個問題,看看它們中是否存在複雜的生命。他們得出結論是:生命不可能存在於具有四個維度的宇宙中,也不會存在於具有一個以上維度維度的宇宙中。人類發現自己處於3 + 1維(長、寬、高和時間)宇宙中的這一事實是不可避免的。

這被稱為人類論證,即宇宙必須具有觀察者生存所必需的屬性的觀點。

更簡單的宇宙是什麼,例如2 + 1維的宇宙?物理學家認為,兩個空間維度不允許支援複雜性生命。他們還認為引力不會在兩個維度上起作用,因此太陽系型別的物體無法形成。

生命可能存在於二維宇宙當中

美國加州大學戴維斯分校的詹姆斯·斯卡吉爾博士後研究員

但這是真的嗎?美國加州大學戴維斯分校的詹姆斯·斯卡吉爾(James Scargill)博士後研究員推翻了之前所有人的結論,他的研究論文提出:2 + 1維宇宙可以支援重力和生命所需的複雜性。這個觀點顛覆了宇宙學家和哲學家的論證。

這裡面一個重要的科學難題是為什麼物理定律似乎對生命進行了微調。例如,精細結構常數的數值似乎是一定的(約1/137),很多物理學家指出,如果它略有不同的話,原子和更復雜的物體就不能形成。在這樣一個宇宙中,生命是不可能存在的。

人類學的方法上來講,如果精細結構常數取任何其他值,就沒有觀察者可以衡量它。這就是為什麼它具有衡量的價值。

在20世紀90年代,麻省理工學院的物理學家馬克斯·泰格馬克(Max Tegmark)就宇宙中的維度數量提出了類似的論點。他認為,如果存在多個時間維度,物理定律將缺乏觀察者進行預測所必需的屬性。這當然似乎排除了物理學家的存在,也許也排除了生命本身。

然後是具有四個空間維度的宇宙的屬性。在這種宇宙中,牛頓的運動定律對微小的擾動非常敏感。一個結果是不能形成穩定的軌道,因此不會有太陽系或其他類似的結構。 泰格馬克說:“在三維以上的空間中,沒有傳統的原子,也許沒有穩定的結構。”

因此,在比我們更多維度的宇宙中,生命的條件似乎不太可能。但是這個論點適用於具有較少維度的不太安全的宇宙。

一個觀點認為廣義相對論不能在兩個維度上起作用,因此可能沒有引力。

但詹姆斯·斯卡吉爾還有別的觀點。在論文中,他表明了一個更簡單,純粹的標量,

引力場可能在兩個維度上,這將允許穩定的軌道和合理的宇宙學

但他更令人印象深刻的成果是展示了複雜性如何在2 +1維度中出現。 斯卡吉爾從神經網路的角度來解決這個問題。他指出,生物神經網路的複雜性可以透過任何二維繫統必須能夠再現的各種特殊屬性來表徵。

其中包括“小世界”屬性,這種連線模式可以在很少的步驟中遍歷複雜的網路。大腦網路的另一個特性是它們能在從高活動

到低

活動的過渡之間微妙平衡的制度中運作,這種制度被稱為臨界。這似乎也只有在具有模組化層次結構的網路中才有可能,其中小型子網路組合在一起形成了更大的網路。

因此,斯卡吉爾提出了這樣的問題:是否存在具有“小世界屬性”,“模組化層次結構”和“關鍵行為”所有這些特徵的二維網路?

起初,這似乎不太可能,因為在二維圖當中,節點透過彼此交叉的邊連線。然而,斯卡吉爾表明二維網路確實能夠以模組化方式構建,並且這些圖形具有某些小世界屬性。

他還表明,這些網路可以在兩種行為之間的轉換點執行,因此證明了其重要性。

他說:“它們大約是‘小世界’,具有分層和模組化結構,並且它們顯示出某些隨機過程的關鍵行為的證據。”

生命可能存在於二維宇宙當中

2D網路可以支援令人驚訝的複雜行為

這是一個非常有趣的結果。 它表明2D網路可以支援令人驚訝的複雜行為。 當然,現在並不能證明2 + 1宇宙可以支援生命。

斯卡吉爾指出,需要做更多的工作來發現他所描述的2D網路的型別是否能夠解決生物中觀察到的複雜行為。”