Miksi elämme maailmankaikkeudessa, jolla on kolme alueellista ja yksi aikaulottuvuutta - 3 + 1, kuten kosmologit sanoisi? Miksi juuri tämä yhdistelmä, ei 4 + 2 tai 2 + 1? Viime vuosikymmenen aikana fyysikot ovat tutkineet tätä kysymystä monta kertaa, pohtiessaan muita universumeja, joilla on erilaisia ominaisuuksia ymmärtääkseen, voisiko niissä olla monimutkaista elämää vai ei. Ja he väistämättä päätyivät siihen johtopäätökseen, että sitä ei voisi olla olemassa universumissa, jossa on neljä tila-ulottuvuutta tai kaksi ajallista. Joten ihmiset päätyvät väistämättä (ja lopulta) 3 + 1 -universumiin.
Tämä on antropinen argumentti: ajatus siitä, että maailmankaikkeudella on oltava tarkkailijoiden selviytymiseen tarvittavat ominaisuudet.
Miltä kaksiulotteinen maailmankaikkeus näyttää?
Entä entistä yksinkertaisemmat universumit, kuten 2 + 1? Fyysikot teorioivat, että avaruuden kaksi ulottuvuutta eivät välttämättä tarjoa tarpeeksi monimutkaisuutta elämän tukemiseksi. He uskovat myös, että painovoima ei toimi kahdessa ulottuvuudessa, joten esineet, kuten aurinkokunta, eivät voi muodostua. Mutta onko se todella niin?
James Scargill Kalifornian Davisin yliopistosta, vastoin kaikkia odotuksia, osoitti, että 2 + 1-ulotteinen maailmankaikkeus voisi tukea sekä painovoimaa että monimutkaista elämää. Hänen työnsä heikentää antropologista väitettä kosmologeille ja filosofille, joiden on etsittävä toinen syy siihen, miksi maailmankaikkeus on muodossaan kuin se on.
Ensinnäkin pieni tausta. Yksi hienoista tieteellisistä mysteereistä on, miksi fysiikan lait tuntuvat terävöitetyiltä (tai hienosäädetyiltä) koko elämän ajan. Esimerkiksi hienorakennevakion numeerinen arvo vaikuttaa mielivaltaiselta (noin 1/137), ja silti erilaiset fyysikot ovat huomauttaneet, että jos se olisi jopa hieman erilainen, atomit ja monimutkaisemmat esineet eivät olisi voineet muodostua. Tällaisessa maailmankaikkeudessa elämä olisi mahdotonta.
Antropinen lähestymistapa on, että jos hieno rakennevakio ottaisi jonkin muun arvon, ei olisi tarkkailijoita, jotka voisivat mitata sitä. Siksi sillä on arvo, jonka mittaamme!
Mainosvideo:
1990-luvulla Massachusettsin teknillisen instituutin fyysikko Max Tegmark kehitti samanlaisen argumentin maailmankaikkeuden mittojen lukumäärälle. Hän väitti, että jos aikaulottuvuuksia olisi enemmän kuin yksi, fysiikan laeilla ei olisi ominaisuuksia, jotka tarkkailijoiden on ennustettava. Tämä sulkee ehdottomasti fyysikkojen ja mahdollisesti itse elämän olemassaolon.
Siirrytään nyt universumien ominaisuuksiin, joilla on neljä tilamittaa. Tällaisessa tilassa Newtonin liikelait olisivat erittäin herkkiä pienille häiriöille. Yksi seuraus tästä on, että vakaa kiertorata ei voinut muodostua, joten aurinkojärjestelmiä tai muita vastaavia rakenteita ei olisi. "Yli kolmiulotteisessa tilassa ei voi olla perinteisiä atomeja ja mahdollisesti vakaita rakenteita", Tegmark sanoo.
Siksi elämän olosuhteet näyttävät epätodennäköisiltä yliopistoissa, joissa on enemmän ulottuvuuksia kuin omillamme. Mutta väite on, että vähemmän ulottuvuuksilla olevat universumit ovat vähemmän turvallisia.
On olemassa mielipide, että yleinen suhteellisuusteoria ei toimi kahdessa ulottuvuudessa, joten painovoimaa ei voi olla.
Mutta James Scargill ajattelee toisin. Artikkelissaan hän osoittaa, että paljon yksinkertaisempi, puhtaasti skalaarinen gravitaatiokenttä voi olla mahdollista kahdessa ulottuvuudessa, ja tämä mahdollistaisi vakaat kiertoradat ja älykkään kosmologian. Jää vain näyttää, kuinka monimutkaisuus voi syntyä 2 + 1-ulottuvuuksissa. Scargill lähestyy tätä ongelmaa hermoverkkojen suhteen. Hän huomauttaa, että biologisten hermoverkkojen monimutkaisuudelle voidaan luonnehtia monilla erityisominaisuuksilla, jotka minkä tahansa 2D-järjestelmän on toistettava.
Niiden joukossa on "pieni maailma" -ominaisuus, viestintämalli, jonka avulla voit kulkea monimutkaisesta verkosta muutamalla pienellä vaiheella. Toinen aivoverkkojen ominaisuus on, että ne toimivat tilassa, joka on herkästi tasapainossa siirtymisen välillä korkeasta aktiivisuudesta matalaan aktiivisuuteen - kriittisyystilaan. Tämä näyttää myös olevan mahdollista vain verkoissa, joissa on modulaarinen hierarkia, jossa pienet aliverkot yhdistetään suuremmiksi verkkoiksi.
Scargillin kysymys on, onko olemassa 2D-verkkoja, joilla on kaikki nämä ominaisuudet - pienet maailmanominaisuudet, modulaarinen hierarkia ja kriittinen käyttäytyminen.
Tämä vaikuttaa aluksi epätodennäköiseltä, koska 2D-kuvaajissa solmut yhdistetään toistensa leikkaavat reunat. Mutta Scargill osoittaa, että 2D-verkot voidaan todellakin rakentaa modulaarisesti ja että näillä kaavioilla on tiettyjä pienmaailman ominaisuuksia.
Hän osoittaa myös, että nämä verkot voivat toimia siirtymävaiheessa kahden käyttäytymisen välillä, osoittaen siten kriittisyyttä. Ja tämä on uskomaton tulos, joka viittaa siihen, että 2D-verkot voivat todellakin tukea yllättävän monimutkaista käyttäytymistä. Tämä ei tietenkään todista, että 2 + 1 -kaikkeus voi todella tukea elämää. Kestää enemmän työtä selvittääksesi varmasti.