La vita potrebbe esistere in un universo 2D (secondo la fisica, comunque)

Vista colorata dell'universo catturato dal telescopio spaziale Nasa

Perché viviamo in un universo con tre dimensioni di spazio e una di tempo—3+1 dimensioni, come direbbero i cosmologi? Perché non qualche altra combinazione, come quattro dimensioni dello spazio o due dimensioni del tempo?

Negli ultimi decenni, i fisici hanno esplorato questa domanda investigando le proprietà di altri universi per vedere se in essi potesse esistere vita complessa. La loro conclusione è che non potrebbe esistere in un universo con quattro dimensioni, né in uno con più di una dimensione temporale. Quindi il fatto che l'umanità si trovi in ​​un universo a 3+1 dimensioni è inevitabile, dicono.

Questo è noto come argomento antropico: l'idea che l'universo debba avere le proprietà necessarie agli osservatori per sopravvivere.

Ma che dire di universi più semplici, come uno con dimensioni 2+1? I fisici hanno ipotizzato che due dimensioni spaziali non potessero consentire al tipo di complessità di sostenere la vita. Pensano anche che la gravità non funzionerebbe in due dimensioni, quindi non potrebbero formarsi oggetti del tipo del sistema solare. ma è proprio vero?

Oggi lo scopriamo grazie al lavoro di James Scargill dell'Università della California, Davis, che ha dimostrato contro ogni aspettativa che un universo a 2+1 dimensioni potrebbe supportare sia la gravità che il tipo di complessità che la vita richiede. Il lavoro mina l'argomento antropico per cosmologi e filosofi, che dovranno trovare un altro motivo per cui l'universo assume la forma che assume.

Prima un po' di background. Uno dei grandi enigmi scientifici è perché le leggi della fisica sembrano messe a punto per la vita. Ad esempio, il valore numerico della costante di struttura fine sembra arbitrario (circa 1/137), eppure vari fisici hanno sottolineato che se fosse anche leggermente diverso, atomi e oggetti più complessi non potrebbero formarsi. In un tale universo, la vita sarebbe impossibile.

L'approccio antropico consiste nel sostenere che se la costante di struttura fine assumesse un altro valore, non potrebbero esserci osservatori per misurarla. Ecco perché ha il valore che misuriamo!

Negli anni '90, Max Tegmark, un fisico ora al MIT, sviluppò un argomento simile per il numero di dimensioni nell'universo. Ha sostenuto che se ci fosse più di una dimensione temporale, le leggi della fisica sarebbero prive delle proprietà necessarie agli osservatori per fare previsioni. Ciò sembra certamente precludere l'esistenza dei fisici e forse anche la vita stessa.

Poi ci sono le proprietà degli universi con quattro dimensioni spaziali. In questo tipo di cosmo, le leggi del moto di Newton sarebbero molto sensibili a minuscole perturbazioni. Una conseguenza è che non potrebbero formarsi orbite stabili, quindi non ci sarebbero sistemi solari o altre strutture simili. In uno spazio con più di tre dimensioni, non possono esserci atomi tradizionali e forse strutture stabili, ha affermato Tegmark.

Quindi le condizioni per la vita sembrano improbabili in universi con più dimensioni del nostro. Ma l'argomento è universi meno sicuri con meno dimensioni.

Un argomento è che la relatività generale non può funzionare in due dimensioni, quindi potrebbe non esserci gravità.

Ma James Scargill ha altri punti di vista. Nell'articolo di oggi, mostra che un campo gravitazionale molto più semplice, puramente scalare, sarebbe possibile in due dimensioni, e ciò consentirebbe orbite stabili e una cosmologia ragionevole.

Ma il suo risultato più impressionante è mostrare come la complessità possa emergere in 2+1 dimensioni. Scargill affronta questo problema dal punto di vista delle reti neurali. Sottolinea che la complessità delle reti neurali biologiche può essere caratterizzata da varie proprietà speciali che qualsiasi sistema 2D deve essere in grado di riprodurre.

Questi includono la proprietà del piccolo mondo, un modello di connettività che consente di attraversare una rete complessa in un numero ridotto di passaggi. Un'altra proprietà delle reti cerebrali è che operano in un regime che è delicatamente bilanciato tra il passaggio dall'attività alta a quella bassa, un regime noto come criticità. E anche questo sembra possibile solo in reti che hanno una gerarchia modulare in cui piccole sottoreti si combinano per formare reti più grandi.

Quindi la domanda che Scargill si pone è se esistono reti 2D con tutte queste caratteristiche: proprietà del piccolo mondo, gerarchia modulare e comportamento critico.

All'inizio, questo sembra improbabile perché nei grafici 2D i nodi sono collegati tramite bordi che si incrociano. Tuttavia, Scargill mostra che le reti 2D possono effettivamente essere costruite in modo modulare e che questi grafici hanno alcune proprietà del piccolo mondo.

Dimostra inoltre che queste reti possono operare nel punto di transizione tra due tipi di comportamento e quindi dimostrare criticità. Sono approssimativamente 'piccoli mondi', hanno una costruzione gerarchica e modulare e mostrano prove di [comportamento critico] per determinati processi stocastici, dice.

È un risultato affascinante. Suggerisce che le reti 2D possono supportare comportamenti sorprendentemente complessi. Naturalmente, non costituisce una prova che un universo 2+1 possa sostenere la vita. In effetti, Scargill sottolinea che è necessario più lavoro per scoprire se i tipi di reti 2D che descrive sono capaci del comportamento complesso osservato negli esseri viventi. È necessario ulteriore lavoro per confrontare i grafici qui presentati con le reti neurali della vita reale, afferma.

Ma smentisce le affermazioni secondo cui l'universo 2+1 non potrebbe supportare la vita. I cosmologi ei filosofi che promuovono il principio antropico dovranno pensare un po' più a fondo.

Rif: arxiv.org/abs/1906.05336 : La vita può esistere in 2 + 1 dimensioni?

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