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生命一定需要三维空间和时间吗加州大学可能略

发布时间:2020-10-18 02:22:21
生命一定需要三维空间和时间吗?加州大学:可能存在于二维宇宙中

物理学家和哲学家长期以来一直声称,生命只能构成于像我们这样的宇宙中。我们所处的宇宙具有三维空间和时间,但是这类想法现在可能需要改变。6月20日麻省理工科技回顾(Technology Review)网站发表的文章中提出了一种新颖的可能性,他们宣称生命可能存在于二维宇宙中

为何我们生活在一个由三维空间和一个时间组成的 3+1维的宇宙中,犹如宇宙学家所说的那样?为什么不是其它的组合,比如四维空间或二维时间? 近几十年来,物理学家们通过研究其它宇宙的性质来探索这个问题,试图发现那里是否是存在复杂的生命。他们的结论是,复杂生命不可能存在于一个4维宇宙中,也不可能存在于时间维度不止一个的宇宙中。因此他们说,人类发现自己本身身处一个3+1维宇宙的事实是不可避免的。

这就是所谓的“人择论”该观点认为宇宙必须具有观察者生存所必须的属性。但是更简单的宇宙呢,比如二维+1维的宇宙? 物理学家已假定,两个空间维度不允许这类宇宙的复杂性支持生命。他们还认为引力在二维空间中不起作用,所以太阳系类型的物体没法构成。但这真的正确吗?

今天我们要感谢加州大学戴维斯分校的詹姆斯·斯卡吉尔的研究,他的研究出乎所有人的意料,证明了一个2+1维的宇宙可以同时支持重力和生命所需的复杂性。这项工作颠覆了宇宙学家和哲学家们关于人择论的论点,他们需要找到宇宙构成的另一个缘由。

首先是一些背景介绍。其中一个重要的科学困难是,为什么物理定律恍如为生命的存在进行了精心设置。例如精细结构常数的数值似乎是任意的(约1/137)然而许多物理学家指出,如果它稍有不同,原子和更复杂的物体就不能构成。在这样的宇宙中,生命是不可能的。人择论方法认为,如果精细结构常数取任何其它值,就不可能有观察者来丈量它。这就是为何它具有我们所衡量的价值!

上世纪90年代,麻省理工学院(MIT)物理学家马克斯•泰格马克对宇宙的维数提出了类似的观点。他认为,如果存在多个以上的时间维度,物理学定律就会缺少观察者做出预测所必须的性质。这明显排除物理学家的存在,也可能排除生命本身的存在。

是具有四个空间维度的宇宙的属性。在这种宇宙中,运动定律对微小的扰动非常敏感。一个结果是不能构成稳定的轨道,因此不会有太阳系或其它类似的结构。泰格马克说:“在三维以上的空间中,没有传统的原子,可能也有稳定的结构。”

因此在比我们更度的宇宙中,生命的条件恍如不太可能存在。但是另一个辩论所在是纬度越少的宇宙是否是越不安全。一个论点是广义相对论不能在二维空间中起作用,因此不可能存在引力。但詹姆斯·斯卡吉尔却有其它不同的观点。在今天的论文中,他展现了一个更简单,纯标量的引力场在二维中是可能的,这将允许稳定的轨道和公道的宇宙学的存在。

更使人印象深入的是,他的研究结果展现了复杂性如何在2 +1维度中出现。斯卡吉尔从神经网络的角度来研究这个问题。他指出,生物神经网络的复杂性可以通过任何二维必须能够再现的各种特殊属性来表征的。

其中包括“小世界”属性,这类连接模式可以通过很少的步骤遍历复杂的网络。大脑网络的另一个特性是,它们在一个从高活动到低活动的过渡之间奥妙平衡的状态下运行,这个状态被称为临界。这恍如也只有在具有模块化层次结构的网络中才有可能,在这类结构中,小的子网络组合成更大的网络。

因此斯卡吉尔提出的问题是,是否是存在具有所有这些特点的二维网络:小世界属性,模块化层次结构和关键行动。起初听起来这仿佛不太可能,由于在2D图中,节点通过彼此交叉的边沿连接。但是,斯卡吉尔指他指出出,2D网络确切可以以模块化的方式构建,而且这些图具有一定的小世界特性。

他还表明,这些网络可以在两种行动之间的过渡点运行,因此显示出临界性。他说:“它们近似于‘小世界’它们有一个层次结构和模块结构,它们显示出某些随机进程的关键行为证据。”

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