Warum leben wir in einem Universum mit drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension - 3 + 1, wie Kosmologen sagen würden? Warum genau diese Kombination und nicht 4 + 2 oder 2 + 1? In den letzten zehn Jahren haben Physiker diese Frage viele Male untersucht und andere Universen mit unterschiedlichen Eigenschaften in Betracht gezogen, um zu verstehen, ob in ihnen komplexes Leben existieren könnte oder nicht. Und sie kamen unweigerlich zu dem Schluss, dass es in einem Universum mit vier räumlichen oder zwei zeitlichen Dimensionen nicht existieren könnte. Menschen werden also unweigerlich in einem 3 + 1-Universum enden (und enden).
Dies ist das anthropische Argument: Die Idee, dass das Universum die Eigenschaften haben muss, die für das Überleben von Beobachtern notwendig sind.
Wie sieht ein zweidimensionales Universum aus?
Aber was ist mit einfacheren Universen wie 2 + 1? Physiker theoretisierten, dass die beiden Dimensionen des Raums möglicherweise nicht komplex genug sind, um das Leben zu unterstützen. Sie glauben auch, dass die Schwerkraft nicht in zwei Dimensionen funktioniert, sodass sich Objekte wie das Sonnensystem nicht bilden können. Aber ist es wirklich so?
James Scargill von der University of California in Davis zeigte entgegen aller Erwartungen, dass ein 2 + 1-dimensionales Universum sowohl die Schwerkraft als auch das komplexe Leben unterstützen kann. Seine Arbeit untergräbt das anthropische Argument für Kosmologen und Philosophen, die nach einem anderen Grund suchen müssen, warum das Universum die Form annimmt, die es annimmt.
Zunächst ein kleiner Hintergrund. Eines der großen wissenschaftlichen Rätsel ist, warum die Gesetze der Physik für das Leben geschärft (oder verfeinert) zu sein scheinen. Zum Beispiel scheint der numerische Wert der Feinstrukturkonstante willkürlich zu sein (ungefähr 1/137), und dennoch haben verschiedene Physiker darauf hingewiesen, dass sich Atome und komplexere Objekte nicht hätten bilden können, wenn sie sich nur geringfügig unterschieden. In einem solchen Universum wäre das Leben unmöglich.
Der anthropische Ansatz ist, dass es keine Beobachter geben würde, die ihn messen könnten, wenn die Feinstrukturkonstante einen anderen Wert annehmen würde. Deshalb hat es den Wert, den wir messen!
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In den 1990er Jahren entwickelte Max Tegmark, heute Physiker am Massachusetts Institute of Technology, ein ähnliches Argument für die Anzahl der Dimensionen des Universums. Er argumentierte, dass die Gesetze der Physik bei mehr als einer Zeitdimension nicht die Eigenschaften hätten, die Beobachter vorhersagen müssten. Dies würde definitiv die Existenz von Physikern und möglicherweise das Leben selbst ausschließen.
Kommen wir nun zu den Eigenschaften von Universen mit vier räumlichen Dimensionen. In einem solchen Raum wären Newtons Bewegungsgesetze sehr empfindlich gegenüber winzigen Störungen. Eine Folge davon ist, dass sich keine stabilen Bahnen bilden könnten, so dass es keine Sonnensysteme oder ähnliche Strukturen geben würde. „In einem Raum mit mehr als drei Dimensionen kann es keine traditionellen Atome und möglicherweise stabile Strukturen geben“, sagt Tegmark.
Daher scheinen Lebensbedingungen in Universen mit mehr Dimensionen als unseren unwahrscheinlich. Das Argument ist jedoch, dass Universen mit weniger Dimensionen weniger sicher sind.
Es gibt eine Meinung, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht in zwei Dimensionen funktioniert, daher kann es keine Schwerkraft geben.
Aber James Scargill denkt anders. In seiner Arbeit zeigt er, dass ein viel einfacheres, rein skalares Gravitationsfeld in zwei Dimensionen möglich sein könnte, das stabile Umlaufbahnen und intelligente Kosmologie ermöglichen würde. Es bleibt nur zu zeigen, wie Komplexität in 2 + 1-Dimensionen entstehen kann. Scargill nähert sich diesem Problem in Bezug auf neuronale Netze. Er weist darauf hin, dass die Komplexität biologischer neuronaler Netze durch verschiedene spezielle Eigenschaften charakterisiert werden kann, die jedes 2D-System reproduzieren muss.
Darunter befindet sich die Eigenschaft "kleine Welt", ein Kommunikationsmodell, mit dem Sie ein komplexes Netzwerk in wenigen kleinen Schritten durchqueren können. Eine weitere Eigenschaft von Hirnnetzwerken besteht darin, dass sie in einem Modus arbeiten, der zwischen dem Übergang von hoher Aktivität zu niedriger Aktivität - dem Kritikalitätsmodus - fein ausgewogen ist. Dies scheint auch nur in Netzwerken mit modularer Hierarchie möglich zu sein, in denen kleine Subnetze zu größeren Netzwerken zusammengefasst werden.
Die Frage, die Scargill stellt, ist, ob es 2D-Netzwerke gibt, die all diese Funktionen aufweisen - Eigenschaften der kleinen Welt, modulare Hierarchie und kritisches Verhalten.
Dies scheint zunächst unwahrscheinlich, da in 2D-Diagrammen Knoten durch Kanten verbunden sind, die sich schneiden. Scargill zeigt jedoch, dass 2D-Netzwerke tatsächlich modular aufgebaut werden können und dass diese Diagramme bestimmte Eigenschaften der kleinen Welt aufweisen.
Er zeigt auch, dass diese Netzwerke an einem Übergangspunkt zwischen zwei Verhaltensweisen arbeiten können, wodurch Kritikalität demonstriert wird. Und dies ist ein erstaunliches Ergebnis, das darauf hindeutet, dass 2D-Netzwerke tatsächlich überraschend komplexes Verhalten unterstützen können. Dies beweist natürlich nicht, dass das 2 + 1-Universum tatsächlich das Leben unterstützen kann. Es wird mehr Arbeit erfordern, um es sicher herauszufinden.
