生命一定需要三維空間和時間嗎？加州大學：可能存在於二維宇宙中

物理學家和哲學家長期以來一直聲稱，生命只能形成於像我們這樣的宇宙中。我們所處的宇宙具有三維空間和時間，然而這種想法現在可能需要改變。6月20日麻省理工科技回顧（Technology Review)網站發表的文章中提出了一種新穎的可能性，他們聲稱生命可能存在於二維宇宙中

為什麼我們生活在一個由三維空間和一個時間組成的 3+1維的宇宙中，如同宇宙學家所說的那樣?為什麼不是其它的組合，比如四維空間或者二維時間? 近幾十年來，物理學家們通過研究其它宇宙的性質來探索這個問題，試圖發現那裡是否存在複雜的生命。他們的結論是，複雜生命不可能存在於一個四維宇宙中，也不可能存在於時間維度不止一個的宇宙中。因此他們說，人類發現自己本身身處一個3+1維宇宙的事實是不可避免的。

這就是所謂的「人擇論」，該觀點認為宇宙必須具備觀察者生存所必需的屬性。但是更簡單的宇宙呢，比如二維+一維的宇宙? 物理學家已經假定，兩個空間維度不允許這種宇宙的複雜性支持生命。他們還認為引力在二維空間中不起作用，所以太陽系類型的物體無法形成。但這真的正確嗎?

今天我們要感謝加州大學戴維斯分校的詹姆斯·斯卡吉爾的研究，他的研究出乎所有人的意料，證明了一個2+1維的宇宙可以同時支持重力和生命所需的複雜性。這項工作顛覆了宇宙學家和哲學家們關於人擇論的論點，他們需要找到宇宙形成的另一個原因。

首先是一些背景介紹。其中一個重要的科學難題是，為什麼物理定律似乎為生命的存在進行了精心設置。例如精細結構常數的數值似乎是任意的（約1/137），然而許多物理學家指出，如果它稍有不同，原子和更複雜的物體就不能形成。在這樣的宇宙中，生命是不可能的。人擇論方法認為，如果精細結構常數取任何其它值，就不可能有觀察者來測量它。這就是為什麼它具有我們所衡量的價值!

上世紀90年代，麻省理工學院(MIT)物理學家馬克斯?泰格馬克對宇宙的維數提出了類似的觀點。他認為，如果存在多個以上的時間維度，物理學定律就會缺乏觀察者做出預測所必需的性質。這顯然排除了物理學家的存在，也可能排除了生命本身的存在。

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它類似的結構。泰格馬克說：「在三維以上的空間中，沒有傳統的原子，可能也有穩定的結構。」

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存在。但是另一個爭論所在是緯度越少的宇宙是否越不安全。一個論點是廣義相對論不能在二維空間中起作用，因此不可能存在引力。但詹姆斯·斯卡吉爾卻有其它不同的觀點。在今天的論文中，他展示了一個更簡單，純標量的引力場在二維中是可能的，這將允許穩定的軌道和合理的宇宙學的存在。

更令人印象深刻的是，他的研究結果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研究這個問題。他指出，生物神經網路的複雜性可以通過任何二維繫統必須能夠再現的各種特殊屬性來表徵的。

其中包括「小世界」屬性，這種連接模式可以通過很少的步驟遍歷複雜的網路。大腦網路的另一個特性是，它們在一個從高活動到低活動的過渡之間微妙平衡的狀態下運行，這個狀態被稱為臨界。這似乎也只有在具有模塊化層次結構的網路中才有可能，在這種結構中，小的子網路組合成更大的網路。

因此斯卡吉爾提出的問題是，是否存在具有所有這些特徵的二維網路：小世界屬性，模塊化層次結構和關鍵行為。起初聽起來這似乎不太可能，因為在2D圖中，節點通過彼此交叉的邊緣連接。然而，斯卡吉爾指出，2D網路確實可以以模塊化的方式構建，而且這些圖具有一定的小世界特性。

他還表明，這些網路可以在兩種行為之間的過渡點運行，因此顯示出臨界性。他說:「它們近似於『小世界』，它們有一個層次結構和模塊結構，它們顯示出某些隨機過程的關鍵行為證據。」

這是一個非常有趣的結果。它表明2D網路可以支持令人驚訝的複雜行為。當然這並不足以證明一個2+1的宇宙可以支持生命。事實上斯卡吉爾指出，需要做更多的工作來發現他所描述的二維網路類型是否能夠在生物中觀察到複雜的行為。他說:「需要做更多的工作來將這裡展示的圖表與現實生活中的神經網路進行比較。」

那些聲稱2 + 1宇宙不能支持生命的說法可能是錯誤的，提倡人擇原理的宇宙學家和哲學家們需要再仔細想想。該論文最初發表在ARXIV.ORG上。

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