Perché viviamo in un universo con tre dimensioni spaziali e una temporale - 3 + 1, come direbbero i cosmologi? Perché esattamente questa combinazione e non 4 + 2 o 2 + 1? Negli ultimi dieci anni, i fisici hanno esplorato questa domanda molte volte, contemplando altri universi con proprietà diverse per capire se la vita complessa potesse esistere o meno. E inevitabilmente giunsero alla conclusione che non poteva esistere in un universo con quattro dimensioni spaziali o due temporali. Quindi gli umani finiranno inevitabilmente (e finiranno) in un universo 3 + 1.
Questo è l'argomento antropico: l'idea che l'universo debba possedere le proprietà necessarie per la sopravvivenza degli osservatori.
Che aspetto ha un universo bidimensionale?
Ma che dire degli universi più semplici come 2 + 1? I fisici hanno teorizzato che le due dimensioni dello spazio potrebbero non fornire una complessità sufficiente per sostenere la vita. Credono anche che la gravità non funzionerà in due dimensioni, quindi oggetti come il sistema solare non possono formarsi. Ma è davvero così?
James Scargill dell'Università della California, Davis, contrariamente a tutte le aspettative, ha dimostrato che un universo a 2 + 1 dimensioni potrebbe supportare sia la gravità che la vita complessa. Il suo lavoro mina l'argomento antropico per cosmologi e filosofi, che dovranno cercare un altro motivo per cui l'universo prende la forma che prende.
Innanzitutto, un po 'di storia. Uno dei grandi misteri scientifici è perché le leggi della fisica sembrano essere affilate (o perfezionate) 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 stato anche leggermente diverso, non si sarebbero potuti formare atomi e oggetti più complessi. In un tale universo, la vita sarebbe impossibile.
L'approccio antropico è che se la costante di struttura fine assumesse un altro valore, non ci sarebbero osservatori che potrebbero misurarla. Ecco perché ha il valore che misuriamo!
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Negli anni '90, Max Tegmark, ora fisico presso il Massachusetts Institute of Technology, ha sviluppato un argomento simile per il numero di dimensioni dell'universo. Ha sostenuto che se ci fosse più di una dimensione temporale, le leggi della fisica non avrebbero le proprietà che gli osservatori devono prevedere. Ciò escluderebbe definitivamente l'esistenza dei fisici e forse la vita stessa.
Passiamo ora alle proprietà degli universi con quattro dimensioni spaziali. In uno spazio del genere, le leggi del moto di Newton sarebbero molto sensibili a minuscole perturbazioni. Una conseguenza di ciò è che non si potrebbero formare 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 possibilmente strutture stabili", afferma Tegmark.
Pertanto, le condizioni di vita sembrano improbabili negli universi con più dimensioni del nostro. Ma l'argomento è che gli universi con meno dimensioni sono meno sicuri.
C'è un'opinione secondo cui la teoria generale della relatività non funziona in due dimensioni, quindi non può esserci gravità.
Ma James Scargill la pensa diversamente. Nel suo articolo, mostra che un campo gravitazionale molto più semplice e puramente scalare potrebbe essere possibile in due dimensioni e ciò consentirebbe orbite stabili e cosmologia intelligente. Resta solo da mostrare come la complessità possa sorgere nelle dimensioni 2 + 1. Scargill affronta questo problema in termini di reti neurali. Sottolinea che la complessità delle reti neurali biologiche può essere caratterizzata da varie proprietà speciali che qualsiasi sistema 2D deve riprodurre.
Tra questi c'è la proprietà "piccolo mondo", un modello di comunicazione che consente di attraversare una rete complessa in pochi piccoli passi. Un'altra proprietà delle reti cerebrali è che operano in una modalità delicatamente bilanciata tra il passaggio da un'attività alta a un'attività bassa - la modalità criticità. Ciò sembra anche essere possibile solo nelle reti con una gerarchia modulare, in cui piccole sottoreti sono combinate in reti più grandi.
La domanda che Scargill pone è se esistono reti 2D che hanno 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 intersecano tra loro. Ma Scargill mostra che le reti 2D possono effettivamente essere costruite in modo modulare e che questi grafici hanno determinate proprietà del piccolo mondo.
Mostra anche che queste reti possono operare in un punto di transizione tra due comportamenti, dimostrando così criticità. E questo è un risultato sorprendente, che suggerisce che le reti 2D possono effettivamente supportare comportamenti sorprendentemente complessi. Ovviamente, questo non dimostra che l'universo 2 + 1 possa effettivamente supportare la vita. Ci vorrà più lavoro per scoprirlo con certezza.
