Pourquoi vivons-nous dans un univers avec trois dimensions spatiales et une dimension temporelle - 3 + 1, comme diraient les cosmologistes? Pourquoi exactement cette combinaison, et non 4 + 2 ou 2 + 1? Au cours de la dernière décennie, les physiciens ont exploré cette question à plusieurs reprises, en contemplant d'autres univers aux propriétés différentes afin de comprendre si une vie complexe pouvait y exister ou non. Et ils sont inévitablement arrivés à la conclusion qu'il ne pouvait pas exister dans un univers à quatre dimensions spatiales ou à deux dimensions temporelles. Les humains finiront donc inévitablement (et finiront) dans un univers 3 + 1.
C'est l'argument anthropique: l'idée que l'univers doit avoir les propriétés nécessaires à la survie des observateurs.
À quoi ressemble un univers bidimensionnel?
Mais qu'en est-il des univers plus simples comme 2 + 1? Les physiciens ont émis l'hypothèse que les deux dimensions de l'espace pourraient ne pas fournir suffisamment de complexité pour soutenir la vie. Ils croient également que la gravité ne fonctionnera pas en deux dimensions, de sorte que des objets tels que le système solaire ne peuvent pas se former. Mais est-ce vraiment le cas?
James Scargill de l'Université de Californie à Davis, contrairement à toutes les attentes, a montré qu'un univers à 2 + 1 dimensions pouvait supporter à la fois la gravité et la vie complexe. Son travail mine l'argument anthropique des cosmologistes et des philosophes, qui devront chercher une autre raison pour laquelle l'univers prend la forme qu'il prend.
Tout d'abord, un peu de contexte. L'un des grands mystères scientifiques est la raison pour laquelle les lois de la physique semblent avoir été affinées (ou affinées) pour la vie. Par exemple, la valeur numérique de la constante de structure fine semble arbitraire (environ 1/137), et pourtant divers physiciens ont souligné que si elle était même légèrement différente, des atomes et des objets plus complexes n'auraient pas pu se former. Dans un tel univers, la vie serait impossible.
L'approche anthropique est que si la constante de structure fine prenait une autre valeur, il n'y aurait aucun observateur qui pourrait la mesurer. C'est pourquoi il a la valeur que nous mesurons!
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Dans les années 1990, Max Tegmark, maintenant physicien au Massachusetts Institute of Technology, a développé un argument similaire pour le nombre de dimensions de l'univers. Il a fait valoir que s'il y avait plus d'une dimension temporelle, les lois de la physique n'auraient pas les propriétés que les observateurs doivent prédire. Cela exclurait définitivement l'existence de physiciens et peut-être la vie elle-même.
Passons maintenant aux propriétés des univers à quatre dimensions spatiales. Dans un tel espace, les lois du mouvement de Newton seraient très sensibles à de minuscules perturbations. Une conséquence de ceci est que des orbites stables ne pourraient pas se former, il n'y aurait donc pas de système solaire ou d'autres structures similaires. «Dans un espace de plus de trois dimensions, il ne peut y avoir d’atomes traditionnels et éventuellement de structures stables», déclare Tegmark.
Ainsi, les conditions de vie semblent improbables dans des univers avec plus de dimensions que les nôtres. Mais l'argument est que les univers avec moins de dimensions sont moins sûrs.
Il y a une opinion que la théorie générale de la relativité ne fonctionne pas en deux dimensions, donc il ne peut y avoir de gravité.
Mais James Scargill pense différemment. Dans son article, il montre qu'un champ gravitationnel beaucoup plus simple et purement scalaire peut être possible en deux dimensions, ce qui permettrait des orbites stables et une cosmologie intelligente. Il ne reste plus qu'à montrer comment la complexité peut survenir dans des dimensions 2 + 1. Scargill aborde ce problème en termes de réseaux de neurones. Il souligne que la complexité des réseaux de neurones biologiques peut être caractérisée par diverses propriétés spéciales que tout système 2D doit reproduire.
Parmi eux, la propriété "small world", un modèle de communication qui permet de parcourir un réseau complexe en quelques petites étapes. Une autre propriété des réseaux cérébraux est qu'ils fonctionnent dans un mode qui est délicatement équilibré entre le passage d'une activité élevée à une activité faible - mode de criticité. Cela ne semble également possible que dans les réseaux à hiérarchie modulaire, dans lesquels les petits sous-réseaux sont combinés en réseaux plus grands.
La question posée par Scargill est de savoir s'il existe des réseaux 2D qui possèdent toutes ces caractéristiques - petites propriétés de monde, hiérarchie modulaire et comportement critique.
Cela semble peu probable au début, car dans les graphiques 2D, les nœuds sont connectés par des arêtes qui se croisent. Mais Scargill montre que les réseaux 2D peuvent en effet être construits de manière modulaire et que ces graphes ont certaines propriétés de petit monde.
Il montre également que ces réseaux peuvent opérer à un point de transition entre deux comportements, démontrant ainsi leur criticité. Et c'est un résultat étonnant, qui suggère que les réseaux 2D peuvent effectivement supporter des comportements étonnamment complexes. Bien sûr, cela ne prouve pas que l'univers 2 + 1 puisse réellement supporter la vie. Il faudra plus de travail pour le savoir avec certitude.
