La vida podría existir en un universo 2D (según la física, de todos modos)

Vista colorida del universo captado por el telescopio espacial NASA

¿Por qué vivimos en un universo con tres dimensiones de espacio y una de tiempo, 3+1 dimensiones, como dirían los cosmólogos? ¿Por qué no alguna otra combinación, como cuatro dimensiones de espacio o dos dimensiones de tiempo?

En las últimas décadas, los físicos han explorado esta cuestión investigando las propiedades de otros universos para ver si podría existir vida compleja en ellos. Su conclusión es que no podría existir en un universo con cuatro dimensiones, ni en uno con más de una dimensión de tiempo. Entonces, el hecho de que la humanidad se encuentre en un universo de 3+1 dimensiones es inevitable, dicen.

Esto se conoce como el argumento antrópico: la idea de que el universo debe tener las propiedades necesarias para que los observadores sobrevivan.

Pero, ¿qué pasa con los universos más simples, como uno con 2+1 dimensiones? Los físicos han asumido que dos dimensiones espaciales no podrían permitir el tipo de complejidad para sustentar la vida. También creen que la gravedad no funcionaría en dos dimensiones, por lo que no se podrían formar objetos del tipo del sistema solar. ¿Pero es eso realmente cierto?

Hoy lo descubrimos gracias al trabajo de James Scargill de la Universidad de California, Davis, quien ha demostrado contra todas las expectativas que un universo de 2+1 dimensiones podría soportar tanto la gravedad como el tipo de complejidad que requiere la vida. El trabajo socava el argumento antrópico para los cosmólogos y filósofos, quienes deberán encontrar otra razón por la cual el universo toma la forma que toma.

Primero algunos antecedentes. Uno de los grandes enigmas científicos es por qué las leyes de la física parecen estar afinadas para la vida. Por ejemplo, el valor numérico de la constante de estructura fina parece arbitrario (alrededor de 1/137) y, sin embargo, varios físicos han señalado que si fuera aunque fuera ligeramente diferente, los átomos y los objetos más complejos no podrían formarse. En tal universo, la vida sería imposible.

El enfoque antrópico es argumentar que si la constante de estructura fina tomara cualquier otro valor, no podría haber observadores para medirla. ¡Por eso tiene el valor que medimos!

En la década de 1990, Max Tegmark, un físico que ahora trabaja en el MIT, desarrolló un argumento similar para el número de dimensiones del universo. Argumentó que si hubiera más de una dimensión temporal, las leyes de la física carecerían de las propiedades necesarias para que los observadores hicieran predicciones. Eso ciertamente parece excluir la existencia de físicos y quizás también la vida misma.

Luego están las propiedades de los universos con cuatro dimensiones espaciales. En este tipo de cosmos, las leyes de movimiento de Newton serían muy sensibles a pequeñas perturbaciones. Una consecuencia es que no se podrían formar órbitas estables, por lo que no habría sistemas solares u otras estructuras similares. En un espacio con más de tres dimensiones, no puede haber átomos tradicionales y quizás estructuras estables, dijo Tegmark.

Así que las condiciones para la vida parecen improbables en universos con más dimensiones que el nuestro. Pero el argumento es universos menos seguros con menos dimensiones.

Un argumento es que la relatividad general no puede funcionar en dos dimensiones, por lo que no podría haber gravedad.

Pero James Scargill tiene otros puntos de vista. En el artículo de hoy, muestra que un campo gravitatorio mucho más simple, puramente escalar, sería posible en dos dimensiones, y esto permitiría órbitas estables y una cosmología razonable.

Pero su resultado más impresionante es mostrar cómo la complejidad podría surgir en 2+1 dimensiones. Scargill aborda este problema desde el punto de vista de las redes neuronales. Señala que la complejidad de las redes neuronales biológicas se puede caracterizar por varias propiedades especiales que cualquier sistema 2D debe poder reproducir.

Estos incluyen la propiedad del mundo pequeño, un patrón de conectividad que hace posible atravesar una red compleja en una pequeña cantidad de pasos. Otra propiedad de las redes cerebrales es que operan en un régimen que está delicadamente equilibrado entre la transición de alta a baja actividad, un régimen conocido como criticidad. Y esto también parece posible solo en redes que tienen una jerarquía modular en la que pequeñas subredes se combinan para formar redes más grandes.

Entonces, la pregunta que hace Scargill es si hay redes 2D que tengan todas estas características: propiedades de mundo pequeño, jerarquía modular y comportamiento crítico.

Al principio, esto parece poco probable porque en los gráficos 2D, los nodos están conectados a través de bordes que se cruzan entre sí. Sin embargo, Scargill muestra que las redes 2D se pueden construir de forma modular y que estos gráficos tienen ciertas propiedades de mundo pequeño.

También muestra que estas redes pueden operar en el punto de transición entre dos tipos de comportamiento y, por lo tanto, demostrar criticidad. Son aproximadamente 'pequeños mundos', tienen una construcción jerárquica y modular, y muestran evidencia de [comportamiento crítico] para ciertos procesos estocásticos, dice.

Ese es un resultado fascinante. Sugiere que las redes 2D pueden admitir un comportamiento sorprendentemente complejo. Por supuesto, no equivale a una prueba de que un universo 2+1 podría albergar vida. De hecho, Scargill señala que se necesita más trabajo para descubrir si los tipos de redes 2D que describe son capaces del complejo comportamiento observado en los seres vivos. Se necesita más trabajo para comparar los gráficos presentados aquí con las redes neuronales de la vida real, dice.

Pero desmiente las afirmaciones de que el universo 2+1 no podría albergar vida. Los cosmólogos y filósofos que promueven el principio antrópico necesitarán pensar un poco más.

Ref: arxiv.org/abs/1906.05336 : ¿Puede existir la vida en 2 + 1 dimensiones?

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