La vie pourrait exister dans un Univers 2D

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Les physiciens et les philosophes ont longtemps affirmé que la vie ne pouvait se former que dans un Univers comme le nôtre, avec les trois dimensions de l’espace et une du temps. Cette réflexion devra peut-être être révisée.

La vie peut exister dans un Univers avec 2 + 1 dimensions

Pourquoi vivons-nous dans un Univers comportant trois dimensions d’espace et une dimension du temps. Pourquoi pas une autre combinaison, telle que quatre dimensions de l’espace ou deux dimensions du temps? Au cours des dernières décennies, les physiciens ont exploré cette question en examinant les propriétés d’autres Univers afin de déterminer si une vie complexe pouvait exister en eux.

Leur conclusion est qu’il ne pourrait pas exister dans un Univers à quatre dimensions, ni dans un Univers à plus d’une dimension du temps. Ainsi, le fait que l’humanité se trouve dans un univers à 3 + 1 dimensions est inévitable, disent-ils.

C’est ce que l’on appelle l’argument anthropique – l’idée que l’Univers doit avoir les propriétés nécessaires à la survie des observateurs. Mais qu’en est-il des Univers plus simples, tels que celui avec 2 + 1 dimensions? Les physiciens ont supposé que deux dimensions spatiales ne pouvaient pas permettre à ce type d’Univers de supporter la vie. Ils pensent également que la gravité ne fonctionnerait pas dans deux dimensions, de sorte que les objets du système solaire ne pourraient pas se former. Mais est-ce vraiment exact?

Ces preuves viennent des travaux de James Scargill de l’Université de Californie

Nous le découvrons aujourd’hui grâce au travail de James Scargill de l’Université de Californie à Davis, qui a montré, contre toute attente, qu’un univers à 2 + 1 dimensions pourrait supporter à la fois la gravité et le type de complexité que requiert la vie. Ce travail mine l’argument anthropique des cosmologues et des philosophes, qui devront trouver une autre raison pour laquelle l’Univers prend sa forme telle qu’il est.

D’abord un peu d’explications fondamentales. L’une des grandes énigmes scientifiques est de savoir pourquoi les lois de la physique semblent adaptées à la vie. Par exemple, la valeur numérique de la constante de la structure fine semble arbitraire, mais divers physiciens ont fait remarquer que si elle était même légèrement différente, les atomes et les objets plus complexes ne pourraient pas se former. Dans un tel Univers, la vie serait impossible.

L’approche anthropique consiste à affirmer que si la constante des structures fines prenait une autre valeur, il ne pourrait y avoir aucun observateur pour la mesurer. C’est pourquoi il a la valeur que nous mesurons.

Dans les années 1990, Max Tegmark, physicien au MIT, développa un argument similaire en ce qui concerne le nombre de dimensions dans 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 nécessaires pour permettre aux observateurs de faire des prédictions. Cela semble certainement exclure l’existence des physiciens et peut-être aussi de la vie elle-même.

Ensuite, il y a les propriétés des Univers à quatre dimensions spatiales. Dans ce genre de cosmos, les lois du mouvement de Newton seraient très sensibles aux petites perturbations. L’une des conséquences est que les 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 peut-être pas de structures stables», a déclaré Tegmark.

La relativité générale ne pourrait pas fonctionner dans deux dimensions

Un des arguments est que la relativité générale ne peut pas fonctionner dans deux dimensions, donc il ne pourrait y avoir de gravité. Mais James Scargill a d’autres points de vue. Dans l’un de ses articles, il montre qu’un champ gravitationnel beaucoup plus simple, purement scalaire, serait possible en deux dimensions, ce qui permettrait des orbites stables et un Univers habitable.

Mais son résultat le plus impressionnant est de montrer comment la complexité pourrait émerger en 2 +1 dimensions. Scargill aborde ce problème du point de vue des 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 pouvoir reproduire.

Celles-ci incluent la propriété «petit monde», un modèle de connectivité qui permet de parcourir un réseau complexe en un petit nombre d’étapes. Une autre propriété des réseaux cérébraux est qu’ils opèrent dans un régime qui équilibre délicatement le passage d’une activité intense à une activité faible, un régime connu sous le nom de criticité. Et cela ne semble également possible que dans des réseaux dotés d’une hiérarchie modulaire dans laquelle de petits sous-réseaux se combinent pour former de plus grands réseaux.

La question que se pose Scargill est donc de savoir s’il existe des réseaux 2D dotés ayant toutes ces caractéristiques: des propriétés du petit monde, une hiérarchie modulaire et un comportement critique.

Au début, cela semble peu probable, car dans les graphiques 2D, les nœuds sont connectés par des arêtes qui se croisent. Néanmoins, Scargill montre que les réseaux 2D peuvent effectivement être construits de manière modulaire et que ces graphiques ont certaines des propriétés de petit monde.

Il montre également que ces réseaux peuvent fonctionner au point de transition entre deux types de comportement et par conséquent faire preuve de criticité. «Ils sont à peu près comme un« petit monde », ils ont une construction hiérarchique et modulaire, et ils montrent des signes de [comportement critique] pour certains processus stochastiques», dit-il.

Les cosmologues qui défendent le principe anthropique devront réfléchir un peu plus

C’est un résultat fascinant. Cela suggère que les réseaux 2D peuvent supporter un comportement étonnamment complexe. Bien entendu, cela ne prouve pas qu’un univers 2 + 1 puisse supporter la vie. En effet, Scargill souligne que davantage de travail est nécessaire pour déterminer si les types de réseaux 2D qu’il décrit sont capables d’avoir des comportements complexes observés chez les êtres vivants.

«Il faut plus de travail pour comparer les graphiques avec les réseaux de neurones de la vie réelle», dit-il. Mais cela dément les affirmations selon lesquelles l’univers 2 + 1 ne pourrait pas supporter la vie. Les cosmologues et les philosophes qui défendent le principe anthropique devront réfléchir un peu plus.

Les résultats de cette recherche « si la vie peut exister dans un Univers avec 2+1 dimensions » ont été prépubliés dans arXiv.

Source : MIT Technology Review
Crédit photo : Pixabay

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