La vie pourrait exister dans un univers 2D (selon la physique, en tout cas)

Vue colorée de l'univers capturée par le télescope spatial Nasa

Pourquoi vivons-nous dans un univers à trois dimensions d'espace et une dimension de temps — 3+1 dimensions, comme diraient les cosmologistes ? Pourquoi pas une autre combinaison, comme quatre dimensions d'espace ou deux dimensions de temps ?

Au cours des dernières décennies, les physiciens ont exploré cette question en étudiant les propriétés d'autres univers pour voir si une vie complexe pouvait y exister. Leur conclusion est qu'il ne pourrait pas exister dans un univers à quatre dimensions, ni dans un univers à plus d'une dimension de temps. Ainsi, le fait que l'humanité se retrouve dans un univers à 3+1 dimensions est inévitable, disent-ils.

C'est ce qu'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, comme celui à 2+1 dimensions ? Les physiciens ont supposé que deux dimensions spatiales ne pouvaient pas permettre au type de complexité de soutenir la vie. Ils pensent également que la gravité ne fonctionnerait pas en deux dimensions, de sorte que les objets de type système solaire ne pourraient pas se former. Mais est-ce vraiment vrai ?

Aujourd'hui, nous le découvrons grâce aux travaux de James Scargill de l'Université de Californie à Davis, qui a montré contre toute attente qu'un univers à 2+1 dimensions pouvait supporter à la fois la gravité et le type de complexité que la vie exige. Le travail sape l'argument anthropique pour les cosmologistes et les philosophes, qui devront trouver une autre raison pour laquelle l'univers prend la forme qu'il prend.

Tout d'abord un peu de contexte. L'une des grandes énigmes scientifiques est la raison pour laquelle les lois de la physique semblent 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 ne pourraient pas se former. Dans un tel univers, la vie serait impossible.

L'approche anthropique consiste à soutenir que si la constante de structure fine 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, un physicien maintenant au MIT, a développé un argument similaire pour 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 aux observateurs pour faire des prédictions. Cela semble certainement exclure l'existence des physiciens et peut-être aussi la vie elle-même.

Ensuite, il y a les propriétés des univers à quatre dimensions spatiales. Dans ce type de cosmos, les lois du mouvement de Newton seraient très sensibles à de minuscules perturbations. Une conséquence est que des orbites stables ne pourraient pas se former, il n'y aurait donc pas de systèmes solaires ou d'autres structures similaires. Dans un espace à plus de trois dimensions, il ne peut y avoir d'atomes traditionnels et peut-être pas de structures stables, a déclaré Tegmark.

Ainsi, les conditions de vie semblent peu probables dans des univers avec plus de dimensions que le nôtre. Mais l'argument est des univers moins sûrs avec moins de dimensions.

Un argument est que la relativité générale ne peut pas fonctionner en deux dimensions, donc il ne pourrait y avoir de gravité.

Mais James Scargill a d'autres points de vue. Dans l'article d'aujourd'hui, il montre qu'un champ gravitationnel beaucoup plus simple, purement scalaire, serait possible en deux dimensions, ce qui permettrait des orbites stables et une cosmologie raisonnable.

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 particulières que tout système 2D doit être capable de reproduire.

Celles-ci incluent la propriété du petit monde, un modèle de connectivité qui permet de traverser un réseau complexe en un petit nombre d'étapes. Une autre propriété des réseaux cérébraux est qu'ils fonctionnent dans un régime délicatement équilibré entre la transition d'une activité élevée à une activité faible, un régime connu sous le nom de criticité. Et cela semble également possible uniquement dans les réseaux qui ont une hiérarchie modulaire dans laquelle de petits sous-réseaux se combinent pour former de plus grands réseaux.

La question que Scargill pose est donc de savoir s'il existe des réseaux 2D qui possèdent toutes ces caractéristiques : propriétés du petit monde, hiérarchie modulaire et comportement critique.

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

Il montre également que ces réseaux peuvent opérer à la transition entre deux types de comportement et donc faire preuve de criticité. Ils sont approximativement «petit monde», ils ont une construction hiérarchique et modulaire, et ils montrent des preuves de [comportement critique] pour certains processus stochastiques, dit-il.

C'est un résultat fascinant. Cela suggère que les réseaux 2D peuvent prendre en charge un comportement étonnamment complexe. Bien sûr, cela ne constitue pas la preuve qu'un univers 2+1 pourrait supporter la vie. En effet, Scargill souligne que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour découvrir si les types de réseaux 2D qu'il décrit sont capables du comportement complexe observé chez les êtres vivants. Davantage de travail est nécessaire pour comparer les graphiques présentés ici avec les réseaux de neurones réels, dit-il.

Mais cela dément les affirmations selon lesquelles l'univers 2 + 1 ne pourrait pas supporter la vie. Les cosmologistes et les philosophes qui promeuvent le principe anthropique devront réfléchir un peu plus.

Réf : arxiv.org/abs/1906.05336 : La vie peut-elle exister en 2 + 1 dimensions ?

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