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生命能否在二维中存在?科学家突破了物理限制

  1884 年,一位英国学校的老师Edwin Abbott 写了一个很棒的故事,讲述了生活在一个叫做平地的二维世界中的几何形状的生物。除了作为社会评论外,它还从有知觉的二维生物的角度审视了生活会是什么样子。这是一个有趣的概念,这种生物生活在二维空间的想法一直是科幻小说的范畴。但从科学角度来说,理论会允许吗?让我们先看看更高维度的情况。 更高维度
  我们没有看到四个或五个大空间维度的一个原因是,生命不能存在于三个以上的大维度中。为什么呢?因为围绕恒星的稳定椭圆轨道不可能超过三个维度,添加的维度越多,引力就越弱。例如,在四个空间维度中,引力随距离的倒数立方而变化,而不是距离的平方。结果,即使是很小的扰动(例如其他行星的引力),也会使绕太阳运行的地球要么朝向太阳中心,要么螺旋形远离太阳。没有稳定椭圆轨道意味着没有太阳系,也可能没有生命。因此,生命大概不可能存在。
  另一个很好的理由是,使用 LIGO 检测到的引力波的最新数据表明不存在更高维度,因为如果存在更高维度,我们预计会看到一些引力泄漏到这些其他维度中。这表现在它到达地球的时间,但我们没有看到这种减弱。因此,如果存在更多的维度,它们就存在于非常小的尺度上,在普朗克长度的尺度上,弦理论的微小弦可以在其中振动。你可能会问:"为什么生命不能在这些小尺度上存在?" 这些尺度是如此之小,以至于连原子都无法适应这些尺度。如果一个原子是地球的大小,这些尺寸甚至比瓢虫还要小!
  二维生物
  但是二维呢?为什么生命不能存在于二维?与更高维度不同,我们确定确实存在两个空间维度。大多数科学家认为二维生命是不可能的,但有科学家发现,二维生命存在的障碍并非不可逾越。
  有两个主要论据反对二维生命的可能性。首先,根据广义相对论,引力需要三个空间维度和一个时间维度。换句话说,没有足够的自由度让空间在二维中弯曲。其次,科学家们认为,每个神经元需要数百个连接的复杂大脑的神经网络,无法在二维上形成足够的连接,因为与三维相比,连接的数量在物理上是有限的。
  如何破解这些问题?让我们从引力问题开始。在二维中,时空如何弯曲并没有足够的自由度,这意味着二维世界并不存在引力。这似乎提出了与四个维度相同的无轨道问题。但是没有什么能迫使引力只能由广义相对论来定义,可能存在其他自由度,例如简单的标量场,它将允许围绕点源的稳定轨道,它实际上等同于二维弯曲。
  其余的物理呢?标准模型中的其他三种基本力——强力、弱力和电磁力是否仍然存在?二维不会是限制因素,因为二维为各个方程的工作提供了足够的自由度。例如,二维原子可能存在,因为在原子核中存在将质子和中子结合在一起的强核力。电子可以围绕原子核运行,因为电磁力也应该存在。此外,原则上,希格斯场是没有问题的。有趣的是,希格斯场和弱核力可能不是生命存在所必需的,只有大约2%的原子质量来自希格斯场。几乎所有原子的质量,以及大概宇宙的大部分质量,都来自原子核中存在的能量。
  二维世界可能拥有的神经元连接的限制,生命的复杂性又如何呢?科学家在一系列平面2维图中表明,可以与节点建立连接,从而使它们表现出复杂的通信网络。它们不会具有三维大脑的复杂性,但如果它们的大脑更大,它们可以接近这个复杂性。
  人脑每个神经元有大约一千个连接。但是我们的神经元在活跃和不活跃阶段受到限制。据估计,在任何给定时间,只有大约10%的连接在工作。因此,每个神经元的有效连接数约为100 个。由于二维平面连接的限制,二维神经元平均每个连接少于6个。另一方面,二维生物可能是 100% 有效的。所以现在我们的比例是6比100。但是如果二维大脑比人脑大16倍(16x6=96),那么它们的处理能力可能会接近人脑。 其他问题
  那么二维生命形式还有哪些限制?生物是由分子组成的二维生物,分子就像二维的珠串。我们习惯的有机化学取决于分子的三维形状以及它们的组成,所以这种二维化学将是限制。然而,这并不排除某种其他形式的同样有效的有机化学来统治二维宇宙。事实上,在 1980 年代,AK Dewdney 等科学家对二维分子的生物化学进行了很多思考。他们的研究表明,二维化学虽然比三维化学简单,但可能也是非常复杂的。
  任何有机体要生存和繁衍,就必须能够消耗和处理能量。二维生物的消化道不可能像你我一样完全通过它的身体,因为这会将有机体切成两半,但它可以在释放废物的同一个孔中消耗食物。这可能让我们感到恶心,但这只是我们的价值观对其他生命形式的人择投影。
  散热将是一个问题,因为二维生物的相对表面积会比三维生物小得多。在三维中,球体的表面积为 4πR^2,而在二维中的周长仅为2πR。因此,对于任何给定的半径,表面积在二维上都会小得多。所以这个二维生物,为了增加散热的表面积,很可能不会是光滑的。

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