Heb je je weleens afgevraagd of er leven mogelijk is in een tweedimensionaal heelal? Wij ook niet, maar de Amerikaanse theoretische natuurkundige James Scargill wel.

Dat we in een driedimensionale wereld leven, voelt zo voor de hand liggend dat het raar lijkt om er dieper over na te denken. Natúúrlijk kun je naar links of naar rechts, naar voren of naar achteren, naar boven of naar beneden – en verder niks. Toch vragen wetenschappers zich af en toe af: had het ook anders gekund? Had ons heelal net zo goed vier of meer ruimtelijke dimensies kunnen hebben? Of twee of minder? En zo ja, waarom heeft ons heelal er dan precies drie?

Een in eerste instantie misschien wat flauw klinkend antwoord op die laatste vraag is: ons heelal heeft drie dimensies omdat wij er anders niet waren geweest om het aantal dimensies te tellen. De redenering daarachter: levende wezens – en zeker zelfbewuste, intelligente wezens zoals wij – kunnen alleen ontstaan en overleven in een heelal met drie dimensies. En dus hoeven we ons er niet over te verbazen dat we in precies zo’n heelal rondwandelen. Heelallen met meer of minder dimensies kunnen misschien wel bestaan, maar zullen altijd volledig levenloos zijn.

Maar volgens de Amerikaanse theoretisch natuurkundige James Scargill gaat die vlieger niet op. Wat hem betreft is er wel degelijk leven mogelijk in een tweedimensionaal heelal.

Eén grote chaos

Wat zijn dan de redenen dat we niet zouden kunnen bestaan in heelallen met andere aantallen dimensies? Bij meer dan drie dimensies worden de zwaartekrachtswetten hypergevoelig voor ook maar de kleinste verstoringen. Gevolg: iets als een planeet in een stabiele baan rond een ster is niet meer mogelijk. Op grotere én op kleinere schaal speelt hetzelfde probleem. Een heelal met vier dimensies is dus één grote chaos, zonder plekken waar leven in alle rust kan ontstaat en gedijen.

En twee dimensies dan? Dan werkt onze huidige zwaartekrachtstheorie, de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, helemaal niet meer; in twee dimensies blijken objecten hun omgeving niet meer te kunnen beïnvloeden met hun zwaartekracht. In zo’n heelal zijn planeetbanen rond een ster ook niet mogelijk. Sterker nog: sterren en planeten zouden niet eens kunnen ontstáán. In een 2D-heelal is leven dus nog veel onwaarschijnlijker.

Ho ho, zegt Scargill echter op dit punt. “Niets dwingt de zwaartekrachtstheorie in zo’n heelal om een exacte kopie te zijn van de algemene relativiteitstheorie.” En dus bedacht hij een alternatieve zwaartekrachtstheorie – of liever: een ruwe opzet voor zo’n theorie – die wél werkt in twee dimensies. We hoeven dus ‘alleen maar’ Einstein los te laten om een tweedimensionaal heelal leefbaar te maken.

Volgens natuurkundige James Scargill kun je in twee dimensies een neuraal netwerk bouwen dat aan alle voorwaarden voldoet om te kunnen functioneren als een biologisch neuraal netwerk zoals dat in onze hersenen. Zo’n netwerk maak je bijvoorbeeld door in een driehoekig stukje netwerk een kleiner driehoekig stukje netwerk te plaatsen en daarvan alle hoekpunten te verbinden met de buitenste driehoek (1). Dat proces herhaal je vervolgens (2) totdat je een voldoende groot netwerk hebt gemaakt.

Complex netwerk

Maar kun je in een tweedimensionale wereld wel levende wezens ‘bouwen’? Nee, was altijd het antwoord op die vraag; daar heb je minimaal drie dimensies voor nodig. Ook dat betwist Scargill. Hij doet dat door te duiken in de wereld van de neurale netwerken, een type netwerk waar bijvoorbeeld de met elkaar verbonden zenuwcellen in onze hersenen toe behoren. Zijn er in twee dimensies varianten van zulke neurale netwerken mogelijk die complex genoeg zijn voor leven? Volgens Scargill moet zo’n netwerk dan aan een aantal voorwaarden voldoen.

Ten eerste moeten de afstanden tussen de knooppunten in het netwerk – de zenuwcellen, in het geval van onze hersenen – klein zijn en moeten er heel veel verbindingen zijn tussen die knooppunten. Ten tweede moet het netwerk gebieden bevatten waarin er meer onderlinge verbindingen zijn dan verbindingen met andere gebieden. “Dat staat voor het feit dat onze hersenen gebieden bevatten die zijn gespecialiseerd in het verrichten van bepaalde taken”, legt Scargill uit.

Tot slot, zegt Scargill, kan een neuraal netwerk zich in twee toestanden bevinden die allebei niet handig zijn voor leven: ofwel het netwerk dooft in korte tijd uit (de zenuwcellen zijn niet meer actief), ofwel het netwerk is continu ‘aan’ (de zenuwcellen produceren een continue ruis). Een neuraal netwerk moet zich op de overgang tussen die twee toestanden bevinden, wil het de basis zijn van een levensvorm.

In zijn artikel laat Scargill vervolgens zien: er bestáán tweedimensionale neurale netwerken die aan al deze voorwaarden voldoen. In grote lijnen plaats je dan een driehoekig stukje netwerk in een grotere driehoek, of een vierkant stukje netwerk in een grotere vierkant. Dat proces herhaal je vervolgens net zo lang tot je een voldoende groot netwerk hebt gebouwd.

Of daarmee ook bewezen is dat leven mogelijk is in een tweedimensionaal heelal? Dat gaat wat ver. Maar toch: misschien hebben we leven in een simpeler heelal dan het onze iets te makkelijk afgeserveerd.

Deze Far Out staat ook in KIJK 9/2019.

Bronnen: arXiv.org, MIT Technology Review

Beeld: iStock/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!