在更低的維度上，生命能否存在？二維生命的設(shè)想非常誘人，但人們普遍認(rèn)為，二維空間中不可能有生命存在。其中兩個重要的原因是：二維引力難以維持行星軌道的穩(wěn)定性；二維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度也無法支持生命活動。

　　但是，加州大學(xué)戴維斯分校物理學(xué)家詹姆斯·斯卡吉爾（J.H.C.Scargill）在預(yù)印本網(wǎng)站發(fā)表了一篇相關(guān)論文。在這里，空間是二維的，而時間是一維的。在論文中，斯卡吉爾通過針對上述兩點的論述，證明了在二維空間，生命完全有可能出現(xiàn)。

　　二維太陽系的穩(wěn)定性

　　首先，斯卡吉爾從引力的角度討論了二維太陽系的穩(wěn)定性。

　　萬有引力的一個顯著特征是，一旦空間不是三維的，那么萬有引力的大小就不再與距離的平方成反比。這會引起嚴(yán)重的后果——地球繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道變得不穩(wěn)定。任何微弱的擾動，例如一顆隕石落到地球上，都會讓地球離開現(xiàn)有軌道。

　　在非三維空間，如果不修改目前的萬有引力理論（廣義相對論），就不可能存在穩(wěn)定的地球繞日軌道。地球或者是被太陽吸引，落入太陽而燒毀；或者是飄離太陽系。

　　而在二維空間，除了軌道穩(wěn)定性的問題，引力本身也是生命存在的阻力。由于二維空間的引力沒有自由度，在這里，甚至不存在真正意義上的引力。

　　為了解決這個問題，斯卡吉爾在二維空間中引入一個標(biāo)量場，修改了整個引力理論，從而產(chǎn)生全新的二維引力場。在這種條件下，斯卡吉爾證明了可以存在穩(wěn)定的圓軌道——這個圓軌道描述的是地球繞著太陽公轉(zhuǎn)，而二維生物是生活在這個二維地球上的。

　　如果只考慮物理，二維中最重要的相互作用當(dāng)然是引力，因為引力是最宏觀的，也決定了時空結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，對于其他 3 種相互作用——電磁相互作用、強(qiáng)相互作用與弱相互作用在二維空間會變得怎么樣，斯卡吉爾在研究中沒有提到。

　　二維生命體存在的可能性

　　隨后，斯卡吉爾從數(shù)學(xué)上證明，在二維空間中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度具備支持生命的條件。比較低等的生物，比如線蟲完整的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被繪制出來了。從目前的研究結(jié)論來看，對于人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，目前腦科學(xué)研究的一個基本觀點是：人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出小世界特征。小世界特征可以通俗地理解為，這個世界其實很小，你只要通過 6 個人就可以認(rèn)識世界上的每一個人，包括美國總統(tǒng)或者非洲某村的村長。

　　對二維生物來說，情況有一點特殊：二維生物大腦中的神經(jīng)纖維不能交叉，因此其大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須是平面的，這在某種意義上限制了它的復(fù)雜性。因此，一些研究認(rèn)為，二維世界太簡單了，無法讓復(fù)雜的生命出現(xiàn)。

　　但是，二維的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是否也能展示出小世界特征呢？這正是斯卡吉爾需要解決的問題。

　　北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院副教授崔曉華說：“斯卡吉爾在論文中構(gòu)造了一些帶環(huán)的平面圖。環(huán)在網(wǎng)絡(luò)中很重要，因為帶環(huán)的網(wǎng)絡(luò)可以產(chǎn)生自我的周期行為。有研究認(rèn)為，大腦處理時間信息的一項重要機(jī)制，就是利用局部神經(jīng)環(huán)路記錄信息。”

　　斯卡吉爾在論文中證明了，帶環(huán)的二維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以展現(xiàn)出小世界特性。除了小世界特性，斯卡吉爾還在論文中提到了大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另外兩個特點——層級化與模塊化，同時證明了二維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以展現(xiàn)出這些特點。因此，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個角度上，二維空間也可能存在生命體。

　　雖然斯卡吉爾論證了二維生命體存在的可能性，但這距離證明二維生命還有很遠(yuǎn)的距離。還有其他理由認(rèn)為我們這樣的生命體無法在二維空間中存在。例如，霍金在《時間簡史》中提到，在二維空間，生命體口腔與肛門的連線（消化道）會把這個生物分割為兩個部分，因而二維生命體不能存在——當(dāng)然這是從消化系統(tǒng)角度來論述這個問題的?；蛟S，對于其他維度是否存在生命，我們很難找到答案。

　　撰文：張華
　　來源:環(huán)球科學(xué)

總結(jié)

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