圖片來(lái)源：NASA, ESA, P. Oesch and M. Montes
在更低的維度上，生命能否存在？2維生命的設(shè)想非常誘人，但人們普遍認(rèn)為，2維空間中不可能有生命存在。其中兩個(gè)重要原因是：2維引力難以維持行星軌道的穩(wěn)定性；2維網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度也無(wú)法支持生命活動(dòng)。
但是，加州大學(xué)戴維斯分校物理學(xué)家J. H. C. Scargill在預(yù)印本網(wǎng)站發(fā)表了一篇題為“Can Life Exist in 2 1 Dimensions?”的論文。在這里，空間是2維的，而時(shí)間是1維的。Scargill通過(guò)上述兩點(diǎn)論述，在2維空間，生命完全有可能出現(xiàn)。
2維太陽(yáng)系的穩(wěn)定性
首先，Scargill從引力的角度討論了2維生命的可能性。
萬(wàn)有引力的一個(gè)顯著特征是，一旦空間不是3維的，那么萬(wàn)有引力的大小就不再與距離的平方成反比。這會(huì)引起嚴(yán)重的后果——地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)軌道變得不穩(wěn)定。任何微弱的擾動(dòng)，例如一顆隕石落到地球上，都會(huì)讓地球離開(kāi)現(xiàn)有軌道。
在非3維空間，如果不修改目前的萬(wàn)有引力理論（廣義相對(duì)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(yáng)吸引，落入太陽(yáng)而燒毀；或者是飄離太陽(yáng)系。
而在2維空間，除了軌道穩(wěn)定性的問(wèn)題，引力本身也是生命存在的阻力。由于2維空間的引力沒(méi)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(gè)問(wèn)題，Scargill在2維空間中引入一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，修改了整個(gè)引力理論，從而產(chǎn)生全新的2維引力場(chǎng)。在這種條件下，Scargill證明了可以存在穩(wěn)定的圓軌道——這個(gè)圓軌道描述的是地球繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而2維生物是生活在這個(gè)2維地球上的。
如果只考慮物理，2維中最重要的相互作用當(dāng)然是引力，因?yàn)橐κ亲詈暧^的，也決定了時(shí)空結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，對(duì)于其他三種相互作用——電磁相互作用、強(qiáng)相互作用與弱相互作用在2維空間會(huì)變得怎么樣，Scargill在研究中沒(méi)有提到。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)“小世界”
隨后，Scargill從數(shù)學(xué)上證明，在2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。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是用神經(jīng)元通過(guò)突起連接的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)上，它其實(shí)屬于圖論所研究的范疇（神經(jīng)元的細(xì)胞體是圖的頂點(diǎn)，而突起是連接頂點(diǎn)的線條）。圖論起源于歐拉對(duì)戈尼斯堡七橋問(wèn)題的研究，后來(lái)在四色問(wèn)題等研究中發(fā)揚(yáng)光大，成為一個(gè)數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)分支。
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(lái)了。從目前的研究結(jié)論來(lái)看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵特性在于，它們是“小世界”網(wǎng)絡(luò)。“小世界”網(wǎng)絡(luò)介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)之間，同時(shí)具備規(guī)則網(wǎng)絡(luò)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)。
小世界特征可以通俗理解為，這個(gè)世界其實(shí)很小，你只要通過(guò)6個(gè)人就可以認(rèn)識(shí)世界上的每一個(gè)人，包括美國(guó)總統(tǒng)或者非洲某村的村長(zhǎng)。而在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，小世界模型意味著圖中多數(shù)連接都很短，但同時(shí)有少量長(zhǎng)程連接。
對(duì)于人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，目前腦科學(xué)研究的一個(gè)基本觀點(diǎn)是：人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出小世界特征。
在數(shù)學(xué)上可以證明，與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比，小世界網(wǎng)絡(luò)具有魯棒性，因此也符合大腦的生理特性。在小世界網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)刪除節(jié)點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)平均連接長(zhǎng)度的影響很小。另外，小世界網(wǎng)絡(luò)有大量的局域連接配合少數(shù)隨機(jī)的全局連接，這種模式的傳輸信息效率也更高。人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之所以具有小世界特性，可能是在成本-效率平衡的壓力下，自然選擇的結(jié)果。
2維網(wǎng)絡(luò)的小世界特性
對(duì)2維生物來(lái)說(shuō)，情況有一點(diǎn)特殊：2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(jiǎn)單了，無(wú)法讓復(fù)雜的生命出現(xiàn)。
但是，2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Scargill需要解決的問(wèn)題。
北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院副教授崔曉華告訴《環(huán)球科學(xué)》：“Scargill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?yàn)閹Лh(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(shí)間信息的一項(xiàng)重要機(jī)制，就是利用局部神經(jīng)環(huán)路記錄信息。”
Scargill在論文中證明了，帶環(huán)的2維網(wǎng)絡(luò)可以展現(xiàn)出小世界特性。
除了小世界特性，Scargill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(gè)特點(diǎn)——層級(jí)化與模塊化，他證明了2維網(wǎng)絡(luò)也可以展現(xiàn)出這些特點(diǎn)。因此，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這個(gè)角度上，2維空間也可能存在生命體。
雖然Scargill論證了2維生命體存在的可能性，但這距離證明2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(wú)法在2維空間中存在。例如，霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》中提到，在2維空間，生命體口腔與肛門的連線（消化道）會(huì)把這個(gè)生物分割為兩個(gè)部分，因而2維生命體不能存在——當(dāng)然這是從消化系統(tǒng)角度來(lái)論述這個(gè)問(wèn)題的。或許，對(duì)于其他維度的生命，我們永遠(yuǎn)無(wú)法找到答案。
盡管如此，這樣的討論在科學(xué)上是有益的。例如，人腦中的小世界組織模式就很有價(jià)值，尤其是在目前的計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域，功耗低、高效智能的類腦芯片的開(kāi)發(fā)與之密切相關(guān)。
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