2次元でも生命は存在できるか 物理学者が新説を発表

3次元である必要があるのか?

2次元で生きるというのは昨今の若者を中心にブームになりつつあります。そんな未来に生きる人達にとっては常識でいまさらな議論がMIT Technology Reviewに掲載されました。まあ、一部の人にとっては自明なことですが、物理の中での議論としては非常に難しい問題になります。3次元上に気づかれた物理システムは2次元上に全て構成可能なわけではありません。例えば、生命にとって重要な構造である神経ネットワークは2次元では再現することは不可能です。これは回路の交差などレイヤー構造を2次元で作ることができないからです。

 

ただ、今回の発表された論文ではそうしたネットワーク構成の複雑さを2次元で表現する方法について詳しく議論しています。この論文はカリフォルニア大学の物理学者により発表され、現在は未査読でコーネル大学アーカイブに公開されています。

次元とは

物理や数学の話題が好きな人達は、たびたび登場する次元という単語に辟易とした思いを抱いているかもしれません。最新の物理の話題には必ずと言っていいほど登場する超弦理論では、宇宙は10次元だと主張しており、もはや何が何だか意味を理解するのに困難です。ただ、我々がこうした話題を理解するために必要な知識としては「次元=計算するために必要なパラメータの数」という理解で十分です。

 

例えば、誰かと待ち合わせをする時に取り決めするものは何か?ということを考えてください。

まず必要な情報としては場所です。これは地図上のXYという2次元座標を決めているわけで、2次元の情報です。もしそれが高い建物だとしたら、何階にあるという高さを表すZ座標も指定しなければなりません。この情報だと3次元の情報になります。

さらに、待ち合わせの際には時間も決めなければなりません。そうすると何日、何時となってくるので時間も含めて4次元のパラメータ情報が求められます。つまり、人と待ち合わせるために4つのパラメータが必要となりこの世界が4次元構造になっているということがわかります。空間は3次元ですが、時間を含めると4次元になるというのはこのためです。ただ、通常の時間軸は空間軸のように自由に操作することができないため、3次元とされることがほとんどです。

動画の場合はどうでしょうか。2次元の画像に対して1次元のシークバーが付いています。したがって動画は2次元+1次元になります。一般的には平面は2次元、立体は3次元という言い方をされますが、時間のような空間からは独立したパラメータが付属することで2次元平面の動画も理論上は3次元構造になったりします。

一般的に2次元といった場合は平面のことを指していますが、数学や物理で考えた場合は単に座標の指定や現象の記述に2つしかパラメータが使えないという理解の仕方で問題ないと思います。

 

なぜ最初から3次元で物事を捉えないのか?2次元に落として考えるのか?

物理では異なる次元の話が登場しますが、2次元宇宙とか考える必要が出てくるのでしょうか?そうした疑問に答えるのがホログラフィー原理です。ホログラフィーとはお札やクレジットカードに印刷してあるモヤッと浮き出るシールのことを指します。これはNintendo3DSの画面で考えてもいいです。2D画面上のものが3Dに飛び出して見えるのは2D上に3D情報が保存、表示可能だからです。ホログラムとか3DSみたいに現実世界も実は3次元に見えているだけで、本当は2次元に張り付いた情報を見ているだけなのではないか?というのがホログラフィー原理の考え方です。この理論で言いたいことは3次元空間の情報が2次元空間とデータ連携可能であるということです。

つまり、次元を減らして考えた方が楽になる場合があるために物理学者たちは次元を落として考えているというのが現状です。

現在の物理学の最大の問題は重力が何なのかわからないということです。これは量子論を3次元で語る上で非常に障害になるものです。しかし、2次元に落とすと重力の成分を考えなくても良いということになります。余計な情報によって悩まされずに済むというのが次元を落として考えるということになります。

 

神経回路のような3次元構造の複雑なネットワークを2次元で再現できるのか?

交差が利用できない2次元で複雑なネットワーク回路を作ることは非常に難しい問題です。しかし、今回論文を発表したJames Scargill氏はいくつかの理論を組み合わせれば可能であると言及しています。今回な論文で重要なことは3Dの驚くほど複雑な構造を2Dの構造がサポート可能であることを示唆しているということです。もしこれが簡易にできることになったとしたら、DNA解析や複雑な生物の構造解析が格段と早く実施することができるようになると考えられます。

 

 

簡便な為に次元を落とすということは物理だけではなく、彼女(彼氏)にも使われるのかこのためか!?という勝手に思い込んでしまいました。これは当たらずとも遠からずということでしょうかね(笑)

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