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宇宙结构与人脑到底有多相似?

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科学视角 2021-04-17 12:26

这个宇宙,有的时候真的令我们感到非常神秘。

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大自然纷繁多样,却在很多方面具有惊人的相似性。尤其是一些巨大物体和手边小物件甚至是微观世界的相似,更加令人困惑不已。比如著名的斐波那契螺旋线,就表现出了和宇宙中螺旋星系以及海洋中的甲壳类动物的相似形状,又或者动物体内静脉的分形和闪电以及树枝的形状高度雷同。

甚至当我们去看最巨大的宇宙结构,也能在自然界中找到相似的对应物体。很多人开玩笑说,我们的宇宙可能是某个巨大生物的大脑,因为二者的形状非常相似。下面这张人类大脑神经元和宇宙结构的对比图,相信很多人也曾经在网上看到过——

最近,真的有科学家认真思考了这个问题,来自意大利博洛尼亚大学的天体物理学家Franco Vazza和意大利维罗纳大学的神经外科医生Alberto Feletti的跨领域组合,为了破解这个谜题而相互合作,给出了他们的看法。

实际上,很多人说二者高度相似,只不过源自于外形的相似,这只是最初级的相似。而这两位科学家想要知道:大脑神经元和宇宙结构是否也有“神似”之处,或者说是否有功能上的雷同呢?

(图片说明:拉尼亚凯亚超星系团,红色是银河系的位置)

早在2017年的时候,他们就在《鹦鹉螺季刊》上发表过相关的文章,指出:“星系可以结合为庞大的结构(如星系团、超星系团或丝状结构),延伸出数亿光年,这些结构和附近被称作宇宙空洞的巨大虚无空间之间的边界是极其复杂的。这些边界处的物质会在引力作用下被加速到每秒数千公里,在星系际气体之间形成冲击波和湍流。我们曾经认为:空洞-丝状结构是宇宙中最难以揣摩的结构之一,需要海量的信息数据才能描述。这也使得我们陷入沉思:它是否比大脑更加复杂?”

从尺度上来看,大脑和宇宙差了至少27个量级,也就是一千亿亿亿倍。但令人震惊的是,这丝毫不影响我们大脑的惊人复杂性,甚至丝毫不逊于跨幅达数亿光年的宇宙结构。两个人的研究甚至表明:虽然驱动宇宙结构和人脑的机制大不相同,但二者之间的复杂程度和自组织性竟然表现出了惊人的一致。

(图片说明:宇宙大尺度丝状结构)

首先,两个人罗列出了人脑和宇宙的相似之处:

1. 人类小脑有690亿个神经元,可观测的宇宙网络也包含多达1000亿个星系,二者相差不多;

2. 真正发挥主动作用的物质都只占了一小部分,人脑中有77%的部分是水,它能起到决定性的支撑作用却不是指令的来源;宇宙网络结构中有72%是暗物质,它们不可见,却提供了引力将这些结构约束在一起;

3. 两种结构排布形式都高度雷同,那就是一种网状结构,人脑中的节点是神经元,宇宙结构的节点是星系,节点之间都是通过丝状结构连接在一起;

4. 和丝状结构相比,二者的节点尺度都显得非常小;

5. 节点之间的能量和信息交换,都只占了整个系统能量/质量的1/4左右;

6. ……

(图片说明:人脑神经元)

看到如此多的雷同之处,相信很多人都会忍不住惊呼:何其相似乃尔!

在罗列了这些惊人的相似点后,他们进行了进一步的量化分析,将脑部切片放大了40倍,与宇宙网状结构的模拟图像进行对比。结果发现:二者之间的物质密度高低分布在不同的尺度上竟然也展示出了惊人的不约而同。

Vazza介绍说:“我们对两个系统的光谱密度进行了计算,这种技术经常应用于宇宙学中,可以用来研究星系在空间中的分布。而我们的研究结果表明,小脑神经元网络中的数量分布于1微米到0.1毫米的尺度上。这和宇宙网状结构中物质的分布再一次不谋而合,当然后者的尺度要更大一些,从500万光年直到5亿光年内都有。”

(图片说明:左侧为被放大40倍的小脑切片,右侧为尺度为300光年的模拟宇宙网状结构)

接下来的研究,还带来了更多惊人的发现。

他们对每个节点上所连接的丝线数量也进行了分析,对于宇宙网状结构的星系来说,每个样本中有共计3800-4700个星系,平均下来每一个星系周围都连着3.8-4.1根丝线;另一方面,对于人类的脑部来说,取1800-2700个神经元为一个样本进行分析,平均每个神经元的连接数量大约是4.6-5.4根,同样非常接近。

甚至,最近还有研究表明,人脑中大概可以储存2.5PB的信息。而Vazza在另一项研究中也表明:如果要储存宇宙的复杂性,大概需要4.3PB的存储空间。考虑到二者之间在尺度上的天壤之别,这个数据相差也不多。

因此,他们在2017年的报告中也指出:“粗略地说,这种记忆储存空间的近似表明,人脑中储存的所有信息(比如他一生之中的所有经历)同样可以通过宇宙中的星系分布来进行编码。”

当然,说了这么多,也不能粗暴地认为宇宙就是人脑,或者说宇宙有属于自己的意识。但是从这些研究中我们确实发现,至少在生长规律上来看,宇宙大尺度结构和人脑有着极高的相似性。仅仅从这一点来看,就足以令人惊呼不可思议。

在此之前,2012年的一篇研究报告也指出:在这个加速膨胀的宇宙中,代表时空大尺度结构的因果网络拥有着和人类大脑十分类似的幂律度分布。而这一次Vazza和Feletti的研究,更是助这个理论一臂之力。

Feletti告诉我们:“结构参数再一次证明了这种意料之外的相似度水平,或许,这两个网络的演化遵从着相似的物理法则,虽然二者内部的物理法则有着显而易见的巨大区别。”

我们的宇宙太过宏大为壮观,以至于我们的视野只能看到其中的一小部分。也许,当我们走得足够远时,发现有些答案可能就在身边。这个宇宙的玄幻,谁又能说得清呢?

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