「史萊姆黴菌」到暗物質網絡，折射出人類對於宇宙探索的新思考

文|宇宙科學室

「給歲月以文明，而不是給文明以歲月」，這是劉慈欣作品《三體》中的原文，這句話折射出了宇宙社會學中的基本定律。雖然這個學科到目前為止還從未開放，其也只是科幻小說中的一個幻想學科，但仔細思考，當人類的太空探索和宇宙探索達到了能夠「給歲月以文明」的時候，那是不是說明人類已經真正的跨入了一個新的文明階段！

而這一切都要依靠於科學家們的探索。重力的限制，讓我們待在了地球已經很長時間了，我們總會幻想著某一天能夠將自己的腳印踏到地球大氣層之外的世界，而到目前為止，除了機器人與航天員，誰又能夠將自己的腳印踏到地球之外的其他世界呢？我們雖然不能，但至少通過人類的智慧與人類的大腦，我們到目前為止已經送了許多的太空飛行器去到了其他星球表面。

這就是科學家們探索的結果。我們還未曾實現夢想，卻已經有了其他更多的幻想。我們幻想著能夠宜居火星，我們幻想著能夠見到外星人，我們幻想著能夠搞明白宇宙的運行和宇宙的結構。宇宙的探索總是接二連三，卻很少有人能夠真正去對宇宙探索進行一個新的思考。

宇宙網與人類大腦神經元結構類似，都是宇宙中神秘的結構。而研究人員們對於研究手法的思考，讓它們找到了最基本的物質網絡：暗物質網絡

人類的大腦神經元結構類似一個宇宙中的連接通道，更像是整個宇宙的暗物質網絡，本以為天文學家們能夠從人類的大腦中得到宇宙的結構，得到宇宙中暗物質的存在網絡。但誰能想到，現在研究的突破點竟然會是一個無腦的單細胞有機體。

誰也沒有想到，就是這樣一個無腦的單細胞有機體它具有尋找食物的訣竅，卻正在幫助天文學家們研究宇宙中最大，最神秘的結構：宇宙網。

（此圖顯示了宇宙網的複雜結構。暗物質（藍色）的長絲連接星系和星系團（粉紅色）的「結」，而氣體（橙色）則遍及整個。通過建模和觀察宇宙網絡，研究人員正在獲得對早期宇宙的結構和演化的見識）

宇宙網（或暗物質網）是由暗物質和氣體製成的相互連接的長絲組成的龐大網絡，形成了整個宇宙的基礎。這些細絲可以伸展數億光年，並且它們將各大星系，星系團甚至是星系超級團簇都相互連接了起來。但是，由於宇宙網的性質非常暗淡，並且其中的暗物質不會與光線或者其他物質發生相互作用，所以人類想要找到暗物質或者暗物質網絡非常困難。

為了尋找暗物質或暗物質網絡，在未發現這個無腦的單細胞有機體之前，各國都發射了相應的探測設備進入太空，比如中國的悟空號。而現在天文學家們為了應對這一挑戰，在加利福尼亞大學聖克魯斯分校的研究人員篩選了超過37000個星系的存檔數據，然後繪製了它們在宇宙中的位置。然後，他們使用一種複雜的算法來繪製出這些星系之間看不見的氣體和暗物質細絲，以確定它們之間如何相互作用，以及宇宙網如何影響這些星系中的恆星形成。

很多人可能都會以為研究人員們使用的還是以往的模擬方法，相反，研究人員使用的是受粘液黴菌啟發的模型，特別是多頭絨泡菌。該算法模仿了黴菌的覓食行為，該行為會發出偵察黴菌的卷鬚來尋找附近的食物。如果某個特定的黴菌線絆倒在食物上，它會蓬勃發展，從而在食物和其他殖民地之間建立牢固的聯繫。

因此，通過將單個星系替換為基於模具的算法的「食物」，研究人員能夠生成3D地圖，該地圖指示宇宙網的連接星系的細絲如何纏繞在一起。

順便說一句，星系之間的氣體也充當一種「宇宙食物」，助長恆星的形成。而且，一旦您知道宇宙網絲是如何與星系連接的，就可以猜測星系形成（或不形成）恆星的速率。這樣的預測是基於一個星系是否連接到宇宙網上，以及它與其他星系的緊密結合程度。如果連接太牢固，則可能會失去形成恆星的機會。如果太鬆散，則無法獲得足夠的「材料」去形成恆星。

（上圖顯示研究人員播種了一種算法，該算法的靈感來自於粘液黴菌的覓食行為，其位置約為37,000個星系，這些星系被用作「食物」。這幫助他們建模並創建了連接這些星系的宇宙網的3D地圖。在上方，星系（或食物）以黃色顯示，而宇宙網以紫色顯示）

從「史萊姆黴菌」到太空探索，創新的研究方法折射出人類對於宇宙探索的新思考

使用基於粘液的算法映射宇宙網絡的想法來自加州大學聖克魯斯分校計算媒體博士後。他以前曾看過粘液模型算法的工作，因此他敦促加州大學聖克魯斯分校的天文學家與新論文的主要作者將其應用於他在宇宙網上的工作，因為宇宙的結構仍然是如此的難以捉摸。

這不是科學家第一次使用粘液模具繪製各種結構的圖。粘液黴菌是專業的長絲製造商，可以構建複雜的地下網絡來幫助他們尋找食物和資源。這些單細胞生物體可作為一個大菌落，直徑可達1英尺。而且，奇怪的是，它們的絲狀結構往往都顯示了解決問題的傾向。

粘液黴菌擅長解決「最短路徑」問題，例如找到編織迷宮以找到隱藏在其中的食物的最佳方法。以前它被稱為「史萊姆模具計算」，甚至比喻為基本智力，儘管這顯然帶有自己棘手的問題子集。對於粘液黴菌，世界是兩個領域的結合：引誘劑（它想要的東西）的梯度和驅蟲劑（它要避免的東西）的梯度，粘液模具僅遵循梯度。

黏菌背景，第一眼真的很像暗物質網絡

通過追蹤粘液黴菌算法是如何連接各個星系的，研究人員知道了在存檔觀測資料中尋找宇宙纖網長絲的位置。無論在模型中何時看到細絲，哈勃光譜都會顯示出氣體信號，並且該信號朝著細絲的中央變得更強，在此氣體應更緻密。這意味著研究人員不僅使用該算法有效地確定了宇宙網的螺紋應在哪裡，而且還可以實際找到它們。

現在，我們第一次可以量化從宇宙網絲的遙遠郊區到星系團團團的高溫密集內部的星系間介質的密度。這些結果不僅證實了由宇宙學模型預測的宇宙網的結構，而且還為我們提供了一種方法：通過將其與形成星系的儲氣層聯繫起來，可以增進我們對星系演化的理解。

有了第一次就會有更多新的「第一次」，誰能想到能從一個小小的黴菌身上看到對於理解星系演化的曙光。原本還想著利用自己的大腦去弄清楚宇宙網和暗物質網的結構，當正準備付諸實踐的時候才發現原來最好的研究方法藏在一個毫不起眼的黴菌身上。

這也反映出了一個問題，對於宇宙探索來說，人類不能忽略自己身邊的微小事物。它們與我們共存了這麼久，或許有一些存在的時間比人類存在時間還久，它們身上可能就蘊藏著宇宙中的某種秘密。「史萊姆黴菌」到暗物質網絡，折射出了人類對於宇宙探索的新思考：我們從來都別忽略身邊的微小事物，當你正在愁眉苦臉的為研究宇宙中某件事情而焦灼時，或許解決事情的方法就藏在你身邊的某個「小東西」身上。