​宇宙本身是一個生命嗎？

宇宙本身是一個生命嗎？根據現代天文學的觀察，人們越來越發現宇宙本身和生命體之間的相似性。道家一直以來就把人體看成一個小宇宙，那麼這個宇宙是否是一個大人體呢？據一些古籍記載，這個大人體名字叫做盤古。可以試想，我們地球不過是盤古身體中的一個粒子，銀河系則是他身體的一種組織結構。人腦意識之謎和宇宙之謎是當今兩大最難解的奧秘，或許它們原本就屬於一個問題，本文著重講解了人腦神經元和宇宙星系網絡之間的相似性。

原文標題：神經元和銀河網絡的奇怪相似性：原則上，您的生活記憶可以存儲在宇宙的結構中。

作者：佛朗哥·瓦扎（FRANCO VAZZA）和阿爾貝託·費萊蒂（ALBERTO FELETTI）FRANCESCO IZZO的照片拼貼2017年7月20日

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意識和人類大腦的領先研究者克裡斯託夫·科赫（Hristof Koch）將大腦稱為「已知宇宙中最複雜的物體」。不難看出為什麼這可能是真的。大腦擁有上千億個神經元和上萬億個連接，是一個令人頭暈的複雜對象。

但是宇宙中還有許多其他複雜的物體。例如，星系可以組成巨大的結構（稱為團簇，超團簇和細絲），這些結構可以延伸數億光年。這些結構與相鄰空間（稱為宇宙空隙）之間的邊界可能非常複雜。引力將這些邊界處的物質加速到每秒數千公裡的速度，從而在星系間氣體中產生衝擊波和湍流。我們已經預測到，空隙絲邊界是宇宙中最複雜的體積之一，用描述它所需要的信息位數來衡量。

這使我們開始思考：它比大腦還複雜嗎？

因此，我們作為天體物理學家和神經科學家，聯手定量地比較了星系網絡和神經元網絡的複雜性。我們的比較得出的第一個結果確實令人驚訝：不僅大腦和宇宙網的複雜性實際上相似，而且它們的結構也相似。宇宙在規模上相差十億億億的尺度上可能是自相似的。

比較大腦和星系團是一項艱巨的任務。一方面，它需要處理以截然不同的方式獲得的數據：一方面是望遠鏡和數值模擬，另一方面是電子顯微鏡，免疫組織化學和功能磁共振。

這還要求我們考慮極為不同的尺度：整個宇宙網-整個宇宙所有星系所追蹤的大規模結構-至少延伸了數百億光年。這比人腦大27個數量級。另外，這些星系之一是數十億實際大腦的故鄉。如果宇宙網至少與其組成部分一樣複雜，我們可能會天真地得出結論，它必須至少與大腦一樣複雜。

人腦中神經元的總數與可觀察到的宇宙中的星係數目處於同一水平。

但是出現的概念使比較成為可能。許多自然現象並非在所有尺度上都同樣複雜。僅當在最大範圍內對天空進行觀測時，宇宙網的雄偉網絡才變得明顯。在較小的尺度上，物質被鎖定在恆星，行星和（可能）暗物質雲中，這種結構就會丟失。不斷發展的銀河系並不關心原子內電子軌道的跳動，電子會繞其原子核移動，而與它們所處的銀河系無關。

這樣，宇宙包含嵌套在系統中的許多系統，而跨不同尺度幾乎沒有交互。這種規模隔離使我們能夠研究自然現象在其自然尺度下出現的物理現象。

宇宙網的組成部分是恆星，氣體和暗物質（其存在尚待確切證明）的自引暈暈。總體而言，可觀測宇宙中的星係數量應在1000億個數量級。時空結構的加速擴展和自重引力之間的平衡使該網絡具有類似於蜘蛛網的圖案。普通和暗物質凝結成線狀細絲，在細絲相交處形成星系團，剩下的大部分體積基本為空。最終的結構看起來模糊不清。

直到最近，文獻中尚無法直接估計人腦中細胞或神經元的數量。皮質灰質（佔腦質量的80％以上）包含約60億個神經元（佔腦神經元的19％）和近90億個非神經元細胞。小腦約有690億個神經元（佔大腦神經元的80.2％）和約160億個非神經元細胞。有趣的是，人腦中神經元的總數與可觀察到的宇宙中的星係數目處於同一水平。

眼睛立即抓住了宇宙網和大腦之間的某種相似之處。在圖1中，我們顯示了10億光年寬的切片中宇宙物質的模擬分布，以及穿過小腦的4微米（μm）厚切片的真實圖像。

明顯的相似性僅僅是人類傾向於在隨機數據中感知有意義的模式的趨勢嗎？足夠明顯的是，答案似乎是否定的：統計分析表明這些系統確實存在定量相似性。研究人員經常使用一種稱為功率譜分析的技術來研究星系的大規模分布。圖像的功率譜測量屬於特定空間尺度的結構波動的強度。換句話說，它告訴我們有多少個高頻和低頻音符構成了每個圖像的特殊空間旋律。

從圖2（下圖）的功率譜圖中可以看到一個驚人的信息：在兩個數量級上，兩個網絡中波動的相對分布非常相似。

小腦的波動分布在0.1-1 mm範圍內，讓人想起了數千億光年的星系分布。在顯微鏡觀察可用的最小尺度（約10 µm）上，皮質的形態與數十個光年尺度上的銀河系之一更匹配。

相比之下，其他複雜系統的功率譜（包括雲，樹枝，等離子和水湍流的投影圖像）與宇宙網的功率譜完全不同。這些其他系統的功率譜顯示出對比例的更嚴格的依賴性，這可能是其分形性質的體現。對於樹枝在樹上的分布和雲的圖案而言，這尤其令人震驚，這兩種都是眾所周知的分形系統，在各種尺度上具有自相似性。另一方面，對於宇宙網和人腦的複雜網絡，觀察到的行為不是分形的，這可以解釋為出現了與尺度有關的自組織結構。

儘管功率譜比較非常出色，但它並沒有告訴我們這兩個系統是否同樣複雜。估算網絡複雜度的一種實用方法是測量預測其行為的難度。這可以通過計算構建儘可能小的電腦程式（執行這種預測）所需的信息位數來量化。

我們當中的一位最近測量了根據模擬宇宙的數字演化預測宇宙網絡如何演化的難度。1此估計值表明，在其可自組織出現的規模（或至少是其模擬對應物）的規模上，描述整個可觀測宇宙的演化需要大約1至10 PB的數據。

估計人腦的複雜性要困難得多，因為對腦的全局模擬仍然是一個尚未滿足的挑戰。但是，我們可以說複雜性與智力和認知成正比。根據對大腦網絡連通性的最新分析，獨立研究得出的結論是，成人大腦的總存儲容量應約為2.5 PB，與宇宙網估計的1-10 PB範圍相距不遠！

粗略地說，這種存儲容量的相似性意味著，存儲在人腦中的整個信息主體（例如，一個人的整個生活經歷）也可以被編碼為我們宇宙中星系的分布。或者相反，具有人腦存儲能力的計算設備可以最大程度地再現宇宙顯示的複雜性。

這確實是一個了不起的事實，那就是宇宙網與人類大腦的相似之處遠大於與銀河內部的相似之處。或者說神經元網絡更像宇宙網，而不是神經元內部。儘管在底物，物理機制和大小上存在巨大差異，但在使用資訊理論工具進行研究時，人類神經網絡和星系的宇宙網卻極為相似。

這個事實是否告訴我們關於這兩個系統中出現現象的物理學的深刻認識？也許。但是，我們必須對這些發現持保留態度。我們的分析僅限於採用非常不同的測量技術採集的小樣本。

同樣，我們的分析並未指出這些系統之間的動態相似性。信息如何在兩個系統中跨空間尺度和時間流動的模型將是至關重要的測試。通過數值模擬，這對於宇宙網已經是可行的。對於人的大腦，我們必須依靠更多的全局估計，通常是從較小的部分中得出，然後將其向上擴展。在不久的將來，我們旨在在人類大腦的更複雜的數值模型中測試這些概念。

諸如旨在模擬整個人類神經元網絡的人類大腦計劃以及射電天文學史上最大的企業平方公裡陣列等程序將幫助我們填寫其中的一些細節，並了解宇宙是否比我們還要令人驚訝思想。

佛朗哥·瓦扎（Franco Vazza）是義大利博洛尼亞INAF射電天文研究所的2020年地平線瑪麗·居裡·斯洛道夫斯卡行動研究員。

Alberto Feletti是位於義大利摩德納Azienda Ospedaliero-Universitaria di Modena的NOCSAE醫院神經外科的成員。

我們非常感謝Elena Zunarelli博士（義大利摩德納Policlinico di Modena大學醫院解剖病理學部門）通過圖1的皮質和小腦產生切片。

參考文獻

1. Vazza，F.關於宇宙結構的複雜性和信息內容。皇家天文學會月報 465，4942-4955（2017）。