腦洞大開,宇宙與大腦竟然有很多相似之處

這兩張圖片中一個是大腦，另外一個是宇宙，你能告訴我分別是那個嗎？

「科學不僅是與精神相容 ，更是一個意義深遠的精神來源 ，當我們意識到自己所處在浩瀚的光年和歲月流逝中的位置時 ，當我們領悟到生命的複雜 ，美麗和微妙時 ，那種升華的感覺 ，那種興奮和謙卑的結合 ，無疑是精神上的」——卡爾·薩根《惡魔出沒的世界》。

當我了解宇宙時 ，當我更好地理解我與更廣闊的萬物的聯繫時 ，我感覺到了這種精神 ，就像當我第一次知道我是由星辰灰燼組成時——我體內所存在的原子通過超新星擴散到永恆的以太中。

另一次感受到這種精神是當我第一次看到這張圖片時：鑲嵌在老鼠海馬神經元的突觸連接（黃色）麗莎·布朗格註明使用 綠色的中央細胞是什麼？

直徑10微米 B.宇宙網

標尺=31.25Mpc/h 即1.4*1024m

靈感來源於利馬（2009）

把大腦中的一個神經元與星系團及其相連的絲狀物質和暗物質放在一起對比，相似之處顯而易見 ，言外之意 ，你的腦子裡可能有整個宇宙 ，但是這些圖像之間的相似性可能僅僅只是一種不存在的錯覺——感覺相似 ，但實際上並不存在 。畢竟 ，考慮到兩者之間存在巨大的規模差異 ，就能想到他們怎麼會有實際的相似之處呢。

但是除了大腦中神經元網絡和宇宙中的星系網絡之間的視覺相似性 ，有沒有一種客觀的測量方法可以比較它們到底有多相似呢？下面是弗朗哥·瓦扎（博洛尼亞大學的天體物理學家）和阿爾貝託·費雷蒂維羅納大學的神經外科醫生）在《物理學前沿》上發表的發現：一個星系間的連接人腦實際上是宇宙中已知的最複雜的結構之一——它本身也是最複雜的結構之一。大腦有大約800億個神經元——這些細胞處理來自感官的輸入 ，並通過神經系統向你的身體發送信號。神經元也是相互聯絡的 ，它們通過腦脊髓和樹突相互交流 神經元之間大約有100萬億個連接 ，形成了神經網絡 ，從而創造了你。

你能分辨出哪一幅圖是大腦哪一幅圖是宇宙嗎？

據說「新月星雲」NGC 6888在太空中像一個巨大的大腦。

謝派屈克CC BY-SA 4.0宇宙也像是由網絡連接著的。雖然我們可能認為宇宙是被大片空間隔開的物體，但情況並非完全如此。我們用科學設備看到的宇宙被稱為「可觀測宇宙」，它的直徑約為900億光年，它包含著數千億到數萬億個星系。這些星系，像我們的銀河系一樣，聚集了數十億顆恆星，這些恆星也組成了星系團。我們的銀河系是「本星系群」的一部分，「本星系群」包括鄰近的仙女座星系和三角座星系以及其他50個星系。這些星系是室女座超星系團的一部分。星系群和星團之間綿延數百萬光年的空間並不是空的，而是由普通物質和暗物質組成的連接絲構成。這樣一來，宇宙可以被認為是一個巨大的類似於大腦中的神經網絡的所有的星系團都相互連接的星系團網絡。這個網絡就被稱為宇宙網。

從時間的開始到一個宇宙中存在著另一個宇宙，模擬宇宙網絡漸漸形成。

在神經科學和天體物理學的合作下，尋找這兩個網絡可量化相似性的研究誕生了。Vazz和Feletti使用來自這兩個學科的技術和工具，研究了這兩個網絡，他們發現：除了視覺上的相似性之外，還有可量化的相似性。這些網絡具有可比性嗎?如果有，這意味著什麼?

他們使用了4微米厚的人類皮層——大腦的外層，負責處理語言、感覺信息、思維、記憶和意識和從計算機模擬的100萬立方百萬秒差距的空間中截取的宇宙厚「切片」，「切片」與大腦外層相比較有2500百萬差距(1秒差距=約3.26光年)。由於兩者的大小相差27個數量級,大腦和宇宙的切片在厚度上是相對可比的。

宇宙網和大腦樣本在4倍，10倍和40倍放大

瓦茲和費雷蒂（2020）左：小腦切片，在電子顯微鏡下放大40倍

E. Zunarelli醫生，摩德納大學醫院（右）：宇宙模擬的一部分，每邊延展3億光年。（Vazza et al. 2019 A&A）

根據切片維度不同，結構上的相似度並不總是很明顯。但是在40倍放大倍數下的腦組織，研究者開始發現結構上的相似性。40倍放大代表著大腦中0.01-1.6mm大小和宇宙中1-100百萬秒差距。現在，神經網絡表現出與星系簇的相似性。更進一步來說，這種相似性可以通過兩種工具客觀地測量和比較。第一種是「網絡中心度」，這種方法通過測量給定網絡的連接長度和聯繫等級。某個神經的核心或者中心的半徑比軸突和樹突的長度小很多。類似的，星系群的半徑比連接網長度小很多。為了客觀對比這兩種網絡的第二種方法是「雜波係數」，用來衡量到每個連接節點（神經元或者星系群）的相鄰結構的數量，並且在網絡中以隨機水平對比這些結構。這種比較對比了兩個網絡中的組織性和隨機性。

瓦茲和費雷蒂（2020) Figure 3: 「頂板：頂部面板:放大我們示例中的三個網絡示例的節點間重建連接的細節(藍色線條，疊加在密度對比圖上)。底部面板:各片的雜波係數和網絡中心分布」

「這個宇宙有多大」– 弗雷澤凱恩

今日宇宙運用這些維度的技術，瓦茲和費雷蒂發現了大腦和宇宙「顯著的」相似之處。他們還發現，與其他生物和物理結構(包括樹的枝幹，雲的形成動力學或水的湍流)相比，這些網絡更像對方。這些其他生物和物理結構分散在大自然中。分形模式是自我重複的，並且無論你觀察它們的維度如何，它們看起來都是一樣的。相比之下，宇宙在小維度和大維度下看起來完全不同。星系和太陽系和它們所創造的宇宙網看起來並不相似。同理，在不同維度下觀察，大腦也並不像神經網絡。就如何組織自身而言，維度本身可能對這些結構的建造很重要。

這些圖片中一個是大腦一個是宇宙，你能告訴我分別是哪一個嗎？

研究人員總結他們的發現「暗示了一個事實，即儘管在空間緯度上存在巨大差異的兩個系統，但可以從完全不同的物理過程的相互作用中產生相似的網絡結構，從而引起相似水平程度的複雜性和自組織」。

換句話說，像大腦和宇宙這樣的網絡可能共有相似但在大小上完全不同且由不同過程形成（重力vs生物）的結構，但也有可能是某種事物導致了他們以相似的方式進化與成長。

這種「曼德爾布羅特變焦」是一個無論用什麼尺度觀察看起來都是相似的分形圖案，它不像大腦和宇宙那樣在不同尺度上呈現出來卻十分的不同。研究人員注意到，在大腦和宇宙網絡之間還具有兩個有趣的相似之處。

第一個是他們的組成成分比率。大腦77%是水，而類似的，宇宙網絡73%是暗能量，水和暗能量並不屬於網絡本身的一部分，而是被視為被動式材料和被動式能源。被動式材料與能源的存在和比率可能與這些網絡如何形成相關。

第二個吸引人的相似之處在於繪製仿真宇宙模型所要求的計算機數據量與理論上人類大腦記憶存儲極限量不相上下。模擬可觀測宇宙在宇宙網絡變得明顯的這一尺度上的演化需要1-10拍字節 （1拍字節=1000太字節（TB））之間的數據量。據估計，人腦總體存儲容量大約是2.5拍字節。理論上，一個人可以存儲相當一部分可觀測宇宙結構……在他們的腦子裡。或者，甚至更令人嘆為觀止的是，理論上，宇宙網絡可以存儲人類一生的經歷的數據。

哈勃極端深空視場（XDF）影像展現了有史以來拍攝到的5500個最遙遠的星系。——NASA / ESA

宇宙網絡和大腦之間既有相似又有不同。我們在研究大腦時使用的樣本是大腦皮層，但是整個大腦的物質並不是均勻分布的。大腦中不同的部分有不同的用途，而宇宙的關鍵特徵是：它在幾乎所有方向上具有均一性。大腦中神經元之間可以傳遞感官信息，而宇宙中則有連結用來傳輸能量和物質。Vazz和Feletti希望他們的研究能夠激勵人們，以促進算法的發展，從而發現大腦與宇宙之間的更多相似之處。也許將來我們可以了解到，即使兩個網絡產生的過程完全不同，有一種情況卻可以導致它們變得相似。

我們聽說Carl Sagan介紹過我們的身體是如何由星星組成的。現在我們開始理解，我們的大腦也可能像我們的身體一樣。在你的腦海中，有一個充滿緊密聯繫的宇宙——宇宙中有宇宙，它們互相接觸，產生聯繫。數十億個神經元接觸著數十億顆星星——當然了，是精神上的。

相關知識

宇宙（拉丁語：universus）是所有空間和時間[a]及其中的內容[10]，包括行星，恆星，星系以及所有其他形式的物質和能量。儘管整個宇宙的大小是未知的[3]，但宇宙的大小是可觀測的，目前估計其直徑為930億光年。在平行宇宙假設中，我們生活的宇宙是平行宇宙中的一個，它與其他宇宙沒有任何因果聯繫[11]，它本身包含所有時空及其內容。[12]最早的宇宙學模型是由古希臘和印度哲學家開發的，他們都將地球作為宇宙的中心。[13] [14]幾個世紀以來，天文觀測越來越精確，使得Nicolaus Copernicus發展了日心說，即太陽才是太陽系的中心。Isaac Newton在發展萬有引力定律時，以Copernicus的著作，Johannes Kepler的行星運動定律和Tycho Brahe的觀測為基礎。

參考

1，暗能量

暗能量是驅動宇宙運動的一種能量。它和暗物質都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現有的技術進行觀測。人類對宇宙的研究表明：26.8%的宇宙總質能是由暗物質組成的，暗物質就像膠水一樣把所有物質連接在一起。新的一項研究發現，一部分暗物質正在消失，而導致他們消失的原因則是暗能量。暗能量很有可能在消耗著暗物質，如果這一推論正確那這種現象將對宇宙的未來產生重大的影響。宇宙暗能量其基本特徵是具有負壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結團。在WMAP數據顯示，暗能量在宇宙中佔總物質的不到70%。

a)宇宙年齡是137±2億年

b)哈勃常數是71±4公裡/秒/Mpc

c)宇宙呈現以下結構，宇宙總質量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(≤2%)+冷暗物質(≈20%)+暗能量(不到70%)，而總密度Ω0=1.02±0.02，亦即恰好差不多等同於平直空間所要求的臨界密度。（這個公式的意思是，在整個宇宙中我們所看到的星系只佔整個宇宙的約4%左右，其餘約96%的物質都是我們看不見、不了解的東西。）

d)「暗能量」將呈現一些前所未有的一些全新的性質：物質的狀態方程由P=Wρn所表示，(其中P是壓力，ρ是密度，W是某一常數，n是某一數值)，普通物質W≥0，P≥0，ρ≥0，這就意味著物質所產生的壓力表現為正數、正值。

2，Mandelbrot集合局部放大

Mandelbrot研究中最精彩的部分是1980年他發現的並以他的名字命名的集合，他發現整個宇宙以一種出人意料的方式構成自相似的結構。Mandelbrot 集合圖形的邊界處，具有無限複雜和精細的結構。如果計算機的精度是不受限制的話，您可以無限地放大她的邊界。當你放大某個區域，它的結構就在變化，展現出新的結構元素。這正如前面提到的"蜿蜒曲折的一段海岸線"，無論您怎樣放大它的局部，它總是曲折而不光滑，即連續不可微。微積分中抽象出來的光滑曲線在我們的生活中是不存在的。所以說，Mandelbrot集合是向傳統幾何學的挑戰。，這些藝術圖案人們稱之為"分形藝術"。

3，哈勃極端深場

全稱「哈勃極端深空視場」，縮寫XDF,又稱」哈勃極深場「。2012年9月25日，NASA發布了一張哈勃拍攝的宇宙深處影像即哈勃極端深空場（縮寫XDF）。這是美國宇航局（NASA）和歐洲空間局（ESA）合作的哈勃太空望遠鏡在原先的哈勃超級深空場（HUDF）基礎上，選取了10年研究發現的最深遠的一塊中心區域拍攝的。XDF是我們已知的最深遠的宇宙圖像，揭示了最遙遠最黯淡的星系。

作者：MATTHEW CIMONE

FY：Astronomical volunteer team

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