论文部分内容阅读
[摘 要]最近几年，随着生命科学技术的发展，科学家们发现如果把星系看作是大脑神经元，大脑中的网络与宇宙竟然有着极其相似的结构，那么这种模型是否能够成立呢？如果这种模型成立的话，它又会对我们探索宇宙有哪些帮助？
[关键词]神经元、神经网络、连结、星系、宇宙、自然科学、结构、复杂性
中图分类号：S974 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0277-01
人类研究自然科学以来，所知甚微而且道阻且长的两个研究方向：一个是浩如烟海的宇宙；另外一个就是精妙奇巧的人脑。这两种表面上看起来似乎毫无关联的两个物体，它们在微观尺度或者说在组成结构上是否有相似之处？
一、问题引入
在狭义的宇宙中——即地球大气层以外的空间和物质。这个庞大的物体据可靠观测已经膨胀了138.2亿年，其直径达到920亿光年或更大。据评估计算，可观测宇宙中的星系数目与人脑中的神经元总数大致相同。
近代宇宙理论认为，宇宙起源于一个奇点，奇点的大爆炸造就了我们现在所处的宇宙。宇宙现在仍在不断的加速膨胀中，时空的加速膨胀和其自身引力牵拉之间的平衡使得宇宙拥有了蜘蛛网般的形态。普通物质和暗物质凝成弦状的纤维，并在其交叉处形成星系团，余下的大部分空间则空空荡荡。最终形成的结构似乎与生物学有着若隐若现的关联。
二、问题的进一步讨论
*神经网络与宇宙发展过程有相似之处
有研究证明宇宙的成长过程和结构与大脑神经元的生成过程和结构几乎一模一样。如果将早期宇宙分成尽可能小的单元，其中时空的份额比亚原子的粒子还小。我们模拟将所有的节点联系在一个巨大的，具有因果关系的天体网络中。随着模拟的进行，宇宙中加入了越来越多的时空单元，星系中物质的“网络”连接由此也不断增长。这与大脑神经元网络的生长发育过程有一定相似之处。
*神经网络与宇宙星系复杂性上有相似之处
宇宙网络中的所有星系是一个至少延伸数百亿光年的庞大结构，比人脑的规模大了至少27个数量级。但是数量级的差异并没有对两者的复杂性造成很大影响，也就是说，两者的复杂性与其规模并不是成正比关系。根据对神经网络连接的最新分析，有结论显示：成人大脑的记忆存储总量在2.5PB左右，与预估宇宙所需的1-10PB非常接近。
大致看来，记忆容量上的相似意味着储存在人脑中的信息可以被编码为宇宙中的星系分布；反过来说，一个有人脑记忆容量的计算机也可以在最大尺度上再现这复杂的宇宙。
*神经元与宇宙星系结构有相似之处
宇宙可能与规模是其十亿亿分之一的物体具有自相似性。星体、气体和暗物质由于自身引力形成的光环是构建宇宙网络的砖瓦，普通物质和暗物质凝成弦状的纤维，并在其交叉处形成星系团，余下的大部分空间则空空荡荡。
但宇宙中还有无数其他复杂的研究对象。比如，星系可被分为很多不同规模的巨型结构，分别被称作“星系团”、“超星系团”和“纤维束”，延伸数亿光年之远。这些结构之间的边界及其周围被称作“空洞”的空间可能极其复杂。引力作用将这些边界上的物质加速到每秒数千公里，在星际气体中产生了骇人的冲击波和湍流。通过衡量描述它所需的信息位数的大小，我们已经预测到丝状结构与空洞的边界是宇宙中最复杂的空间之一。
三、对于进一步思考所得问题的讨论
*可开发神经元与有生命存在的星体之间有什么联系？
研究发现，人脑的大部分神经元都在处于一种休眠状态，人类所开发利用的大脑神经元应该不到大脑神经元总数的10%。实际上，虽然我们的大脑充斥着数以百亿计的脑细胞，但没有人告诉我们其中某一区域是无用的。人脑的大部分能量消耗主要用于数亿神经元之间相互联系时的快速放电。而正是这样的神经放电和联系产生了大脑高级功能，尽管任何时候大脑的所有区域都不会同时放电，但大脑大部分都是24小时持续活动的。
所以虽然有些神经元网络区域的活动没有那么活跃，但无论我们进行何种认知活动，认知系统的很多功能模块都必须协同工作才能完成任务，不活跃的区域对于活动的完成也是至关重要的，我们不能说没有被开发的神经元细胞没有用——或许它们属于一些“驱动程序”，就像我們在电子产品中所接触到的驱动程序一样，它们维系着整个系统的稳定运行。同样，我们绝对不能说不适宜人类或者生命居住的星体就是没用的，也许就是这么多不适宜人类居住的星体共同营造的环境，才保证了地球这颗适宜人类居住的星体的存在及稳定运行。
*“把宇宙看作是一个生物体”的说法合适吗？
如果要把宇宙看成某种细胞或者有生命的个体，仅仅从形式上去看一些表面的相似性其实是不适合的。一个合适的判别标准就是看这个宇宙到底是否可以发生自复制。自复制是生物的一个核心的特征。
一旦我们开始考虑宇宙的自复制，那么首先面对的第一个具有挑战性的问题就是：什么才是真正被自复制的东西。如果看生命，那么什么是真正被自复制的东西呢？是我们的血与肉，抑或是构成我们生命主体结构的糖、磷脂和蛋白质分子？答案都是否定的，这些只是形式，真正被复制的是生命的信息，所有这些构成生命的物质也都是被编码在基因的序列中。基因的自复制是一个比生命的自复制更基本的概念。
四、关于未来的深层想象
*神经元和宇宙的结构结构解析能否用分形理论来解释，这对于我们未来进行宇宙探索有没有什么帮助？
分形理论最显著的特点就是部分与整体以某种方式相似。如若以宇宙为一个庞大的总体，那么与其结构相似的神经元网状结构就可以看作是一个分形的微小分支。如果它们的确满足分形结构，那么我们的工作或许就会简单很多，从模型构建开始，我们就可以从基础的神经元入手，构建标准模型，这个模型可以在宇宙中共用，这么一来，我们就可以把宏观的物体转化成为可操作的微观物体。那么我们就可以把这个模型应用到宇宙的研究中
*通过建造人工神经网络可否实现人工制造宇宙？
其实从某种意义上来说，人类已经大致模拟出了神经元间的信息传递——即所谓的计算机系统，只是这种系统没有生命，如果我们可以按照神经元的标准模型搭建出一个模拟宇宙，或者设法将模拟宇宙融入到我们所处的宇宙中，那么或许我们可以自己搭建出一个适合人类居住的星球系统出来，只是这个人工宇宙的稳定性尚有待考究。
参考文献
[1] ALBERTOFELETTI，FRANCOVAZZA《脑壳里的宇宙：神经元与星系网络间惊人的相似性》.
[2] 《你的大脑和宇宙惊人地相似？》.
[3] 《科学家惊人发现：宇宙竟是大脑组成》.
[4] 知乎用户：yangscar《人脑的神经元是怎么处理信息的？》.
[5] 静闻景程《上帝把宇宙砸进了我们脑壳》.
[关键词]神经元、神经网络、连结、星系、宇宙、自然科学、结构、复杂性
中图分类号：S974 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）26-0277-01
人类研究自然科学以来，所知甚微而且道阻且长的两个研究方向：一个是浩如烟海的宇宙；另外一个就是精妙奇巧的人脑。这两种表面上看起来似乎毫无关联的两个物体，它们在微观尺度或者说在组成结构上是否有相似之处？
一、问题引入
在狭义的宇宙中——即地球大气层以外的空间和物质。这个庞大的物体据可靠观测已经膨胀了138.2亿年，其直径达到920亿光年或更大。据评估计算，可观测宇宙中的星系数目与人脑中的神经元总数大致相同。
近代宇宙理论认为，宇宙起源于一个奇点，奇点的大爆炸造就了我们现在所处的宇宙。宇宙现在仍在不断的加速膨胀中，时空的加速膨胀和其自身引力牵拉之间的平衡使得宇宙拥有了蜘蛛网般的形态。普通物质和暗物质凝成弦状的纤维，并在其交叉处形成星系团，余下的大部分空间则空空荡荡。最终形成的结构似乎与生物学有着若隐若现的关联。
二、问题的进一步讨论
*神经网络与宇宙发展过程有相似之处
有研究证明宇宙的成长过程和结构与大脑神经元的生成过程和结构几乎一模一样。如果将早期宇宙分成尽可能小的单元，其中时空的份额比亚原子的粒子还小。我们模拟将所有的节点联系在一个巨大的，具有因果关系的天体网络中。随着模拟的进行，宇宙中加入了越来越多的时空单元，星系中物质的“网络”连接由此也不断增长。这与大脑神经元网络的生长发育过程有一定相似之处。
*神经网络与宇宙星系复杂性上有相似之处
宇宙网络中的所有星系是一个至少延伸数百亿光年的庞大结构，比人脑的规模大了至少27个数量级。但是数量级的差异并没有对两者的复杂性造成很大影响，也就是说，两者的复杂性与其规模并不是成正比关系。根据对神经网络连接的最新分析，有结论显示：成人大脑的记忆存储总量在2.5PB左右，与预估宇宙所需的1-10PB非常接近。
大致看来，记忆容量上的相似意味着储存在人脑中的信息可以被编码为宇宙中的星系分布；反过来说，一个有人脑记忆容量的计算机也可以在最大尺度上再现这复杂的宇宙。
*神经元与宇宙星系结构有相似之处
宇宙可能与规模是其十亿亿分之一的物体具有自相似性。星体、气体和暗物质由于自身引力形成的光环是构建宇宙网络的砖瓦，普通物质和暗物质凝成弦状的纤维，并在其交叉处形成星系团，余下的大部分空间则空空荡荡。
但宇宙中还有无数其他复杂的研究对象。比如，星系可被分为很多不同规模的巨型结构，分别被称作“星系团”、“超星系团”和“纤维束”，延伸数亿光年之远。这些结构之间的边界及其周围被称作“空洞”的空间可能极其复杂。引力作用将这些边界上的物质加速到每秒数千公里，在星际气体中产生了骇人的冲击波和湍流。通过衡量描述它所需的信息位数的大小，我们已经预测到丝状结构与空洞的边界是宇宙中最复杂的空间之一。
三、对于进一步思考所得问题的讨论
*可开发神经元与有生命存在的星体之间有什么联系？
研究发现，人脑的大部分神经元都在处于一种休眠状态，人类所开发利用的大脑神经元应该不到大脑神经元总数的10%。实际上，虽然我们的大脑充斥着数以百亿计的脑细胞，但没有人告诉我们其中某一区域是无用的。人脑的大部分能量消耗主要用于数亿神经元之间相互联系时的快速放电。而正是这样的神经放电和联系产生了大脑高级功能，尽管任何时候大脑的所有区域都不会同时放电，但大脑大部分都是24小时持续活动的。
所以虽然有些神经元网络区域的活动没有那么活跃，但无论我们进行何种认知活动，认知系统的很多功能模块都必须协同工作才能完成任务，不活跃的区域对于活动的完成也是至关重要的，我们不能说没有被开发的神经元细胞没有用——或许它们属于一些“驱动程序”，就像我們在电子产品中所接触到的驱动程序一样，它们维系着整个系统的稳定运行。同样，我们绝对不能说不适宜人类或者生命居住的星体就是没用的，也许就是这么多不适宜人类居住的星体共同营造的环境，才保证了地球这颗适宜人类居住的星体的存在及稳定运行。
*“把宇宙看作是一个生物体”的说法合适吗？
如果要把宇宙看成某种细胞或者有生命的个体，仅仅从形式上去看一些表面的相似性其实是不适合的。一个合适的判别标准就是看这个宇宙到底是否可以发生自复制。自复制是生物的一个核心的特征。
一旦我们开始考虑宇宙的自复制，那么首先面对的第一个具有挑战性的问题就是：什么才是真正被自复制的东西。如果看生命，那么什么是真正被自复制的东西呢？是我们的血与肉，抑或是构成我们生命主体结构的糖、磷脂和蛋白质分子？答案都是否定的，这些只是形式，真正被复制的是生命的信息，所有这些构成生命的物质也都是被编码在基因的序列中。基因的自复制是一个比生命的自复制更基本的概念。
四、关于未来的深层想象
*神经元和宇宙的结构结构解析能否用分形理论来解释，这对于我们未来进行宇宙探索有没有什么帮助？
分形理论最显著的特点就是部分与整体以某种方式相似。如若以宇宙为一个庞大的总体，那么与其结构相似的神经元网状结构就可以看作是一个分形的微小分支。如果它们的确满足分形结构，那么我们的工作或许就会简单很多，从模型构建开始，我们就可以从基础的神经元入手，构建标准模型，这个模型可以在宇宙中共用，这么一来，我们就可以把宏观的物体转化成为可操作的微观物体。那么我们就可以把这个模型应用到宇宙的研究中
*通过建造人工神经网络可否实现人工制造宇宙？
其实从某种意义上来说，人类已经大致模拟出了神经元间的信息传递——即所谓的计算机系统，只是这种系统没有生命，如果我们可以按照神经元的标准模型搭建出一个模拟宇宙，或者设法将模拟宇宙融入到我们所处的宇宙中，那么或许我们可以自己搭建出一个适合人类居住的星球系统出来，只是这个人工宇宙的稳定性尚有待考究。
参考文献
[1] ALBERTOFELETTI，FRANCOVAZZA《脑壳里的宇宙：神经元与星系网络间惊人的相似性》.
[2] 《你的大脑和宇宙惊人地相似？》.
[3] 《科学家惊人发现：宇宙竟是大脑组成》.
[4] 知乎用户：yangscar《人脑的神经元是怎么处理信息的？》.
[5] 静闻景程《上帝把宇宙砸进了我们脑壳》.