本系列文章預(yù)計會有30個章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)講物理學(xué)系統(tǒng)本身，這里是第九季第5篇
--本文較長，預(yù)計閱讀10min--
Hello，大家好，這里是Masir的物理學(xué)第九季專欄，本篇我們繼續(xù)來談關(guān)于宇宙??學(xué)的腦洞。
接上一講！
上一講，我們了解了人類從觀測宇宙角度的方法和結(jié)果，且我們已經(jīng)知道了宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。也知道太陽是個普通的恒星，它不是孤單的，它跟幾千億顆恒星一起構(gòu)成了銀河系，而銀河系只是已知宇宙中幾千億個星系（galaxy）中的一個。
1
宇宙的形狀
銀河系的半徑有五萬多光年，但是這個尺度在宇宙學(xué)中是很小的！
星系也不是孤單的，它們會扎堆在一起，組成一個個星系團(tuán)（galaxy cluster）。下圖中就是一個星系團(tuán)，其中每個大光斑都是一個星系——
各個星系會沿著星系團(tuán)旋轉(zhuǎn)，但這個旋轉(zhuǎn)不是因為星系團(tuán)中心有黑洞，而是星系團(tuán)內(nèi)部所有星系和暗物質(zhì)共同的引力造成的（具體原理我們暫時無需了解）。
尺度這么大，引力較小所以不會把眾多星系拉攏到一個扁平的結(jié)構(gòu)上，所以星系團(tuán)是立體的。
而一個星系團(tuán)里可能有幾十到幾千個星系。
然后星系團(tuán)又可以組成超星系團(tuán)（Supercluster）。
簡單總結(jié)就是：星系→星系團(tuán)→超星系團(tuán)。
萬維鋼老師在這篇報道里參考一些文獻(xiàn)表示：如果你把恒星想象成一個家庭住址，那么星系就是小區(qū)，而星系團(tuán)就是小鎮(zhèn)，超星系團(tuán)就是大城市。
我們在宇宙中的位置差不多是：“室女超星系團(tuán)→本星系群→銀河星系→獵戶臂→太陽?！?/p>
這個地方還是很難找d，因為可觀測宇宙中光是超星系團(tuán)，就有大約1000萬個。
所以有時候想想宇宙的事兒會讓你心情舒暢很多，你會覺得自己一點(diǎn)也不孤單，而且這才是真正復(fù)雜麻煩的事，你平時工作遇到的那些事其實都不是事兒，嘿嘿。
那超星系團(tuán)又組成了什么東西，它們在宇宙中是怎么分布的呢？它們是不是也像星系組成星系團(tuán)一樣，在宇宙中各處隨意跟一些同類湊在一起，抱著團(tuán)旋轉(zhuǎn)呢？
答案當(dāng)然不是。
下面這張圖是以地球為中心，半徑5億光年范圍內(nèi)的星系分布情況，這是天文學(xué)家是1987年才看到這樣的結(jié)構(gòu)。
（圖片來自精英日課）
圖中每一個光點(diǎn)都是一個星系，每一片光點(diǎn)聚集區(qū)都是一個超星系團(tuán)，也就是圖中用青色字標(biāo)記的區(qū)域。
我們看到超星系團(tuán)的分布并不是均勻的，它們中間有巨大的空洞。這可能讓你想起從夜空看地球表面，每一處光點(diǎn)都是一個小區(qū)，連成片的光點(diǎn)就是一個超大城市，它們的背景則是廣闊的原野。
你會發(fā)現(xiàn)一個很有意思的現(xiàn)象——各個超星系團(tuán)不是彼此孤立的，它們被一些星系組成的長長的、走廊一樣的結(jié)構(gòu)聯(lián)系在了一起，形成了一個網(wǎng)絡(luò)。那些走廊一樣的結(jié)構(gòu)叫做星系纖維狀結(jié)構(gòu)（Galaxy filament），有時候它們又扁又寬，也可以叫做長城（Great Wall）。
如果你把超星系團(tuán)想象成大城市，那些纖維狀結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于是城市之間的高速公路。星系可以沿著這些高速公路從小鎮(zhèn)走進(jìn)大城市 。我必須提醒你一下，這里是比較大的尺度，每條高速公路都有上億光年那么長。
In other words, “Maybe a filament is like a long stretch of highway without a lot of gas stations.”
（圖片來自精英日課）
這些超星系團(tuán)和纖維狀結(jié)構(gòu)共同組成了「超星系團(tuán)復(fù)合體（Supercluster Complex）」。無數(shù)個這樣的復(fù)合體通過纖維結(jié)構(gòu)彼此連接在一起，這才是整個宇宙的基本結(jié)構(gòu)。
剛才那些圖片的尺度還是不夠大。要找到感覺，你應(yīng)該看看下面這張圖 —
（圖片來自精英日課）
圖中每個特別亮的區(qū)域都是一個超星系團(tuán)，每一條絲線都是由星系組成的纖維，每一個光像素都是一個星系。
我們平時仰望星空看到的是滿天星斗，那只不過是因為我們看得不夠深廣。圖中那條白色線段的長度大約是四五億光年，而可觀測宇宙的半徑是465億光年。
這是腦神經(jīng)系統(tǒng)。
2
宇宙與大腦
我們大腦的神經(jīng)元細(xì)胞，不也是這樣嗎？
中間有個大的細(xì)胞核相當(dāng)于超星系團(tuán)，往外有一根長長的纖維，也就是軸突，然后還會發(fā)散出去很多小纖維，也就是樹突和突觸——
（圖片來自精英日課）
腦神經(jīng)元之間的連接，也像極了超星系團(tuán)復(fù)合體。
（圖片來自精英日課）
左邊是神經(jīng)元，右邊是宇宙纖維結(jié)構(gòu)
（圖片來自精英日課）
左邊是神經(jīng)元，右邊是宇宙纖維結(jié)構(gòu)
尤其下面這張，左邊是電子顯微鏡下大腦中小腦部分的一個切片，右邊是宇宙結(jié)構(gòu) ——
（圖片來自精英日課）
確實很像！
這就是為什么有人相信整個宇宙就是一個大腦??。
我最初看到這些圖的時候，認(rèn)為這種相似性純屬巧合。開什么玩笑，這里面的機(jī)制完全不同好不好！腦神經(jīng)元傳遞的是電信號，宇宙星系是靠引力連接起來的。
再者，我們前面講了，一根纖維的長度都有上億光年。
如果連光都要走幾億年才能從一個神經(jīng)元走到另一個神經(jīng)元，而宇宙的年齡也才137億年，請問你這個宇宙大腦的各個部分如何協(xié)調(diào)，整個大腦如何思考？
這種類比就如同人們能在火星地形上看到人臉一樣，純屬在沒有規(guī)律的地方發(fā)現(xiàn)規(guī)律。
但是，萬維鋼老師說：沒想到的是，最近幾年的新發(fā)現(xiàn)，讓事情變得嚴(yán)肅了起來！
2017年，天體物理學(xué)家佛朗哥·瓦扎（Franco Vazza）和神經(jīng)外科醫(yī)生阿爾貝托·費(fèi)萊蒂（Alberto Feletti）嚴(yán)肅地研究了一下大腦和宇宙的類比。
他們把宇宙的纖維網(wǎng)和大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都視為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，既然是網(wǎng)絡(luò)就可以計算其中從小尺度波動到大尺度結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)計關(guān)系。
他們把宇宙網(wǎng)、神經(jīng)網(wǎng)和云、樹枝、等離子體和水的湍流網(wǎng)絡(luò)做了對比，發(fā)現(xiàn)這幾個網(wǎng)絡(luò)中跟宇宙網(wǎng)最像的，恰恰正是腦神經(jīng)網(wǎng)——
（圖片來自精英日課）
這就不僅僅是看起來像了，而是在各個尺度上的結(jié)構(gòu)關(guān)系都直接很像。
你把這幾個網(wǎng)絡(luò)都想象成分形結(jié)構(gòu)，那么宇宙網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)的分形方式是最像的。
2022年，兩人又發(fā)表一篇論文，發(fā)現(xiàn)宇宙網(wǎng)和神經(jīng)網(wǎng)另外兩個相似之處 ——
* 神經(jīng)元的核的半徑比連接軸突和樹突的長度小得多，而超星系團(tuán)的半徑也比連接纖維的長度小得多；
* 神經(jīng)元的聚類系數(shù)（clustering coefficient），也就是作為節(jié)點(diǎn)上的連接情況，也跟超星系團(tuán)很像；
簡單說，1毫米尺度上的大腦樣本，很像是3億光年尺度上的宇宙。
但是這也只是像而已！
也許只是個特別巧的巧合，也許神經(jīng)元和超星系團(tuán)雖然物理機(jī)制完全不同，但是在數(shù)學(xué)上，有某種內(nèi)在的相似性，只是有待解釋而已。
所以宇宙真的很像大腦！
但是剛才說的那個限制你繞不過去，在這么大的尺度上，宇宙根本無法思考。
可是有一位女物理學(xué)家對此很不甘心，她可能覺得這么巧一定有問題。她提出了一個大膽的猜測。
畢竟你知道，量子糾纏，就是一種瞬間的、非定域性的協(xié)調(diào)，是鬼魅般的超距作用?；羯M(fèi)爾德說，有沒有一種可能，宇宙的各個神經(jīng)元是通過量子糾纏協(xié)調(diào)的呢？
在一篇給《時代周刊》寫的文章中，霍森費(fèi)爾德說她跟她的同事們討論了很多，包括有沒有可能宇宙各處存在很多轉(zhuǎn)瞬即逝的蟲洞或者別的什么非定域性的連接窗口，形成隱藏的連接，讓宇宙大腦能夠思考。
霍森費(fèi)爾德說這些協(xié)調(diào)都是純猜測，沒有任何證據(jù)。
不過最近有個神經(jīng)科學(xué)家，叫鮑比·阿扎里安（Bobby Azarian），寫文章 說了一個可能的證據(jù)，重點(diǎn)是有人發(fā)現(xiàn)距離很遙遠(yuǎn)、看似不應(yīng)該有協(xié)調(diào)的某些事物之間，具有某種奇怪的一致性。
奇怪的是，臨近的類星體的旋轉(zhuǎn)軸，居然是彼此對齊的！你看圖中那些白色的短線，幾乎都恰好跟所在大尺度纖維結(jié)構(gòu)呈平行關(guān)系。
這是為啥呢？距離那么遠(yuǎn)，這是怎么協(xié)調(diào)出來的呢？
難道說星系纖維真的能傳遞某種比光速更快的信息嗎？
當(dāng)然這還只是一個謎，我們需要更多的證據(jù)。
為什么宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)如此地像人腦呢？
也許這是因為它們都是某種演化的結(jié)果，也許超星系團(tuán)和腦神經(jīng)元都有某種自組織能力。也許“宇宙會思考”這個猜想只有娛樂和談資價值。
但也許，它通往 something bigger……宇宙會有意識嗎？它也有個使命嗎……
不論如何，現(xiàn)在你知道了有這么個事情。
一百年前的二十世紀(jì)二十年代，物理學(xué)真是風(fēng)起云涌，人的觀念不斷更新。
現(xiàn)在我們又到了二十年代，如果我們這一代人也能見證幾個顛覆性的發(fā)現(xiàn)，那真是三生有幸。
總結(jié)：
今天這兩篇內(nèi)容主要給大家講述了關(guān)于宇宙??與大腦??之間的相似，第一篇主要做個簡單的普及，而第二篇我?guī)缀跻匀f老師的原文給大家分享出來最新的研究發(fā)現(xiàn)。
當(dāng)然，這也是我們公眾號最有趣最出眾地方！嘿嘿，物理科學(xué)就是這么有趣——要不然就是證明有誤而成為歷史的教訓(xùn)，要不然就是成功的預(yù)言而成為永恒的佳話。
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