宇宙等于“巨大的人脑”?星系到底有多复杂?

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人类大脑和宇宙星系哪个更复杂?

有句名言称大脑为“已知宇宙中最复杂的物体”,这句话并不是危言耸听,你知道吗?大脑有1000亿个神经元和100万亿个连接,数量极其庞大,是一个非常复杂的物体。然而宇宙的复杂并不比人脑差多少,例如,星系可以聚集成巨大的结构(称为星系团、超星系团和丝状体),这些结构可以伸展数亿光年。这些结构和邻近的被称为宇宙空洞的空白地带之间的边界可能非常复杂。因此,我们时常会联想:宇宙是不是一个巨大的人脑?星系到底有多复杂?

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根据我们目前所知,宇宙间的引力将宇宙目前边界处的物质加速到每秒数千公里,在星系间气体中产生冲击波和湍流。我们已经预言了空泡细丝边界是宇宙中最复杂的体积之一,这不仅让我们思考:它比大脑更复杂吗?

其实当你对比了星系网络和神经元网络的复杂性之后,确实会惊讶的发现:不仅大脑和宇宙网络的复杂性实际上是相似的,而且它们的结构也是相似的。比较大脑和星系团是一项困难的任务。一方面,它需要处理以截然不同的方式获得的数据:一方面是望远镜和数值模拟,另一方面是电子显微镜、免疫组织化学和功能磁共振。

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它还要求我们考虑巨大不同的尺度:整个宇宙网——由宇宙所有星系追踪到的大尺度结构——至少延伸到几百亿光年。这比人脑大27个数量级。另外,其中一个星系是数十亿个实际大脑的家园。如果宇宙网至少和它的任何组成部分一样复杂,我们可能天真地得出结论:它至少和大脑一样复杂,人类大脑中神经元的总数与可观测宇宙中星系的数量相当。

但是许多自然现象并非在所有尺度上都同样复杂,宏伟的宇宙网网络只有在对天空进行最大范围的观测时才变得明显。在更小的尺度上,随着物质被锁定在恒星、行星和(可能)暗物质云中,这种结构就消失了。这样,宇宙包含了许多嵌套在系统中的系统,在不同的尺度上几乎没有交互作用。这种尺度分离使我们能够研究物理现象,因为它们以它们自己的自然尺度出现。因此我们可以将两者分开解释,宇宙网和神经网的构成。

宇宙网

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宇宙网的组成部分是恒星、气体和暗物质的自引力晕(它们的存在尚待明确证明)。总的来说,可观测宇宙中的星系数量应该在1000亿左右。时空结构的加速膨胀和自身引力的拉动之间的平衡使这个网络呈现出蜘蛛网般的模式。普通物质和暗物质凝结成弦状细丝,星系团在灯丝交叉处形成,剩下的大部分基本上是空的,生物结构看起来模糊不清。

神经网

直到最近,文献中还没有对人脑细胞或神经元数量的直接估计。皮质灰质(占脑质量的80%以上)含有约60亿个神经元(占脑神经元的19%)和近90亿个非神经元细胞。小脑有大约690亿个神经元(占大脑神经元的80.2%)和大约160亿个非神经元细胞。

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因此有趣的是,人类大脑中神经元的总数与可观测宇宙中星系的数量相当。而且通过研究发现,小脑在0.1-1毫米尺度上的起伏分布和几千亿光年的星系分布如出一辙。在可用于显微镜观察的最小尺度(约10µm)下,皮质的形态与几十万光年尺度上的星系更为接近。

为了进一步比较宇宙网和人类大脑神经网,我们可以测量基于模拟宇宙的数字进化来预测宇宙网络如何演化的难度。事实上这一估计表明,大约需要1到10兆字节的数据来描述整个可观测宇宙在其自组织出现的规模的演化。而估计人脑的复杂性要困难得多,因为对大脑的整体模拟仍然是一个巨大的挑战。然而,我们可以说复杂性与智力和认知能力成正比。根据对大脑网络连通性的最新分析,独立研究得出结论,成人大脑的总记忆容量应该在2.5 PB左右,距离宇宙网估计的1-10 PB范围不远!

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粗略地说,这种记忆能力上的相似性意味着储存在人脑中的整个信息体(例如,一个人的整个生命体验)也可以编码到我们宇宙中星系的分布中。或者,反过来说,一个具有人脑记忆能力的计算设备可以在宇宙最大尺度上再现宇宙所显示的复杂性。

这确实是一个显著的事实:宇宙网更像人脑,而不是星系内部;或者说,神经元网络更像宇宙网,而不是神经元体的内部。尽管在基底、物理机制和大小上存在着巨大的差异,但用信息论的工具来考虑人类的神经网络和宇宙星系网却惊人地相似,这不得不令人感慨宇宙中的巧合。

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