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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？

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“科學(xué)不僅是與精神相容 ，更是一個意義深遠(yuǎn)的精神來源 ，當(dāng)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(dāng)我們領(lǐng)悟到生命的復(fù)雜 ，美麗和微妙時 ，那種升華的感覺 ，那種興奮和謙卑的結(jié)合 ，無疑是精神上的”——卡爾·薩根《惡魔出沒的世界》。

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

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

直徑10微米 B.宇宙網(wǎng)

標(biāo)尺=31.25Mpc/h 即1.4*1024m

靈感來源于利馬（2009）

把大腦中的一個神經(jīng)元與星系團及其相連的絲狀物質(zhì)和暗物質(zhì)放在一起對比，相似之處顯而易見 ，言外之意 ，你的腦子里可能有整個宇宙 ，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 ，但實際上并不存在 。畢竟 ，考慮到兩者之間存在巨大的規(guī)模差異 ，就能想到他們怎么會有實際的相似之處呢。

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但是除了大腦中神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和宇宙中的星系網(wǎng)絡(luò)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(xué)的天體物理學(xué)家）和阿爾貝托·費雷蒂維羅納大學(xué)的神經(jīng)外科醫(yī)生）在《物理學(xué)前沿》上發(fā)表的發(fā)現(xiàn)：一個星系間的連接人腦實際上是宇宙中已知的最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一——它本身也是最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一。大腦有大約800億個神經(jīng)元——這些細(xì)胞處理來自感官的輸入 ，并通過神經(jīng)系統(tǒng)向你的身體發(fā)送信號。神經(jīng)元也是相互聯(lián)絡(luò)的 ，它們通過腦脊髓和樹突相互交流 神經(jīng)元之間大約有100萬億個連接 ，形成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) ，從而創(chuàng)造了你。

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你能分辨出哪一幅圖是大腦哪一幅圖是宇宙嗎？

據(jù)說“新月星云”NGC?6888在太空中像一個巨大的大腦。?

謝帕特里克CC?BY-SA?4.0宇宙也像是由網(wǎng)絡(luò)連接著的。雖然我們可能認(rèn)為宇宙是被大片空間隔開的物體，但情況并非完全如此。我們用科學(xué)設(shè)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(shù)千億到數(shù)萬億個星系。這些星系，像我們的銀河系一樣，聚集了數(shù)十億顆恒星，這些恒星也組成了星系團。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(shù)百萬光年的空間并不是空的，而是由普通物質(zhì)和暗物質(zhì)組成的連接絲構(gòu)成。這樣一來，宇宙可以被認(rèn)為是一個巨大的類似于大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的所有的星系團都相互連接的星系團網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)就被稱為宇宙網(wǎng)。

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(wǎng)絡(luò)漸漸形成。

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在神經(jīng)科學(xué)和天體物理學(xué)的合作下，尋找這兩個網(wǎng)絡(luò)可量化相似性的研究誕生了。Vazz和Feletti使用來自這兩個學(xué)科的技術(shù)和工具，研究了這兩個網(wǎng)絡(luò)，他們發(fā)現(xiàn)：除了視覺上的相似性之外，還有可量化的相似性。這些網(wǎng)絡(luò)具有可比性嗎?如果有，這意味著什么?

他們使用了4微米厚的人類皮層——大腦的外層，負(fù)責(zé)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)。由于兩者的大小相差27個數(shù)量級,大腦和宇宙的切片在厚度上是相對可比的。

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宇宙網(wǎng)和大腦樣本在4倍，10倍和40倍放大

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瓦茲和費雷蒂（2020）左：小腦切片，在電子顯微鏡下放大40倍

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E. Zunarelli醫(yī)生，摩德納大學(xué)醫(yī)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(jù)切片維度不同，結(jié)構(gòu)上的相似度并不總是很明顯。但是在40倍放大倍數(shù)下的腦組織，研究者開始發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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?，F(xiàn)在，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)中心度”，這種方法通過測量給定網(wǎng)絡(luò)的連接長度和聯(lián)系等級。某個神經(jīng)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(wǎng)長度小很多。為了客觀對比這兩種網(wǎng)絡(luò)的第二種方法是“雜波系數(shù)”，用來衡量到每個連接節(jié)點（神經(jīng)元或者星系群）的相鄰結(jié)構(gòu)的數(shù)量，并且在網(wǎng)絡(luò)中以隨機水平對比這些結(jié)構(gòu)。這種比較對比了兩個網(wǎng)絡(luò)中的組織性和隨機性。

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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(wǎng)絡(luò)示例的節(jié)點間重建連接的細(xì)節(jié)(藍(lán)色線條，疊加在密度對比圖上)。底部面板:各片的雜波系數(shù)和網(wǎng)絡(luò)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(shù)，瓦茲和費雷蒂發(fā)現(xiàn)了大腦和宇宙“顯著的”相似之處。他們還發(fā)現(xiàn)，與其他生物和物理結(jié)構(gòu)(包括樹的枝干，云的形成動力學(xué)或水的湍流)相比，這些網(wǎng)絡(luò)更像對方。這些其他生物和物理結(jié)構(gòu)分散在大自然中。分形模式是自我重復(fù)的，并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(chuàng)造的宇宙網(wǎng)看起來并不相似。同理，在不同維度下觀察，大腦也并不像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。就如何組織自身而言，維度本身可能對這些結(jié)構(gòu)的建造很重要。

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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(jié)他們的發(fā)現(xiàn)“暗示了一個事實，即盡管在空間緯度上存在巨大差異的兩個系統(tǒng)，但可以從完全不同的物理過程的相互作用中產(chǎn)生相似的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而引起相似水平程度的復(fù)雜性和自組織”。

??? 換句話說，像大腦和宇宙這樣的網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)，但也有可能是某種事物導(dǎo)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”是一個無論用什么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(xiàn)出來卻十分的不同。研究人員注意到，在大腦和宇宙網(wǎng)絡(luò)之間還具有兩個有趣的相似之處。

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??? 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(wǎng)絡(luò)73%是暗能量，水和暗能量并不屬于網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)如何形成相關(guān)。

??? 第二個吸引人的相似之處在于繪制仿真宇宙模型所要求的計算機數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)變得明顯的這一尺度上的演化需要1-10拍字節(jié) （1拍字節(jié)=1000太字節(jié)（TB））之間的數(shù)據(jù)量。據(jù)估計，人腦總體存儲容量大約是2.5拍字節(jié)。理論上，一個人可以存儲相當(dāng)一部分可觀測宇宙結(jié)構(gòu)……在他們的腦子里?；蛘?，甚至更令人嘆為觀止的是，理論上，宇宙網(wǎng)絡(luò)可以存儲人類一生的經(jīng)歷的數(shù)據(jù)。

??? 哈勃極端深空視場（XDF）影像展現(xiàn)了有史以來拍攝到的5500個最遙遠(yuǎn)的星系?！狽ASA / ESA

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宇宙網(wǎng)絡(luò)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(zhì)并不是均勻分布的。大腦中不同的部分有不同的用途，而宇宙的關(guān)鍵特征是：它在幾乎所有方向上具有均一性。大腦中神經(jīng)元之間可以傳遞感官信息，而宇宙中則有鏈接用來傳輸能量和物質(zhì)。Vazz和Feletti希望他們的研究能夠激勵人們，以促進算法的發(fā)展，從而發(fā)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的過程完全不同，有一種情況卻可以導(dǎo)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?，F(xiàn)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(lián)系的宇宙——宇宙中有宇宙，它們互相接觸，產(chǎn)生聯(lián)系。數(shù)十億個神經(jīng)元接觸著數(shù)十億顆星星——當(dāng)然了，是精神上的。

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相關(guān)知識

宇宙（拉丁語：universus）是所有空間和時間[a]及其中的內(nèi)容[10]，包括行星，恒星，星系以及所有其他形式的物質(zhì)和能量。盡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(shè)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(lián)系[11]，它本身包含所有時空及其內(nèi)容。[12]最早的宇宙學(xué)模型是由古希臘和印度哲學(xué)家開發(fā)的，他們都將地球作為宇宙的中心。[13]?[14]幾個世紀(jì)以來，天文觀測越來越精確，使得Nicolaus?Copernicus發(fā)展了日心說，即太陽才是太陽系的中心。Isaac?Newton在發(fā)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(chǔ)。

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參考

1，暗能量

暗能量是驅(qū)動宇宙運動的一種能量。它和暗物質(zhì)都不會吸收、反射或者輻射光，所以人類無法直接使用現(xiàn)有的技術(shù)進行觀測。人類對宇宙的研究表明：26.8%的宇宙總質(zhì)能是由暗物質(zhì)組成的，暗物質(zhì)就像膠水一樣把所有物質(zhì)連接在一起。新的一項研究發(fā)現(xiàn)，一部分暗物質(zhì)正在消失，而導(dǎo)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(zhì)，如果這一推論正確那這種現(xiàn)象將對宇宙的未來產(chǎn)生重大的影響。宇宙暗能量其基本特征是具有負(fù)壓，在宇宙空間中幾乎均勻分布或完全不結(jié)團。在WMAP數(shù)據(jù)顯示，暗能量在宇宙中占總物質(zhì)的不到70%。

a)宇宙年齡是137±2億年

b)哈勃常數(shù)是71±4公里/秒/Mpc

c)宇宙呈現(xiàn)以下結(jié)構(gòu)，宇宙總質(zhì)量(100%)≌重子+輕子(4.4%)+熱暗物質(zhì)(≤2%)+冷暗物質(zhì)(≈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于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占整個宇宙的約4%左右，其余約96%的物質(zhì)都是我們看不見、不了解的東西。）

d)“暗能量”將呈現(xiàn)一些前所未有的一些全新的性質(zhì)：物質(zhì)的狀態(tài)方程由P=Wρn所表示，(其中P是壓力，ρ是密度，W是某一常數(shù)，n是某一數(shù)值)，普通物質(zhì)W≥0，P≥0，ρ≥0，這就意味著物質(zhì)所產(chǎn)生的壓力表現(xiàn)為正數(shù)、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(fā)現(xiàn)的并以他的名字命名的集合，他發(fā)現(xiàn)整個宇宙以一種出人意料的方式構(gòu)成自相似的結(jié)構(gòu)。Mandelbrot 集合圖形的邊界處，具有無限復(fù)雜和精細(xì)的結(jié)構(gòu)。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(dāng)你放大某個區(qū)域，它的結(jié)構(gòu)就在變化，展現(xiàn)出新的結(jié)構(gòu)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(xù)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(tǒng)幾何學(xué)的挑戰(zhàn)。，這些藝術(shù)圖案人們稱之為"分形藝術(shù)"。

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(fā)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(yuǎn)鏡在原先的哈勃超級深空場（HUDF）基礎(chǔ)上，選取了10年研究發(fā)現(xiàn)的最深遠(yuǎn)的一塊中心區(qū)域拍攝的。XDF是我們已知的最深遠(yuǎn)的宇宙圖像，揭示了最遙遠(yuǎn)最黯淡的星系。

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作者：MATTHEW CIMONE

FY：Astronomical volunteer team

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