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本系列文章预计会有30个章节，这套文献将系统讲物理学系统本身，这里是第九季第5篇 --本文较长，预计阅读10min-- Hello，大家好，这里是Masir的物理学第九季专栏，本篇我们继续来谈关于宇宙🌌学的脑洞。 接上一讲！ 上一讲，我们了解了人类从观测宇宙角度的方法和结果，且我们已经知道了宇宙的大尺度结构。也知道太阳是个普通的恒星，它不是孤单的，它跟几千亿颗恒星一起构成了银河系，而银河系只是已知宇宙中几千亿个星系（galaxy）中的一个。 银河系的半径有五万多光年，但是这个尺度在宇宙学中是很小的！ 星系也不是孤单的，它们会扎堆在一起，组成一个个星系团（galaxy cluster）。下图中就是一个星系团，其中每个大光斑都是一个星系—— 
各个星系会沿着星系团旋转，但这个旋转不是因为星系团中心有黑洞，而是星系团内部所有星系和暗物质共同的引力造成的（具体原理我们暂时无需了解）。 尺度这么大，引力较小所以不会把众多星系拉拢到一个扁平的结构上，所以星系团是立体的。 而一个星系团里可能有几十到几千个星系。 然后星系团又可以组成超星系团（Supercluster）。 简单总结就是：星系→星系团→超星系团。 万维钢老师在这篇报道里参考一些文献表示：如果你把恒星想象成一个家庭住址，那么星系就是小区，而星系团就是小镇，超星系团就是大城市。 我们在宇宙中的位置差不多是：“室女超星系团→本星系群→银河星系→猎户臂→太阳。” 这个地方还是很难找d，因为可观测宇宙中光是超星系团，就有大约1000万个。 所以有时候想想宇宙的事儿会让你心情舒畅很多，你会觉得自己一点也不孤单，而且这才是真正复杂麻烦的事，你平时工作遇到的那些事其实都不是事儿，嘿嘿。 那超星系团又组成了什么东西，它们在宇宙中是怎么分布的呢？它们是不是也像星系组成星系团一样，在宇宙中各处随意跟一些同类凑在一起，抱着团旋转呢？ 答案当然不是。 下面这张图是以地球为中心，半径5亿光年范围内的星系分布情况，这是天文学家是1987年才看到这样的结构。 
（图片来自精英日课） 图中每一个光点都是一个星系，每一片光点聚集区都是一个超星系团，也就是图中用青色字标记的区域。 我们看到超星系团的分布并不是均匀的，它们中间有巨大的空洞。这可能让你想起从夜空看地球表面，每一处光点都是一个小区，连成片的光点就是一个超大城市，它们的背景则是广阔的原野。 你会发现一个很有意思的现象——各个超星系团不是彼此孤立的，它们被一些星系组成的长长的、走廊一样的结构联系在了一起，形成了一个网络。那些走廊一样的结构叫做星系纤维状结构（Galaxy filament），有时候它们又扁又宽，也可以叫做长城（Great Wall）。 如果你把超星系团想象成大城市，那些纤维状结构就相当于是城市之间的高速公路。星系可以沿着这些高速公路从小镇走进大城市 。我必须提醒你一下，这里是比较大的尺度，每条高速公路都有上亿光年那么长。 
In other words, “Maybe a filament is like a long stretch of highway without a lot of gas stations.” 
（图片来自精英日课）
这些超星系团和纤维状结构共同组成了「超星系团复合体（Supercluster Complex）」。无数个这样的复合体通过纤维结构彼此连接在一起，这才是整个宇宙的基本结构。 刚才那些图片的尺度还是不够大。要找到感觉，你应该看看下面这张图 — 
（图片来自精英日课） 图中每个特别亮的区域都是一个超星系团，每一条丝线都是由星系组成的纤维，每一个光像素都是一个星系。 我们平时仰望星空看到的是满天星斗，那只不过是因为我们看得不够深广。图中那条白色线段的长度大约是四五亿光年，而可观测宇宙的半径是465亿光年。 所以整个宇宙就如同一大团棉絮，棉絮中间有很多个高密度的区域，像是棉花籽，棉花籽之间以细细的丝线连接，棉花籽和丝线之外则非常空旷。“棉絮”是个缺乏想象力的比喻。在有识之士看来，这不是棉絮。这是脑神经系统。 我们大脑的神经元细胞，不也是这样吗？ 中间有个大的细胞核相当于超星系团，往外有一根长长的纤维，也就是轴突，然后还会发散出去很多小纤维，也就是树突和突触—— 
（图片来自精英日课） 脑神经元之间的连接，也像极了超星系团复合体。 
（图片来自精英日课） 左边是神经元，右边是宇宙纤维结构 
（图片来自精英日课） 左边是神经元，右边是宇宙纤维结构 尤其下面这张，左边是电子显微镜下大脑中小脑部分的一个切片，右边是宇宙结构 —— 
（图片来自精英日课） 确实很像！ 这就是为什么有人相信整个宇宙就是一个大脑🧠。 我最初看到这些图的时候，认为这种相似性纯属巧合。开什么玩笑，这里面的机制完全不同好不好！脑神经元传递的是电信号，宇宙星系是靠引力连接起来的。 再者，我们前面讲了，一根纤维的长度都有上亿光年。 如果连光都要走几亿年才能从一个神经元走到另一个神经元，而宇宙的年龄也才137亿年，请问你这个宇宙大脑的各个部分如何协调，整个大脑如何思考？ 这种类比就如同人们能在火星地形上看到人脸一样，纯属在没有规律的地方发现规律。 但是，万维钢老师说：没想到的是，最近几年的新发现，让事情变得严肃了起来！ 2017年，天体物理学家佛朗哥·瓦扎（Franco Vazza）和神经外科医生阿尔贝托·费莱蒂（Alberto Feletti）严肃地研究了一下大脑和宇宙的类比。 他们把宇宙的纤维网和大脑神经网络都视为复杂网络，既然是网络就可以计算其中从小尺度波动到大尺度结构上的统计关系。 他们把宇宙网、神经网和云、树枝、等离子体和水的湍流网络做了对比，发现这几个网络中跟宇宙网最像的，恰恰正是脑神经网——
（图片来自精英日课） 这就不仅仅是看起来像了，而是在各个尺度上的结构关系都直接很像。 你把这几个网络都想象成分形结构，那么宇宙网和神经网的分形方式是最像的。 2022年，两人又发表一篇论文，发现宇宙网和神经网另外两个相似之处 —— * 神经元的核的半径比连接轴突和树突的长度小得多，而超星系团的半径也比连接纤维的长度小得多； * 神经元的聚类系数（clustering coefficient），也就是作为节点上的连接情况，也跟超星系团很像；
简单说，1毫米尺度上的大脑样本，很像是3亿光年尺度上的宇宙。 但是这也只是像而已！ 也许只是个特别巧的巧合，也许神经元和超星系团虽然物理机制完全不同，但是在数学上，有某种内在的相似性，只是有待解释而已。 所以宇宙真的很像大脑！ 但是刚才说的那个限制你绕不过去，在这么大的尺度上，宇宙根本无法思考。 可是有一位女物理学家对此很不甘心，她可能觉得这么巧一定有问题。她提出了一个大胆的猜测。 萨宾·霍森费尔德（Sabine Hossenfelder）是一位作风有点硬朗的女物理学家，万老师说经常看她YouTube频道上的节目。她2022年出了本书叫《存在主义物理学：生命最大问题的科学家指南》，其中讲到了宇宙和大脑的类比，并且有所畅想。（Sabine Hossenfelder与她的作品Existential Physics: A Scientist's Guide to Life's Biggest Questions）[图片来自Masir原创] 霍森费尔德承认，指望光信号协调宇宙的思考的确是太慢了，没有意义。那要是超光速信号呢？毕竟你知道，量子纠缠，就是一种瞬间的、非定域性的协调，是鬼魅般的超距作用。霍森费尔德说，有没有一种可能，宇宙的各个神经元是通过量子纠缠协调的呢？ 在一篇给《时代周刊》写的文章中，霍森费尔德说她跟她的同事们讨论了很多，包括有没有可能宇宙各处存在很多转瞬即逝的虫洞或者别的什么非定域性的连接窗口，形成隐藏的连接，让宇宙大脑能够思考。 霍森费尔德说这些协调都是纯猜测，没有任何证据。 不过最近有个神经科学家，叫鲍比·阿扎里安（Bobby Azarian），写文章 说了一个可能的证据，重点是有人发现距离很遥远、看似不应该有协调的某些事物之间，具有某种奇怪的一致性。 2014年的一项研究考察了一大片超星系团复合体中的93个由超大质量黑洞形成的类星体。它们彼此间的距离有几十亿光年，由星系纤维联系在一起，如下图所示——奇怪的是，临近的类星体的旋转轴，居然是彼此对齐的！你看图中那些白色的短线，几乎都恰好跟所在大尺度纤维结构呈平行关系。 这是为啥呢？距离那么远，这是怎么协调出来的呢？ 难道说星系纤维真的能传递某种比光速更快的信息吗？ 当然这还只是一个谜，我们需要更多的证据。 为什么宇宙的大尺度结构如此地像人脑呢？ 也许这是因为它们都是某种演化的结果，也许超星系团和脑神经元都有某种自组织能力。也许“宇宙会思考”这个猜想只有娱乐和谈资价值。 但也许，它通往 something bigger……宇宙会有意识吗？它也有个使命吗…… 不论如何，现在你知道了有这么个事情。 一百年前的二十世纪二十年代，物理学真是风起云涌，人的观念不断更新。 现在我们又到了二十年代，如果我们这一代人也能见证几个颠覆性的发现，那真是三生有幸。 总结：
今天这两篇内容主要给大家讲述了关于宇宙🌌与大脑🧠之间的相似，第一篇主要做个简单的普及，而第二篇我几乎引自万老师的原文给大家分享出来最新的研究发现。
当然，这也是我们公众号最有趣最出众地方！嘿嘿，物理科学就是这么有趣——要不然就是证明有误而成为历史的教训，要不然就是成功的预言而成为永恒的佳话。 好，今天就先这样，这个话题我们以后再聊，感兴趣的朋友也可参与留言。
2. https://news./2017/10/27/new-research-looks-how-cosmic-web-filaments-alters-star-formation-galaxies声明：本篇核心内容来自万维钢精英日课*5（按照原创进行了简化和修改）
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