Вселенная мозг: Нейронная сеть человеческого мозга оказалась похожа на скопления галактик во Вселенной

Ученые обнаружили удивительное сходство между строением мозга и Вселенной

https://ria.ru/20201117/mozg-1585005544.html

Ученые обнаружили удивительное сходство между строением мозга и Вселенной

Ученые обнаружили удивительное сходство между строением мозга и Вселенной — РИА Новости, 17.11.2020

Ученые обнаружили удивительное сходство между строением мозга и Вселенной

Итальянские ученые сравнили структуру нейронных сетей человеческого мозга с сетью галактик во Вселенной и обнаружили у них множество общих черт. Результаты… РИА Новости, 17.11.2020

2020-11-17T14:56

2020-11-17T14:56

2020-11-17T14:56

наука

космос — риа наука

физика

нейрофизиология

вселенная

галактики

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/11/1585000783_0:32:721:437_1920x0_80_0_0_4447b75a5d5a1e62cfd1717aba1d7581.jpg

МОСКВА, 17 ноя — РИА Новости. Итальянские ученые сравнили структуру нейронных сетей человеческого мозга с сетью галактик во Вселенной и обнаружили у них множество общих черт. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers of Physics.Человеческий мозг и Вселенная — две сложнейшие природные системы. Астрофизик Франко Вацца (Franco Vazza) из Болонского университета и Альберто Фелетти (Alberto Feletti), нейрохирург из Университета Вероны предположили, что, несмотря на огромную разницу в масштабе — более 27 порядков, — физические процессы, которые привели к структурированию материи в этих системах, действовали по одним и тем же законам. В итоге сформировались структуры с одинаковыми уровнями сложности и самоорганизации.Человеческий мозг функционирует благодаря наличию обширной нейронной сети, насчитывающей около 69 миллиардов нейронов. Наблюдаемая Вселенная, в свою очередь, состоит минимум из 100 миллиардов галактик. Нейроны и галактики, расположенные в виде длинных нитей и узлов, составляют только около 30 процентов массы систем, а 70 процентов приходятся на компоненты, играющие пассивную роль, — воду в мозге и темную энергию в наблюдаемой Вселенной. Исходя из общих черт, исследователи составили сравнительную модель флуктуации вещества в обеих системах и изучили их структурные, морфологические и сетевые свойства.»Мы рассчитали спектральную плотность двух систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик, — приводятся в пресс-релизе Болонского университета слова Франко Вацца. — Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и распределение материи в космической паутине, но, конечно, в более крупном масштабе — от 5 до 500 миллионов световых лет».Ученые также оценили параметры, характеризующие как нейронную сеть, так и космическую паутину, — среднее количество соединений в каждом узле и тенденцию кластеризации нескольких соединений в центральных узлах внутри сети — и снова выявили неожиданно высокие уровни согласования.»Вероятно, взаимосвязи внутри этих сетей развиваются по схожим физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими распределение галактик и нейронов», — объясняет Альберто Фелетти. «Удивительная степень сходства, которую демонстрирует наш анализ, предполагает, что самоорганизация обеих сложных систем, вероятно, формируется в соответствии с теми же принципам сетевой динамики», — пишут авторы статьи.Ученые надеются, что предложенный ими метод найдет применение как в космологии, так и в нейрохирургии и позволит лучше понять направленную динамику, лежащую в основе временной эволюции как головного мозга, так и Вселенной.

https://ria.ru/20201111/vselennaya-1584095718.html

https://ria.ru/20201028/mozg-1581892030.html

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria. ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

1920

1080

true

1920

1440

true

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/0b/11/1585000783_40:0:679:479_1920x0_80_0_0_5c8551f1d2bf8865af674c7b53a2e032.jpg

1920

1920

true

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

космос — риа наука, физика, нейрофизиология, вселенная, галактики

Наука, Космос — РИА Наука, Физика, нейрофизиология, Вселенная, галактики

МОСКВА, 17 ноя — РИА Новости. Итальянские ученые сравнили структуру нейронных сетей человеческого мозга с сетью галактик во Вселенной и обнаружили у них множество общих черт. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers of Physics.

Человеческий мозг и Вселенная — две сложнейшие природные системы. Астрофизик Франко Вацца (Franco Vazza) из Болонского университета и Альберто Фелетти (Alberto Feletti), нейрохирург из Университета Вероны предположили, что, несмотря на огромную разницу в масштабе — более 27 порядков, — физические процессы, которые привели к структурированию материи в этих системах, действовали по одним и тем же законам. В итоге сформировались структуры с одинаковыми уровнями сложности и самоорганизации.

Человеческий мозг функционирует благодаря наличию обширной нейронной сети, насчитывающей около 69 миллиардов нейронов. Наблюдаемая Вселенная, в свою очередь, состоит минимум из 100 миллиардов галактик. Нейроны и галактики, расположенные в виде длинных нитей и узлов, составляют только около 30 процентов массы систем, а 70 процентов приходятся на компоненты, играющие пассивную роль, — воду в мозге и темную энергию в наблюдаемой Вселенной.

Исходя из общих черт, исследователи составили сравнительную модель флуктуации вещества в обеих системах и изучили их структурные, морфологические и сетевые свойства.

Вселенная становится все горячее, выяснили ученые

11 ноября 2020, 13:54

«Мы рассчитали спектральную плотность двух систем. Этот метод часто используется в космологии для изучения пространственного распределения галактик, — приводятся в пресс-релизе Болонского университета слова Франко Вацца. — Наш анализ показал, что распределение колебаний в нейронной сети мозжечка в масштабе от одного микрометра до 0,1 миллиметра следует той же прогрессии, что и распределение материи в космической паутине, но, конечно, в более крупном масштабе — от 5 до 500 миллионов световых лет».

Ученые также оценили параметры, характеризующие как нейронную сеть, так и космическую паутину, — среднее количество соединений в каждом узле и тенденцию кластеризации нескольких соединений в центральных узлах внутри сети — и снова выявили неожиданно высокие уровни согласования.

«Вероятно, взаимосвязи внутри этих сетей развиваются по схожим физическим принципам, несмотря на поразительную и очевидную разницу между физическими силами, регулирующими распределение галактик и нейронов», — объясняет Альберто Фелетти.

«Удивительная степень сходства, которую демонстрирует наш анализ, предполагает, что самоорганизация обеих сложных систем, вероятно, формируется в соответствии с теми же принципам сетевой динамики», — пишут авторы статьи.

Ученые надеются, что предложенный ими метод найдет применение как в космологии, так и в нейрохирургии и позволит лучше понять направленную динамику, лежащую в основе временной эволюции как головного мозга, так и Вселенной.

Ученые описали повреждения мозга, связанные с COVID-19

28 октября 2020, 11:36

На одной из этих картинок изображена часть мозга, на другой – часть Вселенной; догадаетесь, что где? / Хабр

Наука не враг духовности, напротив: научное знание — глубочайший источник духовного. Когда мы осознаем свое место в бесконечности световых лет и сменяющих друг друга эпох, когда постигаем красоту, тонкость и сложность жизни, нас охватывает восторг, в котором гордость сочетается со смирением — это ли не парение духа!
— Карл Саган, «Мир, полный демонов: Наука — как свеча во тьме»

Во время изучения Вселенной я ощущал подобные духовные моменты, описанные Саганом – когда укреплялось моё понимание связей с обширным миром. Как, к примеру, в тот раз, когда я впервые узнал, что буквально состою из пепла звёзд – что атомы моего тела распространились по бесконечному эфиру благодаря сверхновым. В другой раз я ощутил это возвышенное чувство, впервые увидев это изображение:

А) Нейрон из гиппокампа мыши с синапсами. Зелёная клетка в центре имеет размер 10 мкм.

В) Космическая сеть. Длина приведённого для масштаба отрезка – 31,25 Мпк/h, или 1,4 × 10²⁴ м.

Нейрон в мозге сопоставим со скоплениями галактик и соединяющими их нитями из обычной и тёмной материи. Их схожесть видна сразу. Что это означает? У вас в голове может существовать целая вселенная. Но схожесть изображений может оказаться и примером апофении – восприятия схожести там, где её нет. Ведь как две этих системы могут быть похожими, учитывая огромную разницу в их масштабах? Но что, если кроме внешней схожести между сетями нейронов мозга и паутиной галактик космоса можно получить объективное измерение, оценивающее их похожесть? Именно этим решили заняться Франко Вацца (астрофизик из Болонского университета) и Альберто Фелетти (нейрохирург из Веронского университета), скомбинировав свои научные дисциплины для публикации в журнале Frontiers of Physics.

Межгалактическая связь

Мозг человека – буквально одна из сложнейших структур Вселенной, которая сама по себе является сложнейшей структурой. В вашем мозге содержится порядка 80 млрд нейронов – клеток, обрабатывающих входящие с органов чувств сигналы, и отправляющих сигналы вашему телу по нервной системе. Нейроны также связаны в сеть, и обмениваются информацией по аксонам и дендритам. В типичной сети, формирующей личность, подобную вашей, содержится порядка 100 трлн связей.

Говорят, что NGC 6888, туманность Полумесяца, напоминает гигантский мозг, находящийся в космосе

Вселенная тоже связана в сеть. Нам кажется, что космос – это набор объектов, разделённых огромными участками пространства, но это не совсем так. Видимая нами через научные приборы часть Вселенной называется «обозримой Вселенной», и составляет 90 млрд световых лет в диаметре. В ней содержатся от сотен миллиардов до нескольких триллионов галактик. Эти галактики, как и наш Млечный путь, состоят из миллиардов звёзд, и в свою очередь группируются в галактические скопления. Наш Млечный путь – часть «местной группы» галактик, в которую также входят Андромеда, галактика Треугольника и ещё 50 других галактик. Все они входят в более крупную группу, сверхскопление Девы. Пространство между группами и скоплениями не пустое – оно содержит нити из обычной и тёмной материи, тянущиеся на миллионы световых лет.

В этом смысле Вселенная – это гигантская сеть галактических скоплений, связанных между собой примерно так же, как нейронные сети мозга. Эту сеть и называют космической сетью.

Симуляция формирования космической сети от начала времён до сегодняшнего дня

Вселенная внутри Вселенной

Поиски количественно оцениваемого родства между обеими этими сетями были порождены партнёрством нейробиологии и астрофизики. Используя технологии и инструменты из обеих дисциплин, Вацца и Фелетти изучали обе сети в поисках схожих черт, которые можно было бы не только увидеть, но и оценить количественно. Сравнимы ли эти сети, и если да – что это означает?

Исследователи использовали срезы коры головного мозга человека толщиной в 4 мкм. Это верхний слой мозга, отвечающий за обработку языка, информации от органов чувств, мыслей, памяти и сознания. Их сравнивали со «срезами» Вселенной толщиной в 25 мегапарсек (1 парсек равен порядка 3,26 световых лет). Срезы были получены из компьютерной симуляции участка космоса объёмом в миллион кубических мегапарсек. В итоге сравнивались участки мозга и космоса, размеры которых отличались на 27 порядков.

Выборки космической сети и мозга с увеличением в 4, 10 и 40 раз

Слева: срез мозжечка, увеличенный в 40 раз. Фото сделано электронным микроскопом. Справа: часть симуляции космоса линейным размером в 300 млн световых лет.

При изучении срезов их похожесть была очевидной не на всех масштабах. Однако при увеличении тканей мозга в 40 раз исследователи начали замечать сходные структуры. Это увеличение даёт расстояния в 0,01 – 1,6 мм в ткани мозга и в 1-100 Мпк во Вселенной. На таких масштабах сеть нейронов начинает походить на скопления галактик. Более того, похожесть сетей можно измерить и сравнить объективно при помощи двух технологий. Первая – степень связности сети, измеряющая длину связей и связность заданной сети. Радиус центра нейрона, его ядра, гораздо меньше по сравнению с длиной соединяющих его с другими нитей.

Второй метод объективного сравнения сетей — коэффициент кластеризации, количественно описывающий плотность структуры, непосредственно прилегающей к каждому узлу сети (нейрону или скоплению галактик), и сравнивающий эту структуру со случайной точкой в сети. Это позволяет сравнить степень организованности обеих сетей.

Вверху приведена реконструкция связей трёх примеров сетей (космическая сеть, мозжечок и кора мозга). Внизу показан график распределения коэффициентов кластеризации и степень связности сетей.

Насколько велика Вселенная

Применив эти техники на выбранном масштабе, Вацца и Фелетти обнаружили «примечательное» сходство мозга и Вселенной. Также они обнаружили, что эти сети похожи друг на друга больше, чем на другие биологические или физические структуры – например, ветви деревьев, динамика формирования облаков или турбулентность воды. Последние имеют фрактальную структуру. Фрактальные узоры самоповторяются и выглядят одинаково на разных масштабах.

Вселенная же на разных масштабах выглядит совершенно по-разному. Галактики и звёздные системы вовсе не похожи на космическую сеть, которую они порождают. Мозг тоже не похож на нейронную сеть на других масштабах. Масштаб играет важную роль для самоорганизации этих структур.

Завершили описание открытия учёные «намёком на то, что в результате взаимодействия совершенно различных физических процессов могут появиться сети сходной конфигурации, несмотря на совершенно несоразмерный масштаб систем». Иначе говоря, такие сети, как мозг и Вселенная, могут обладать похожими структурами, будучи совершенно разными по размеру, и сформировавшись благодаря различным процессам (гравитация и биология). Тем не менее, возможно, что они эволюционировали и росли одинаково благодаря каким-то схожим между собой факторам.

Увеличение Мандельброта – фрактальный узор, выглядящий одинаково вне зависимости от масштаба. В отличие от него, мозг и Вселенная на разных масштабах выглядят очень по-разному

Исследователи отметили ещё две интересных параллели между мозгом и космической сетью. Первая – пропорции их составных частей. Мозг на 77% состоит из воды, а космическая сеть примерно на 73% состоит из тёмной энергии. При этом вода и тёмная энергия не являются частями сети, а лишь «пассивным материалом» или пассивной энергией. Возможно, наличие и пропорции пассивного материала и энергии имеют отношение к характерным особенностям формирования сетей. Вторая интересная параллель состоит в том, что объём данных, требуемый для хранения моделей Вселенной, сравним с теоретическим пределом объёма информации, который способен хранить мозг человека. Для симуляции эволюции наблюдаемой части Вселенной на масштабах, на которых наличие космической сети становится очевидным, требуется от 1 до 10 петабайт. Теоретический предел объёма человеческого мозга оценивается в 2,5 петабайта. Теоретически, человек мог бы хранить в своём мозге данные о структуре наблюдаемой Вселенной. Или наоборот, космическая сеть могла бы теоретически хранить данные о жизненном опыте человеческого существа.

Hubble eXtreme Deep Field — детальный снимок небольшого участка пространства, где видно порядка 5500 самых удалённых галактик из всех, что мы видели

Между космической сетью и мозгом есть не только сходства, но и различия. Срезы для изучения были взяты из коры мозга, но мозг не однороден. Разные его части имеют разную структуру, предназначенную для выполнения разных задач. При этом характерной особенностью Вселенной является её однородность по всем направлениям. Связи между нейронами мозга служат для передачи информации от органов чувств, а по связям частей Вселенной передаются только энергия и материя. Вацца и Фелетти надеются, что их исследование вдохновит на разработку более мощных алгоритмов, которые позволят найти ещё больше сходства между мозгом и Вселенной. Возможно, мы узнаем о тех условиях, что заставляют две этих сети, родившихся благодаря совершенно разным условиям, так сильно напоминать друг друга.

Все мы слышали рассказ Карла Сагана о том, что наши тела состоят из звёздной материи. Теперь мы начинаем понимать, что и схема нашего мозга напоминает россыпь звёзд. Внутри вашей головы находится целая вселенная связей, способная дотянуться изнутри вовне, до другой Вселенной, её породившей. Миллиарды нейронов тянутся к миллиардам звёзд – вот вам и духовность.

Изображения симуляции Вселенной и срезов мозговой ткани, использованные в исследовании:
cosmosimfrazza.myfreesites.net/cosmic-web-and-brain-network-datasets

Прим. пер.: идея не нова – см, например, мой перевод от 2017 года «Можно ли считать Вселенную живой?»

Может Вселенная Думает. Выслушай меня

В нашей вселенной около 200 миллиардов галактик. Эти галактики распределены неравномерно — под действием гравитации они сбиваются в скопления, а скопления образуют сверхскопления. Между этими скоплениями галактики выстраиваются тонкими нитями, «галактическими нитями», длина которых может составлять несколько сотен миллионов световых лет. Галактические скопления и нити окружены пустотами, содержащими очень мало материи. В целом космическая паутина чем-то напоминает человеческий мозг.

Точнее, распределение материи во вселенной немного напоминает «коннектом», сеть нервных соединений в человеческом мозгу. Нейроны в человеческом мозгу тоже образуют кластеры и соединяются аксонами — длинными нервными волокнами, передающими электрические импульсы от одного нейрона к другому.

Сходство между человеческим мозгом и вселенной не совсем поверхностно; он был тщательно проанализирован в исследовании 2020 года, проведенном итальянским астрофизиком Франко Вазца и нейробиологом Альберто Фелетти. Они подсчитали, сколько структур разного размера находится в коннектоме человеческого мозга и в космической сети, и сообщили о «поразительном сходстве».

Образцы мозга в масштабе менее 1 миллиметра и распределение материи во Вселенной примерно до 300 миллионов световых лет, как они обнаружили, структурно схожи. Может ли тогда быть, что Вселенная — это гигантский мозг, в котором наша галактика — всего лишь один нейрон? Может быть, мы наблюдаем его саморефлексию, пока преследуем собственные мысли?

Конечно, мы не знаем, что такое сознание. Но мы знаем, что единственные вещи, в которых мы достаточно уверены, могут думать — мозг — имеют множество связей и посылают много информации туда и обратно через эти связи. Даже не говоря о том, что мы не понимаем сознание, высокая связь и быстрая передача сигналов кажутся способствующими мышлению. Тот факт, что Вселенная структурно похожа на мозг, ставит вопрос о том, обладают ли они подобными мыслительными способностями.

Слишком велика, чтобы думать

Вселенная, однако, во многих отношениях отличается от человеческого мозга, в частности потому, что она расширяется, и ее расширение ускоряется. Если бы скопления галактик были нейронами Вселенной, то они разлетались бы друг от друга со все возрастающей скоростью — и делают это уже несколько миллиардов лет.

Еще одно важное отличие состоит в том, что сигналу требуется много времени, чтобы пересечь вселенную. Нейроны в человеческом мозгу посылают около 5-50 сигналов в секунду. Большинство этих сигналов (80%) являются ближними, идущими всего около 1 миллиметра, но около 20% являются дальними, соединяющими разные части мозга. Нам обоим нужно думать. Сигналы в нашем мозгу распространяются со скоростью около 100 метров в секунду, что в миллион раз медленнее скорости света. Но мозг маленький, и сигналы распространяются в нем всего за доли секунды.

Вселенная, напротив, в настоящее время имеет диаметр около 90 миллиардов световых лет, и, как учил нас Альберт Эйнштейн, ничто не движется быстрее скорости света. Это означает, что если бы одна сторона гипотетической вселенной-мозга захотела хотя бы обратить внимание на другую ее сторону, это заняло бы 90 миллиардов лет даже при скорости света. А отправка одного сигнала ближайшему к нам нейрону, скоплению галактик M81, заняла бы не менее 11 миллионов лет.

Это означает, что, по оптимистичным оценкам, вселенная могла совершить около 1000 обменов между ближайшими к ней нейронами с момента Большого взрыва. Если мы полностью оставим в стороне связи дальнего действия, это примерно столько же, сколько наш мозг делает за 3 минуты. И способность Вселенной соединяться с самой собой уменьшается по мере ее расширения, так что с этого момента она пойдет вниз.

Это означает, что если Вселенная и думает, то не очень много. Для большинства физиков это конец истории. Но что, если Вселенная не так велика, как кажется?

Все взаимосвязано

Исследователи из принадлежащей Google компании DeepMind недавно научили искусственный интеллект физике. Они скармливали компьютерной программе часы видео, и она узнала, среди прочего, что объекты не исчезают самопроизвольно, они всегда непрерывно перемещаются из одного места в другое. В физике мы называем это «локальностью». Это одно из основных свойств природы. И это среди тех, кого мы понимаем меньше всего.

Дело не только в том, что мы не понимаем, почему Вселенная уважает локальность. Мы не уверены, что локальность остается в силе в субатомном мире. Если этого не произойдет, то это может иметь серьезные последствия. Возможно, само пространство имеет гораздо больше связей, чем мы наблюдаем, нелокальных, мало чем отличающихся от порталов: вы идете в один конец и мгновенно телепортируетесь в другое место.

Эти нелокальные связи должны быть очень маленькими, слишком маленькими для нас или даже элементарными частицами, чтобы через них пройти — иначе мы бы уже заметили. Но они все равно связывали бы пространство с самим собой. Таким образом, два места, которые, как мы думаем, находятся на противоположных концах Вселенной, могут оказаться очень близко друг к другу. Вселенная только казалась бы большой, иллюзия, порожденная нашим ограниченным восприятием.

Мои коллеги-физики размышляют об этом по нескольким причинам. Во-первых, мы знаем, что квантовые эффекты могут создавать сильные нелокальные связи между частицами. Эта «запутанность», как ее называют, дает преимущество квантовым компьютерам. Запутанность не допускает нелокальной передачи информации, но она говорит нам, что знакомая локальность шаров, катящихся по наклонным плоскостям, — это еще не все.

Мы также знаем, что теория гравитации Эйнштейна содержит червоточины, которые являются короткими путями между местами, которые кажутся далекими. В то время как большие червоточины не могут существовать в нашей вселенной, потому что они немедленно закроются, что будут делать червоточины в квантовой сфере, никто на самом деле не знает. Чтобы это выяснить, нам понадобится теория квантовых свойств пространства, которой, несмотря на 80 с лишним лет поисков, у нас до сих пор нет. Однако вполне возможно, что квантовые червоточины порождают нелокальные соединения.

Наконец, есть проблема, что черные дыры могут уничтожить информацию. Как только вы пересекли горизонт событий, кажется, что вам нужно двигаться быстрее света, чтобы вернуться обратно. Но нелокальная связь за горизонтом также могла бы передавать информацию. Некоторые физики даже предположили, что темная материя, гипотетический тип материи, которая предположительно составляет 85% материи во Вселенной, на самом деле является ошибочной атрибуцией. Там может быть только нормальная материя, просто ее гравитационное притяжение умножается и распространяется, потому что места не связаны друг с другом локально.

Таким образом, нелокально связанная вселенная имеет смысл по многим причинам. Если эти предположения верны, Вселенная может быть полна крошечных порталов, которые соединяют, казалось бы, далекие места. Физики Фотини Маркопулу и Ли Смолин подсчитали, что наша Вселенная может содержать до 10 (в степени 360) таких нелокальных связей. А поскольку связи в любом случае нелокальны, не имеет значения, что они расширяются вместе со Вселенной. Для сравнения, в человеческом мозгу всего 10 (в 15-й степени) соединений.

Позвольте мне прояснить, что нет абсолютно никаких доказательств того, что нелокальные связи существуют или что, если бы они существовали, они действительно позволяли бы Вселенной думать. Но и эту возможность мы не исключаем. Как бы безумно это ни звучало, идея о том, что Вселенная разумна, совместима со всем, что мы знаем до сих пор.

Источник чудес

Я сделал себе имя, хорошо это или плохо, развенчивая бессмысленные заголовки о физике. Это что угодно, от предполагаемого наблюдения отрицательной массы (ничего подобного) до обмена сообщениями со сверхсветовой скоростью через квантовый интернет (вы не можете) до контакта с параллельными вселенными (уверяю вас, у нас их не было).

Но по мере того, как все больше моих коллег вместе со мной в социальных сетях разоблачают фальшивые научные новости, я обнаружил, что мы рисуем однобокую картину. Наука может сказать больше, чем «нет, вы не можете». Это также открывает наш разум для новых возможностей, новых источников чудес и новых способов осмысления собственного существования.

Вселенная может подумать, Большой Взрыв может повториться, а ваши копии могут жить в параллельных мирах. Это возможности, которые мы нашли в наших теориях в физике. Они не подтверждены доказательствами и, возможно, никогда не будут подтверждены. Но и они не противоречат доказательствам. И это истории, которые тоже заслуживают того, чтобы их рассказали.

Адаптировано из книги «ЭКЗИСТЕНЦИАЛЬНАЯ ФИЗИКА» Сабины Хоссенфельдер, опубликованной Viking, издательством Penguin Publishing Group, подразделением Penguin Random House, LLC. Copyright © 2022 Сабина Хоссенфельдер.

Свяжитесь с нами по телефону по адресу [email protected].

Является ли человеческий мозг моделью Вселенной?

Является ли человеческий мозг моделью Вселенной?

Чтение | Cosmology

В этом сногсшибательном эссе физик и математик Мелвин Фелтон исследует сверхъестественное и неожиданное сходство между структурой человеческого мозга и Вселенной в целом, как в непостижимо малых, так и в непостижимо огромных масштабах. Ничто в современной науке не объясняет эти поразительные сходства.

Размер и динамика физических структур, появляющихся во Вселенной, варьируются в огромном диапазоне пространственных и временных масштабов. На самых маленьких масштабах существуют элементарные частицы, описываемые Стандартной моделью физики элементарных частиц. Затем, в более промежуточных масштабах, есть объекты, которые мы воспринимаем в нашем повседневном мире. Наконец, в самых больших масштабах существуют галактики и еще более крупные космические структуры, состоящие из галактик. Кроме того, физические структуры во Вселенной также могут различаться по сложности. Во время Большого взрыва Вселенная зародилась в очень простом состоянии, но затем развилась так, что в локализованных регионах — а именно внутри галактических структур — стало возможным возникновение все более и более сложных систем. ⁷ На Земле существовали правильные ингредиенты и условия, так что она стала местом во вселенной, где это увеличение сложности смогло пересечь порог жизни, а затем, в конечном итоге, произвести людей. Центральное место в человеческом опыте занимает человеческий мозг, пожалуй, самая сложная из известных физических структур. Сегодня ученые начинают находить удивительное сходство между Вселенной и мозгом. Может ли человеческий мозг быть моделью Вселенной? В этой краткой статье я исследую некоторые причины, по которым такую ​​гипотезу следует серьезно рассмотреть. Я также предлагаю несколько способов проверить эту гипотезу. Наконец, я рассматриваю некоторые из его последствий.

 

Документированные свидетельства структурного и динамического сходства Вселенной и мозга

Квантовая теория утверждает, что на фундаментальном уровне пространство-время не является непрерывным; скорее, он дискретен, состоит из отдельных единиц в наименьших возможных пространственно-временных масштабах. Кроме того, все физические события можно рассматривать как некоторую форму взаимодействия между сущностями (например, элементарными частицами) в этих дискретных единицах пространства-времени. Основываясь на этой формулировке, крупномасштабную структуру пространства-времени в нашей Вселенной можно рассматривать как сложную причинно-следственную сеть, в которой дискретные единицы пространства-времени являются узлами, а фундаментальные силы природы являются связями между узлами. Показано, что сеть, кодирующая крупномасштабную структуру и динамику пространства-времени, во многом аналогична крупномасштабной структуре и динамике других сложных сетей, возникших в природе и обществе. ¹³ Самая внешняя часть человеческого мозга, неокортекс, который является областью, в первую очередь отвечающей за наши когнитивные способности более высокого порядка, является одной из таких сложных сетей, которая, как было установлено, имеет общие структурные и динамические свойства с моделью квантово-причинной сети. пространства-времени. Кроме того, сходство между структурой Вселенной и человеческим мозгом также было обнаружено в гораздо больших пространственно-временных масштабах. А именно, недавно было обнаружено сходство между сложной сетью галактик, составляющих космическую паутину материи, и нейронными сетями в мозгу. ²³

Также обратите внимание, что многие считают теорию струн одним из самых многообещающих кандидатов на роль «теории всего», то есть теории, которая объединяет две жемчужины современной физики, квантовую механику и теорию относительности. . ¹⁰ Кроме того, в, казалось бы, несвязанной области исследований искусственные нейронные сети появились как мощные инструменты для обработки информации. Эта технология лишь в общих чертах смоделирована по образцу человеческого мозга, потому что ее основными компонентами являются искусственные нейроны, более простые, чем настоящие нейроны, а связь между ними фиксирует лишь часть того, что наблюдается в мозгу. ⁸ Тем не менее недавно было показано, что при определенных условиях поведение искусственных нейронных сетей, проходящих обучение (обучение), может аппроксимировать особенности квантовой механики, общей теории относительности и, в конечном счете, теории струн. ²² Также обратите внимание, что в настоящее время наблюдается тенденция к развитию искусственных нейронных сетей, делая их более «мозгоподобными» с точки зрения повышения реалистичности искусственных нейронов и связи между ними. ¹² Было бы интересно продолжать отслеживать наличие соответствий между искусственными нейронными сетями по мере того, как они становятся более похожими на мозг, и картиной вселенной, возникающей из физики.

 

Сравнение структурной организации и динамики Вселенной и мозга

Как мы можем дополнительно исследовать, существуют ли структурные и динамические характеристики, общие для Вселенной и мозга? Это было бы нетривиальной задачей, поскольку в области физики существует множество теоретических предложений, пытающихся объяснить фундаментальную природу Вселенной. Точно так же в области нейронауки существует множество теоретических предложений, пытающихся объяснить природу мозга и разума. Может оказаться, что многие теории, которые когда-то считались отличными друг от друга, на самом деле могут быть эквивалентными или, по крайней мере, взаимодополняющими. С другой стороны, некоторые теории подходят к одной и той же проблеме принципиально по-разному и диаметрально противоположны друг другу.

В настоящее время не существует теории всего, объясняющей все фундаментальные физические процессы во Вселенной. Точно так же не существует какой-либо всеобъемлющей, экспериментально проверенной или общепринятой теории мозга или разума. Один разумный подход к оценке сходства между вселенной и мозгом состоял бы в том, чтобы сначала изучить различные предложения в областях физики и неврологии соответственно. Затем можно было бы попытаться синтезировать совместимые элементы из общепризнанных открытий, а также из многообещающих теоретических схем, построить качественные модели вселенной и мозга соответственно, а затем сравнить их.

Поскольку в физике и нейронауке имеется широкий спектр жизнеспособных теоретических предложений, наверняка будет большое разнообразие качественных моделей, которые можно было бы получить для представления Вселенной и мозга. Каждую модель, построенную таким образом, следует рассматривать как попытку представить только один конкретный взгляд на вселенную и мозг, возникающий из областей физики и нейронауки соответственно. Если выяснится, что на самом деле существуют очень похожие взгляды на вселенную и мозг, основанные на ведущих теориях в физике и неврологии, то научному сообществу предстоит определить, простое ли это совпадение или случайность. указывает на то, что существует глубокая связь между структурной организацией и динамикой этих двух систем.

 

Какое значение имел бы человеческий мозг, если бы он был моделью Вселенной?

Если оказывается, что человеческий мозг и Вселенная имеют аналогичную структурную организацию и динамику, то это означает, что мозг можно использовать как модель Вселенной, и наоборот. Такой принцип может предоставить физикам, ищущим теорию всего, модельную систему для наблюдений, открывая совершенно новый способ исследования и подтверждения своих теорий — роскошь, которой очень не хватает многим из наших последних теоретических начинаний. Например, вспомните, что теория струн широко известна как одна из самых многообещающих основ для расширения нашего понимания Вселенной за пределы возможностей только теории относительности и квантовой теории. Однако теория струн предсказывает сущности — такие как струны и крошечные скрученные дополнительные измерения, в которых струны должны вибрировать, — у которых практически нет шансов когда-либо быть экспериментально проверенными с помощью обычных средств, таких как ускорители частиц. ⁴ Таким образом, возможность проводить наблюдения за физической системой, обладающей свойствами, очень похожими на свойства, которыми обладает Вселенная, позволит специалистам по теории струн с помощью данных наблюдений установить актуальность теории струн для описания Вселенной, достижение, которое потенциально может привести к в «третьей революции теории струн». ¹⁰

Но обратите внимание, что если человеческий мозг и вселенная имеют аналогичную структурную организацию и динамику, то в конечном итоге поток информации может происходить в двух направлениях. То есть не только физики выиграют от того, что получат модельную систему, над которой они смогут проводить наблюдения; неврологи также выиграют, потому что теперь более широкий набор идей и концепций в теоретической физике может стать источником вдохновения и руководством для их будущих исследований. В настоящее время между нейробиологами и физиками существует множество совместных проектов, в которых набор инструментов, используемых физиками для характеристики физических систем, имеет большой успех применительно к изучению мозга. ¹⁵ Однако идентификация картины Вселенной, возникающей из физики, в качестве жизнеспособной модели человеческого мозга предоставила бы интуицию более высокого уровня и теоретические ограничения для ученых, пытающихся расшифровать пути мозга.

 

Насколько самоподобной может быть Вселенная?

Если человеческий мозг является моделью Вселенной, это будет означать, что Вселенная обладает самоподобными качествами, такими как фрактал, и что мы или, по крайней мере, части нашего мозга являемся ее миниатюрными версиями. Подобные фрактальные явления вовсе не редкость. Их можно найти повсюду в природе из-за преобладания нелинейных динамических процессов. ⁵ Однако следует отметить, что если Вселенная действительно фрактальна в этом смысле, то, исходя из известных свойств фракталов, природа любых миниатюрных копий будет зависеть от типа поддерживаемого Вселенной типа самоподобия. ²¹ Другими словами, если Вселенная подобна идеализированному и бесконечному математическому фракталу, то теоретически возможно строгое самоподобие — точные копии — в меньших пространственно-временных масштабах; но если вселенная является фракталом, поддерживающим только приблизительное самоподобие, то внутри нее может существовать только приблизительная система реплик. Следует также отметить, что, учитывая нынешний взгляд на Вселенную, возникающий из современной науки, фрактальное распределение материи — это всего лишь подмножество того, что может означать самоподобность Вселенной. Другими словами, существуют концепции, вводимые областями физики, такими как теория струн, которые оказывают существенное влияние на то, как на самом деле будет выглядеть миниатюрная копия Вселенной.

Насколько нам известно, единственные существующие идеальные математические фракталы существуют только в наших компьютерных симуляциях. То, что мы видели в природе, — это фрактальные структуры и процессы, демонстрирующие примерное самоподобие. ²¹ В хорошо изученных нелинейных динамических системах, демонстрирующих самоподобие, таких как множество Мандельброта и логистическая карта, часто существует множество подструктур и процессов, которые варьируются от слегка похожих до почти точных копий более крупной системы. . Однако во многих случаях, даже если миниатюрные копии не являются точными копиями более крупной системы, они часто достаточно похожи, чтобы их можно было использовать в качестве модели более крупной системы. Это может иметь место и для человеческого мозга в том случае, если Вселенная самоподобна и человеческий мозг является проявлением этого самоподобия. Другими словами, сходство не обязательно должно быть точным, но оно может быть настолько близким, что знание аналогичной структурной организации и динамики может оказаться полезным принципом для улучшения нашего понимания как Вселенной, так и мозга.

Высокая вероятность того, что никакие два человеческих мозга не могут быть абсолютно одинаковыми, подразумевает, что то, что может быть аналогом вселенной, является общей топологической структурой, общей для всех человеческих мозгов, но все же отличающейся от остального животного царства. Возможно, удастся определить специфическую для человека топологию с помощью алгебраической топологии, математической дисциплины, которая все чаще применяется для изучения мозга в нескольких пространственных масштабах, выявляя структуры, характеристики которых можно легко охарактеризовать с помощью хорошо известных топологических концепций. . ^16,17,18

Интересно, что эти же или другие очень похожие инструменты анализа также оказались эффективными в наших попытках улучшить и расширить нашу способность описывать вселенную на самом фундаментальном из уровней. Алгебраическая топология в настоящее время используется для кодирования вероятностей различных взаимодействий частиц, допускаемых Стандартной моделью физики частиц, в абстрактный топологический объект, известный как «амплитуэдр», который можно охарактеризовать, используя те же топологические понятия, которые используются для характеристики сетевых структур в мозг. ^1,24 Точно так же математика теории струн основана на алгебраической геометрии, что означает, что решения уравнений в теории струн имеют геометрическую интерпретацию со свойствами, подобными структурам, описываемым алгебраической топологией. Применение этого типа топологического анализа как к мозгу, так и к Вселенной позволяет более количественно сравнивать обе системы.

Если существует топологическая конфигурация, применимая как к человеческому мозгу, так и к Вселенной, как могло возникнуть такое состояние? Ответ может заключаться в возможности того, что с течением времени сложность Вселенной увеличилась в локализованных областях, а именно в галактических структурах, где есть звезды, создающие сложные атомы, планеты, которые образуются из остатков звезд, и, по крайней мере, здесь, на Земле, где жизнь и человеческое общество развивались. ⁶ Результатом такого усложнения Вселенной в ходе ее эволюции может быть то, что она перешагнула порог детерминированного хаоса и начала проявлять различные степени самоподобия. Было высказано предположение, что эволюция жизни на Земле — это процесс, более точно описываемый детерминированным хаосом, ³ , который сделал бы жизнь подходящим местом для проявления во Вселенной своего самоподобия. Например, может случиться так, что на Земле более тонкая форма самоподобия Вселенной проявляется в виде мозга не приматов млекопитающих, таких как собаки и кошки. Затем более строгая форма самоподобия вселенной может проявляться в виде мозга нечеловеческих приматов, таких как мозг макак и шимпанзе. В конечном итоге может появиться еще более строгая форма самоподобия Вселенной в виде человеческого мозга.

Самоподобие может в конечном счете объяснить, почему человеческий мозг эволюционировал, чтобы иметь ту форму, которую он имеет, и функционировать так успешно, потому что наличие такой же (или даже примерно такой же) формы, как у Вселенной в целом, наделяло бы человеческий мозг с функциональностью, необходимой для создания абстрактных моделей Вселенной. ⁹ Если человеческий мозг является физической моделью Вселенной, то он может быть ярким примером функции, определяющей форму. Более того, общий принцип может заключаться в том, что само сознание является продуктом способности Вселенной становиться самоподобной, например, когда эволюция порождает виды жизни на Земле, чей мозг имеет структурное и динамическое сходство со вселенной в целом. Чем строже сходство между мозгом и Вселенной, тем богаче сознательный опыт, который возможен в этом мозгу.

 

Заключение

Современная наука все чаще обнаруживает удивительное сходство между Вселенной и человеческим мозгом. Учитывая высокий спрос на систему, способную моделировать Вселенную, будь то математическое компьютерное моделирование или реальная физическая система, эти открытия требуют систематического сравнения идей, возникающих в физике относительно фундаментальной природы Вселенной, и идеи, возникающие из нейронауки относительно фундаментальной природы мозга и разума. Выявление аналогичной структурной организации и динамики этих двух систем могло бы привести к мощному руководящему принципу для продвижения нашего понимания Вселенной, человеческого мозга и взаимоотношений между ними.

 

Библиография

1. Анантасвами, А. 2017. «Новая форма реальности». Новый Ученый , 29 июля: 28-31.
2. Ball, P. 2019. «Нейронаука готовится к столкновению идей сознания». Журнал Quanta , 6 марта.
3. Беннетт, К. 2010. «Теория эволюции хаоса». Новый Ученый , 13 октября.
4. Брукс, М. 2011. «Пределы знаний: вещи, которые мы никогда не поймем». Новый ученый , 4 мая.
5. Чамбель, А. Б. 1992. Прикладная теория хаоса: парадигма сложности. Академическая пресса.
6. Чейссон, Э.Дж. 2010. «Удельная плотность энергии как показатель сложности и эволюционный фактор». Сложность 27-40.
7. Кристиан Д. 2008. Большая история: биг-бэнд, жизнь на Земле и рост человечества. Шантильи, Вирджиния: Великие курсы.
8. Коул, К.Дж. и С. Ахмад. 2019. «Биологически управляемый искусственный интеллект». Компьютер , август: 72-75 (DOI: 10.1109/MC.2019.2917455).
9. Conant, RC and Ashby, R. 1970. «Каждый хороший регулятор системы должен быть моделью этой системы». Международный журнал системных наук 89-97.
10. 2004. Элегантная Вселенная . Режиссер НОВА. Исполняет Б. Грин.
11. —. 2011. Скрытая реальность: параллельные вселенные и глубинные законы космоса . Винтаж.
12. Хассабис, Д., Д. Кумаран и К., Ботвиник, М. Саммерфилд. 2017. «Искусственный интеллект, вдохновленный нейробиологией». Нейрон 245-258.
13. Криуков, Дмитрий, Максим Кицак, Роберт С. Синковиц, Дэвид Райдаут, Дэвид Мейер и Мариан Богунья. 2012. «Сетевая космология». Научные отчеты.
14. Монтьель, Мэн, А.С. Агуадо и Э. Залуска. 1996. «Топология во фракталах». Хаос, солитоны и фракталы 1187-1207.
15. Попкин, Г. 2016. «Физики, мозг зовет вас». Новости APS , апрель: 1-3.
16. Рейманн М.В., М. Нолте, М. Сколамиеро, К. Тернер, Р. Перин, Г. Чиндеми и др. др. 2017. «Клики нейронов, связанных в полости, обеспечивают недостающее звено между структурой и функцией». Границы вычислительной нейронауки .
17. Сайзмор, А. , К. Джусти, А. Кан, Р.Ф. Бетцель и Д.С. Бассет. 2018. «Клики и полости в коннектоме человека». Дж. Комп. Нейроски . 115-145.
18. Сайзмор, А.Э., Дж.Э. Филлипс-Креминс, Р. Грист и Д.С. Бассетт. 2019. «Важность целого: топологический анализ данных для сетевого нейробиолога». Network Neuroscience 656-673.
19. Сонг, К., С. Хавлин и Х.А. и Максе. 2006. «Истоки фрактальности в росте сложных сетей». Физика природы 275-281.
20. Сонг, К., С. Хавлин и Х.А. и Максе. 2005. «Самоподобие сложных сетей». Природа 392-395.
21. Строгац, С. 2008. Хаос (Великие курсы, курс и руководство). Учебная компания.
22. Ванчурин В. 2020. «Мир как нейронная сеть». Энтропия doi:10.3390/e22111210.
23. Вазза, Ф. и А. Фелетти. 2020. «Количественное сравнение нейронной сети и космической сети». Frontiers in Physics doi: 10.3389/fphy.2020.525731.
24. Волховер, Н. 2013. «Жемчужина в сердце квантовой физики». Журнал Quanta , 17 сентября.

Фонд Essentia в доступной, но строгой форме сообщает о последних результатах науки и философии, которые указывают на ментальную природу реальности. Мы стремимся к строгому академическому отбору материалов, которые мы публикуем.

Наше редакционное обязательство

Recently published

From the archives

View all published items

View all published items

Reading

Essays

Link

Seeing

Videos

Ссылка

Давайте вместе строить будущее нашей культуры

Essentia Foundation — зарегистрированная некоммерческая организация, стремящаяся сделать свой контент как можно более доступным и без рекламы. Поэтому мы зависим от вклада таких людей, как вы, чтобы продолжать делать нашу работу. Есть много способов внести свой вклад.