經(jīng)典物理學和現(xiàn)代物理學的爭論至今仍沒有消停，愛因斯坦和普朗克的出現(xiàn)顛覆了人們以往對世界的認知，傳統(tǒng)物理研究手段已經(jīng)很難去解釋微觀世界下的運動狀態(tài)和變化。

普朗克向愛因斯坦頒獎

而兩者之間的差異隨著相對論和量子力學的發(fā)展變得難以調(diào)和，為了尋求解決這兩者之間的溝通障礙，來自明尼蘇達大學德盧斯分校的物理學教授維塔利·萬丘林，試圖以神經(jīng)網(wǎng)絡的角度去解釋整個宇宙的運作。

在他的計算推測中，萬丘林認為宇宙可能是一個巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡，整個神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)的每種可觀察現(xiàn)象都可以通過它來進行模擬建設，從某種程度上可以解釋整個宇宙的運作方式。

宇宙可能是一個巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡

萬丘林教授這個驚人的理論是如何得出的？什么是神經(jīng)網(wǎng)絡？如果宇宙是一個神經(jīng)網(wǎng)絡，這意味著什么？本文接下來將從神經(jīng)網(wǎng)絡工程和萬丘林教授的研究進行解答，為什么說宇宙可能是一個巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡，它真是活的嗎？

神經(jīng)網(wǎng)絡與現(xiàn)代物理的結(jié)合

當前的量子力學從理論研究開始，到應用在廣泛范圍內(nèi)對物理現(xiàn)象進行建模，從微觀狀態(tài)下的高能實驗，到宏觀范圍內(nèi)的宇宙學觀測。量子力學的范式表現(xiàn)得非常成功，現(xiàn)代科學界普遍認為，在最基本的層面上，整個宇宙都受量子力學的規(guī)則所支配，甚至包括引力也應該是在此之下以某種方式出現(xiàn)。

按照尺寸與速度分類，物理學的四大領(lǐng)域

但在量子力學的研究中有一個問題在于，當觀察者開始干涉或者對其進行觀察時，整個量子框架也會開始分崩離析。（可以參考量子通訊的問題）而觀察者如果排除在量子系統(tǒng)之外時，這一切似乎又很正常。如何描述量子系統(tǒng)中的宏觀觀察者，比如宇宙本身，并沒有像經(jīng)典物理學那樣對現(xiàn)象有著清楚的解釋。

宇宙大尺度結(jié)構(gòu)模擬圖

為了解決人們對物理世界的描述中出現(xiàn)的這種明顯不一致，人們應該考慮擁有一個比量子力學更基本的理論。因此在這個思考背景下，萬丘林教授假設了一個可行的描述，在最基本的層面上，整個宇宙的動力學是由一個經(jīng)歷學習進化的微觀神經(jīng)網(wǎng)絡來描述。

大腦和宇宙

如果描述正確，那么不僅是宏觀觀察者，更重要的地方在于，量子力學和廣義相對論應該在適當?shù)姆秶鷥?nèi)正確地描述微觀神經(jīng)網(wǎng)絡的動力學。

另外，量子力學的新見解認為，量子力學可能不是一種基本的理論，它只是一種允許在某些動力系統(tǒng)中進行統(tǒng)計計算的數(shù)學工具。如果正確，那么模擬應該能從第一原理推導出所有基本成本，如復波函數(shù)、薛定諤方程。

人腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡

萬丘林教授對包含兩種不同類型自由度的神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)系統(tǒng)進行了分析，接近平衡的可訓練變量的動力學由代表量子相的自由能的馬德隆方程描述，并且遠離平衡。它們的動力學由哈密頓方程描述，其中自由能代表哈密頓的主函數(shù)。

神經(jīng)元細胞結(jié)構(gòu)圖和連接圖

最終結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡確實可以表現(xiàn)出涌現(xiàn)的量子行為和經(jīng)典行為（兩種物理理論下的表現(xiàn)），同時他還強調(diào)這個學習動態(tài)是必不可少的，單獨的隨機動態(tài)不會產(chǎn)生預期的結(jié)果。對于廣義相對論以及熱力學定律中的熵宇宙，分析結(jié)果就有另外兩種狀態(tài)。

那么該研究是如何看待這些結(jié)果的呢？

愛因斯坦解釋廣義相對論的手稿扉頁

基于神經(jīng)網(wǎng)絡模擬的宇宙

神經(jīng)網(wǎng)絡在適當極限內(nèi)的動力學可以通過量子力學和廣義相對論的涌現(xiàn)來完成近似，但是這兩個極限狀態(tài)截然不同。引力理論下描述了一個非常稀疏和深度的神經(jīng)網(wǎng)絡，而在量子理論中，神經(jīng)網(wǎng)絡的表現(xiàn)非常密集和淺層。

另外萬丘林教授還推測，在深層和稀疏網(wǎng)絡的神經(jīng)元與淺層和密集網(wǎng)絡的邊界神經(jīng)元之間可能存在全息對偶映射。

原子的三個主要亞原子粒子是質(zhì)子、中子和電子

如果整個宇宙是一個神經(jīng)網(wǎng)絡，那么像自然選擇這樣的事情可能會在整個宇宙學的尺度上進行，小到亞原子，大到生物。宇宙中更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)更有機會存活下去，而不太穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)更有可能被消滅。

這個推測如果正確，那么我們今天所看見的原子和粒子實際上可能是從一些非常低的復雜性結(jié)構(gòu)開始，長期進化的結(jié)果。對于我們?nèi)祟惢蛘哒f宏觀狀態(tài)下的觀察者以及生物細胞則是更長時間進化的結(jié)果。

一個典型的原核細胞結(jié)構(gòu)

研究最后指出，要證明這個理論是錯的其實很簡單，它所需要的方法就是找到一種神經(jīng)網(wǎng)絡無法描述的物理現(xiàn)象。但在實際應用中非常困難，現(xiàn)在科學界有多種“萬物理論”的假設，它們都比較合理地解釋了事物的運作，因此目前也沒有神經(jīng)網(wǎng)絡不能模擬出來的計算。

智能機器人

但就神經(jīng)網(wǎng)絡工程來講，人們對機器學習，以及神經(jīng)網(wǎng)絡是如何運作的知道得非常少，這樣的說法顯然缺乏一定的說服力。這篇論文和相關(guān)的學術(shù)研究在2021年時就發(fā)表在了互聯(lián)網(wǎng)上，但是同行的研究人員對里面的研究持懷疑看法，不過神經(jīng)網(wǎng)絡確實能夠為科學家就觀察問題提供一個新的視角。

宇宙網(wǎng)絡與人腦細胞模型相似

另一方面，我們需要理解一點當下人工神經(jīng)網(wǎng)絡的建設，從研究的內(nèi)容來看，究竟什么是神經(jīng)網(wǎng)絡？

神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)

今天我們的神經(jīng)網(wǎng)絡多了一層新的含義，也就是人工神經(jīng)網(wǎng)絡的計算系統(tǒng)，這是一種基于生物神經(jīng)網(wǎng)絡創(chuàng)建的一種學習型計算。它是基于人工神經(jīng)元的連接單元或節(jié)點的集合，是對生物大腦中的神經(jīng)元進行松散的建模。

大腦結(jié)構(gòu)

這些建模就像生物大腦中的突觸一樣，可以將信號傳遞給其他神經(jīng)元，人工神經(jīng)元接收到信號后并對其進行處理，并于其他神經(jīng)元進行信號交互。

但人工神經(jīng)網(wǎng)絡和生物神經(jīng)網(wǎng)絡有一點不同的是，所有神經(jīng)元之間的連接都是固定好的，它不會像生物神經(jīng)那般會產(chǎn)生新的突觸連接。不過人工神經(jīng)網(wǎng)絡會對每一次的計算模擬進行更新迭代，尋求到一種更為快速高效的算法，也就是更快的神經(jīng)通行路線。

神經(jīng)元示意圖

人工神經(jīng)網(wǎng)絡的自我學習中，主要是通過考慮樣本觀察來適應網(wǎng)絡以更好地處理任務。學習涉及調(diào)整網(wǎng)絡的權(quán)重（和可選閾值）以此提高結(jié)果的準確性，在學習期間的定期評估由成本函數(shù)來完成，只要產(chǎn)出繼續(xù)下降，學習就會繼續(xù)。

因此神經(jīng)網(wǎng)絡的建造很大程度上和學習方法有關(guān)，目前的學習方法有三大范式，以此完成對應的特定學習任務。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡不會像生物神經(jīng)網(wǎng)絡那樣會在學習過程中產(chǎn)生新的突觸，但是神經(jīng)網(wǎng)絡也是能夠進化的。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡：是人工智能領(lǐng)域興起的研究熱點

它可以使用神經(jīng)進化計算創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡拓撲和權(quán)重，最大的優(yōu)點就是不太容易陷入“死胡同”。萬丘林教授的研究當中使用了隨機神經(jīng)網(wǎng)絡，通過向網(wǎng)絡中引入隨機變化來構(gòu)建，或者給它們隨機權(quán)重，因為隨機波動有助于網(wǎng)絡擺脫局部最小值。

盡管神經(jīng)網(wǎng)絡有著強大的計算能力，但是當前的神經(jīng)網(wǎng)絡需要消耗大量的硬件資源，同時還需要大量的訓練模型來進行迭代。對于文中提到的研究而言，其實它也是一種算法優(yōu)化和模擬，仍需要現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行支持。

神經(jīng)網(wǎng)絡是一種運算模型，由大量的節(jié)點相互聯(lián)接構(gòu)成

人工神經(jīng)網(wǎng)絡展示下的宇宙模型如果是真實的，那么我們也許是宇宙神經(jīng)網(wǎng)絡眾多模擬訓練的一次迭代。這樣驚人的理論發(fā)現(xiàn)也難怪很難獲得其他科學家的支持。

最后要特別指出的是，如果宇宙神經(jīng)網(wǎng)絡存在，也不能證明它確實是活著的，或許它只是一種算法模型，又或者是眾多神經(jīng)網(wǎng)絡連接中的一個節(jié)點。

浩瀚的宇宙

限于今天的人工網(wǎng)絡建設和現(xiàn)代物理研究的局限，人類對于宇宙的認知仍然處于未知，很難說這之間具體有什么聯(lián)系。神經(jīng)網(wǎng)絡也許會讓人類陷入更深層次的思考，也許又可能成為物理學家想要完成的終極大一統(tǒng)理論。