經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)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(rèn)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(yùn)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(xué)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(dá)大學(xué)德盧斯分校的物理學(xué)教授維塔利·萬丘林，試圖以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的角度去解釋整個宇宙的運(yùn)作。

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

宇宙可能是一個巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

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(luò)？如果宇宙是一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這意味著什么？本文接下來將從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工程和萬丘林教授的研究進(jìn)行解答，為什么說宇宙可能是一個巨大的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它真是活的嗎？

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代物理的結(jié)合

當(dāng)前的量子力學(xué)從理論研究開始，到應(yīng)用在廣泛范圍內(nèi)對物理現(xiàn)象進(jìn)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(xué)觀測。量子力學(xué)的范式表現(xiàn)得非常成功，現(xiàn)代科學(xué)界普遍認(rèn)為，在最基本的層面上，整個宇宙都受量子力學(xué)的規(guī)則所支配，甚至包括引力也應(yīng)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(xué)的四大領(lǐng)域

但在量子力學(xué)的研究中有一個問題在于，當(dāng)觀察者開始干涉或者對其進(jìn)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(xué)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(yīng)該考慮擁有一個比量子力學(xué)更基本的理論。因此在這個思考背景下，萬丘林教授假設(shè)了一個可行的描述，在最基本的層面上，整個宇宙的動力學(xué)是由一個經(jīng)歷學(xué)習(xí)進(jìn)化的微觀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)和廣義相對論應(yīng)該在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)正確地描述微觀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動力學(xué)。

另外，量子力學(xué)的新見解認(rèn)為，量子力學(xué)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(jìn)行統(tǒng)計計算的數(shù)學(xué)工具。如果正確，那么模擬應(yīng)該能從第一原理推導(dǎo)出所有基本成本，如復(fù)波函數(shù)、薛定諤方程。

人腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)

萬丘林教授對包含兩種不同類型自由度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，接近平衡的可訓(xùn)練變量的動力學(xué)由代表量子相的自由能的馬德隆方程描述，并且遠(yuǎn)離平衡。它們的動力學(xué)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(xì)胞結(jié)構(gòu)圖和連接圖

最終結(jié)果表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)調(diào)這個學(xué)習(xí)動態(tài)是必不可少的，單獨的隨機(jī)動態(tài)不會產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。對于廣義相對論以及熱力學(xué)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(luò)模擬的宇宙

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在適當(dāng)極限內(nèi)的動力學(xué)可以通過量子力學(xué)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(luò)，而在量子理論中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)的神經(jīng)元與淺層和密集網(wǎng)絡(luò)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(luò)，那么像自然選擇這樣的事情可能會在整個宇宙學(xué)的尺度上進(jìn)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(jī)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(fù)雜性結(jié)構(gòu)開始，長期進(jìn)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(xì)胞則是更長時間進(jìn)化的結(jié)果。

一個典型的原核細(xì)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(luò)無法描述的物理現(xiàn)象。但在實際應(yīng)用中非常困難，現(xiàn)在科學(xué)界有多種“萬物理論”的假設(shè)，它們都比較合理地解釋了事物的運(yùn)作，因此目前也沒有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不能模擬出來的計算。

智能機(jī)器人

但就神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工程來講，人們對機(jī)器學(xué)習(xí)，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)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(xué)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(luò)確實能夠為科學(xué)家就觀察問題提供一個新的視角。

宇宙網(wǎng)絡(luò)與人腦細(xì)胞模型相似

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

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

今天我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多了一層新的含義，也就是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算系統(tǒng)，這是一種基于生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建的一種學(xué)習(xí)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(jìn)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(jìn)行處理，并于其他神經(jīng)元進(jìn)行信號交互。

但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)會對每一次的計算模擬進(jìn)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(luò)的自我學(xué)習(xí)中，主要是通過考慮樣本觀察來適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)以更好地處理任務(wù)。學(xué)習(xí)涉及調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重（和可選閾值）以此提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，在學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)就會繼續(xù)。

因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建造很大程度上和學(xué)習(xí)方法有關(guān)，目前的學(xué)習(xí)方法有三大范式，以此完成對應(yīng)的特定學(xué)習(xí)任務(wù)。雖然人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不會像生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣會在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生新的突觸，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也是能夠進(jìn)化的。

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

它可以使用神經(jīng)進(jìn)化計算創(chuàng)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜋?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(dāng)中使用了隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過向網(wǎng)絡(luò)中引入隨機(jī)變化來構(gòu)建，或者給它們隨機(jī)權(quán)重，因為隨機(jī)波動有助于網(wǎng)絡(luò)擺脫局部最小值。

盡管神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著強(qiáng)大的計算能力，但是當(dāng)前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要消耗大量的硬件資源，同時還需要大量的訓(xùn)練模型來進(jìn)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(jìn)行支持。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)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(luò)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(luò)眾多模擬訓(xùn)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(xué)家的支持。

最后要特別指出的是，如果宇宙神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)連接中的一個節(jié)點。

浩瀚的宇宙

限于今天的人工網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和現(xiàn)代物理研究的局限，人類對于宇宙的認(rèn)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(luò)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(xué)家想要完成的終極大一統(tǒng)理論。