02
Двадцать семь нулей
Давайте начнём с неудобного вопроса: почему Вселенная выглядит как мозг?
Именно выглядит — со всей статистической строгостью, которую способна обеспечить современная наука.
Вацца и Фелетти заметили это далеко не первыми. Визуальное сходство между микрофотографиями нейронных сетей и компьютерными моделями крупномасштабной структуры Вселенной давно гуляло по интернету как мем, курьёз и красивая картинка для постера в кабинете физика с чувством юмора. Но до 2020 года никто этого не посчитал.
Вацца и Фелетти посчитали — и вот что получилось. Но сначала немного контекста, без которого любые цифры остаются просто цифрами.
Как мы узнали, что Вселенная — паутина.
До 1980-х годов космологи думали, что галактики распределены по Вселенной более-менее равномерно — как изюм в тесте, случайно, но в среднем однородно. Потом появились обзоры красных смещений — систематические карты трёхмерного расположения галактик: CfA Redshift Survey 1986 года, Sloan Digital Sky Survey в нулевые. И тесто оказалось губкой.
Галактики раскиданы вовсе не равномерно: они сконцентрированы на нитях — длинных тонких структурах, протянутых через пустоту, — а нити сходятся в узлах, массивных скоплениях, в каждом из которых от сотен до тысяч галактик. Между нитями — войды, пузыри пустоты, в которых почти ничего нет: диаметр среднего войда — от ста до трёхсот миллионов световых лет, объём — триллионы кубических световых лет.
Вся эта конструкция называется космической паутиной — крупнейшая структура в наблюдаемой Вселенной, настолько большая, что свету нужны миллиарды лет, чтобы пересечь её от края до края, и настолько красивая, что в 2020 году исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Крузе попробовали смоделировать её алгоритмом, вдохновлённым слизевиком Physarum polycephalum, — и получили почти идеальное совпадение с наблюдениями. Слизевик — одноклеточный плазмодий без нервной системы (буквально одна гигантская клетка с миллионами ядер) — строит транспортные сети, математически идентичные крупномасштабной структуре Вселенной.
(Заметьте: слизевик без всякого мозга строит сеть как Вселенная, — так что уверены ли вы, что «сознание» в самом деле необходимо для создания структуры, или, может, достаточно одних правил?)
Космическая паутина — это крупномасштабная структура Вселенной: связи между галактиками (галактики — узлы): нити из тёмной материи и газа, протянутые через пустоту, длиной в десятки и сотни мегапарсеков. Между нитями — войды, пузыри пустоты диаметром в сотни миллионов световых лет. Вся наблюдаемая Вселенная — это пена из нитей и пустот, и если бы вы могли посмотреть на неё со стороны (откуда?), вы бы увидели — паутину.
Паутину в буквальном смысле — трёхмерную сеть нитевидных структур, соединённых узлами, с характерным масштабом ячейки и степенным распределением связей.
Нейронная сеть мозга — это, грубо говоря, то же самое: сто миллиардов узлов (нейронов), соединённых ста триллионами связей (синапсов), организованных в слои, столбцы и модули. Между плотными кластерами нейронов — тоже «войды»: области белого вещества, где проходят только аксоны — длинные «провода», соединяющие удалённые регионы.
Вацца и Фелетти взяли оба набора данных — космологические симуляции и микрофотографии срезов мозга — и применили одни и те же инструменты анализа.
Результаты четырёх тестов выглядят так.
Тест первый: распределение сложности. Представьте, что вы слушаете музыку и хотите понять, сколько в ней баса, сколько средних частот, сколько верхов. Для этого существует математический приём — он разбирает любой сигнал на «слои» по масштабу. Физики называют это спектральным анализом; для нас важно одно — он работает как рентген: показывает внутреннюю структуру, невидимую глазу.
Вацца и Фелетти прогнали через этот «рентген» обе системы — космическую паутину и мозг. Результат: одинаковый спектр, в котором доминируют те же «частоты» и подавлены те же; кривые на графиках параллельны и сдвинуты ровно на тот масштабный фактор, который разделяет нейрон и скопление галактик.
Как конкретно они это делали. Вацца взял компьютерную модель Вселенной — симуляцию, в которой компьютер просчитывает движение миллиардов частиц под действием гравитации. Фелетти взял фотографии срезов мозга под электронным микроскопом — настолько подробные, что видно каждый отдельный нейрон. Оба набора данных — трёхмерные. Оба содержат точки и связи между ними. И оба были обработаны одной и той же программой: один код, два мира, один результат.
Это важно. Сравнение картинок на глаз даёт парейдолию (мозг видит то, что хочет видеть), а вот один и тот же математический тест на двух наборах данных глаза уже не задействует. Глаза обмануть можно, математику — нет.
Тест второй: устройство связей. Вацца и Фелетти нарисовали обе системы как схемы: точки (узлы) и линии между ними (связи). И посчитали, как точки соединены. Сколько связей у каждого узла? В космосе — в среднем 3,8–4,1, в мозге — 4,6–5,4; для сравнения, в дорожной сети Нью-Йорка получается около 3 (перекрёстки), а в интернете — от 2 до 7. Мозг и Вселенная — в одном узком коридоре. Как два города, построенных по одному генплану на разных континентах.
Тест третий: группировка. В обеих системах узлы собраны в плотные группы, соединённые длинными «мостами». Такое устройство называется «сетью малого мира» — вы, возможно, слышали, что любые два человека на Земле разделены не более чем шестью рукопожатиями. Это — ровно оно. Мозг устроен как «малый мир», и Вселенная — тоже, и интернет — тоже, только с другими числами в формуле.
Тест четвёртый: сколько помещается. Вацца оценил информационную ёмкость обеих систем — сколько «да/нет» ответов можно в них закодировать. Наблюдаемая Вселенная хранит примерно 4,3 петабайта (петабайт — это миллион гигабайт, примерно двести тысяч фильмов в высоком качестве). Человеческий мозг — 2,5 петабайта. Разница — меньше чем в два раза. При том что разница в размере — двадцать семь порядков.
Из пресс-релиза к статье — сами авторы резюмируют. Фелетти: «Вероятно, связность двух сетей эволюционирует по одним и тем же физическим принципам — несмотря на очевидную разницу между силами, управляющими галактиками и нейронами».
Перечитайте это предложение медленно, ещё раз, — оно стоит того, чтобы дочитать его до точки и затем вернуться в начало.
Вы сейчас подумали что-то одно из двух: либо «ну и что, числа похожи, это ничего не значит», либо «подождите, это значит, что Вселенная помнит?» Оба варианта разумны: первый безопасен, второй страшен, — страшен потому, что если он верен, то каждая галактика становится записью, каждый войд — паузой между записями, и то, что мы привычно называем «наблюдаемой Вселенной», оказывается памятью размером в 93 миллиарда световых лет, а старая картина «пространства с объектами» при этом распадается прямо в руках. Чья именно это память — уже отдельный вопрос.
Теперь — честная часть. Без неё всё предыдущее было бы пропагандой в обёртке науки.
Что это не доказывает.
Есть ещё одна параллель, которая гуляет по интернету и заслуживает честного разбора. Семьдесят процентов массы-энергии Вселенной — тёмная энергия, «пассивный» компонент, ускоряющий расширение. Семьдесят процентов массы мозга — вода. Оставшиеся тридцать процентов — «активная» структура: галактики (космос) и нейроны (мозг).
Совпадение чисел эффектное, но поверхностное. Вода в мозге — активный участник биохимии: ионный транспорт, осмос, складывание белков. Тёмная энергия ускоряет расширение Вселенной. Функции принципиально разные. Это численное совпадение, не более, — красивое для постера в коридоре, но бесполезное для содержательной науки.
Я говорю это, потому что честность здесь важнее любого «вау-эффекта»: в этой книге настоящих «вау» и без подделок будет достаточно.
Что это ещё не доказывает.
Это всё ещё не доказывает, что Вселенная — мозг и что она «думает», «чувствует» или «осознаёт». Похожесть по устройству и похожесть по функции — разные вещи: кровеносная система, корневая система дерева, московское метро — тоже сети, и далеко не всё, что устроено как нейронная сеть, является нейронной сетью.
Контраргумент — и он серьёзный. Физики Барабаши и Альберт в 1999 году показали: многие сложные сети — от интернета до взаимодействий белков в клетке — устроены по одному закону. У большинства узлов мало связей, но у некоторых — очень много. Как в школе: у большинства ребят пять-шесть друзей, но у одного — сто знакомых. Это — свойство самоорганизации вообще, и предполагать здесь какой-то единый «разум» вовсе не обязательно. Может быть, мозг и Вселенная похожи просто потому, что оба — продукты самоорганизации. Как снежинки похожи на звёзды — потому что физика симметрии одна и та же.
Ответ — и он тоже серьёзный. Вацца и Фелетти сравнили мозг и Вселенную не только друг с другом, но и с другими сетями — облаками, ветвями деревьев, потоками воды. Мозг и Вселенная оказались более похожи друг на друга, чем на любую из этих систем. Если бы дело было только в универсальных законах роста сетей, сходство было бы одинаковым для всех. Оно — не одинаковое. Мозг и Вселенная — особый случай.
Криуков и соавторы (Scientific Reports, 2012) пошли ещё дальше. Они показали, что способ, которым растёт наша расширяющаяся Вселенная, и способ, которым растут сложные сети (интернет, социальные сети), — описываются одними и теми же уравнениями. Буквально: подставь одни числа — получишь интернет, подставь другие — получишь пространство-время; одна и та же формула описывает два мира, у которых нет ничего общего.
Это уже выходит за пределы парейдолии и намекает на то, что самоорганизация сама требует объяснения: она — часть загадки, а никак не её решение.
Есть ещё один результат, настолько странный, что я не знаю, в какую рубрику его положить. В 2020 году те же исследователи из Санта-Круса использовали слизевик Physarum polycephalum — плазмодий без нервной системы, у которого из всего хозяйства имеется только жёлтая слизь, миллионы ядер в общей цитоплазме и потрясающая способность строить оптимальные транспортные сети, — для картирования космической паутины.
Слизевик — в лаборатории — строит сеть. Она минимизирует длину путей и максимизирует связность. Это — оптимальная сеть, лучшая из возможных при данных ограничениях.
Исследователи создали алгоритм по образу поведения слизевика — компьютерную имитацию — и применили его к данным о 450 000 гало тёмной материи из космологических симуляций. Результат: «почти идеальное совпадение» с наблюдаемой космической паутиной.
Слизевик без мозга строит ту же сеть, что и Вселенная.
Вдумайтесь: слизевик без нервной системы и наблюдаемая Вселенная решают одну и ту же оптимизационную задачу с одним и тем же ответом, на масштабах, различающихся в раз.
Аргумент здесь про другое: правила оптимизации одни и те же везде, на каждом масштабе, от слизевика до сверхскопления, — просто потому, что другого оптимума не существует в принципе, и сама математика этой оптимизации одна и та же, никак не зависящая от субстрата.
Если бы в Японии — где Physarum polycephalum, к слову, использовали для оптимизации токийского метро (Теро с соавторами, Science, 2010) — учёным сказали: «Ваш слизевик проектирует космос» — они бы, наверное, засмеялись. И — были бы неправы.
Дальше начинается территория, на которой большинство учёных предпочитает остановиться, потому что там становится неудобно: наука там, конечно, есть, но она требует задавать неудобные вопросы, на которые карьерных дивидендов не выписывают.
Если Вселенная и мозг — из одного класса систем, то класс нужно назвать. Сказать «самоорганизация» — значит ничего не сказать: это слово описывает как именно собирается порядок, тогда как до вопроса что именно собирается оно даже не доходит. Как получается, что самоорганизация на масштабе нейрона и на масштабе сверхскопления галактик даёт один и тот же результат?
Давайте соберём совпадения в одном месте. Таблицей. Чтобы было не «ощущение», а — данные.
| Параметр | Мозг | Вселенная |
|---|---|---|
| Узлов | нейронов | галактик |
| Связей на узел | 4,6–5,4 | 3,8–4,1 |
| Информация | 2,5 петабайт | 4,3 петабайт |
| «Пассивный» компонент | 75% (вода) | 68% (тёмная энергия) |
| Архитектура | «малый мир» | «малый мир» |
| Фрактальная размерность | 2,0 | 2,2 |
Сто миллиардов нейронов и сто миллиардов галактик — одно и то же число. Четыре-пять связей на узел — одна и та же топология. Два с половиной против четырёх с небольшим петабайт — один и тот же порядок.
Любой из этих параметров по отдельности объясним; два совпадения — «интересное совпадение»; три — «надо бы посмотреть»; шесть — уже закономерность, и дальше у нас остаётся два варианта объяснения этой закономерности.
Первый — совпадение: шесть не связанных друг с другом совпадений; статистически маловероятно, но не невозможно. Шесть орлов подряд — вероятность , маловероятно, но бывает: математика допускает, наука принимает, жизнь продолжается.
Второй — общий принцип: нечто более глубокое, чем физика нейронов и физика галактик, определяет архитектуру и тех и других; нечто, что работает одинаково на любом масштабе и что мы пока не умеем назвать, но уже можем измерить.
Первый вариант безопасный по карьерным меркам, а второй — интересный по содержательным; в науке, как и в покере, безопасный приносит мало, тогда как интересный может принести всё или ничего, — но играть стоит, и эта книга — про второй.
Что произошло после публикации Вацца и Фелетти? Одновременно ничего и всё.
«Ничего» — потому что статью никто не опроверг: ошибок в расчётах коллеги не нашли, альтернативного объяснения, которое бы закрыло вопрос, тоже никто не предложил. Статья вышла, набрала цитирования, попала в научпоп — и так и осталась висеть, как факт, с которым непонятно, что делать; как улика, к которой не подобрали преступления.
«Всё» — потому что Вацца не остановился. В 2022 году он опубликовал расширенное исследование, применив к тем же данным ещё более изощрённые математические инструменты — те, что умеют находить структуру там, где глаз видит только хаос. Результат тот же: мозг и Вселенная — один класс.
В 2023-м другая группа учёных — Павлос и соавторы — применила к тем же данным анализ хаотических систем и обнаружила: обе системы существуют на краю хаоса. Физики называют это «самоорганизованная критичность» — состояние, в котором система балансирует на грани между порядком и беспорядком. Как канатоходец: шаг влево — упадёт в хаос, шаг вправо — застынет в неподвижности. Посередине — максимум сложности, максимум чувствительности, максимум возможностей. Мозг работает на этом краю — нейробиологи знают это с 2000-х. Оказывается — Вселенная тоже.
Ну и что из всего этого следует для вас лично?
Серьёзно: допустим, Вселенная и мозг — из одного класса; допустим, математика у них одна. Что нам с того? Как это касается вас — человека, который платит ипотеку, стоит в пробке и думает о том, что на ужин?
Вот как. Если самоорганизация на всех масштабах работает одинаково — от нейрона до сверхскопления — то масштаб не имеет значения. Тот же процесс, который собирает галактики в нити, собирает ваши мысли в идеи. Те же правила, которые определяют, как космическая паутина распределяет материю, определяют, как ваш мозг распределяет внимание. Одна математика. Буквально.
Это значит: вы — та же структура, на другом масштабе, с теми же правилами, с той же топологией, с той же архитектурой «малого мира».
Два с половиной петабайта информации в вашей голове и четыре с небольшим во Вселенной — разница в один порядок, который на фоне двадцати семи порядков разницы в размере выглядит как ничто. Информационно вы почти равны Вселенной, — имейте это в виду, когда в следующий раз почувствуете себя незначительным.
Дальше мы поговорим о том, что может быть этим «что-то». И начнём с самого радикального кандидата: информации — физической субстанции, столь же реальной, как энергия, масса и пространство-время.
Джон Арчибальд Уилер — один из величайших физиков двадцатого века, соавтор теории ядерного деления, учитель Ричарда Фейнмана, человек, придумавший термин «чёрная дыра» — в 1990 году произнёс три слова, которые физика до сих пор переваривает:
It from bit.
Всё, что есть, — из информации.