Die Frage nach dem Zusammenhang zwischen dem Makrokosmos des Universums und dem Mikrokosmos unseres Gehirns beschäftigt Wissenschaftler seit langem. Eine aktuelle Studie hat nun bemerkenswerte strukturelle Ähnlichkeiten zwischen diesen beiden scheinbar unterschiedlichen Systemen aufgedeckt. Ziel war es, zu beobachten, wie sich die Materiefluktuationen über so unterschiedliche Skalen streuen.
Die Größenordnungen im Vergleich
Das menschliche Gehirn hat ein Volumen von etwa einem Liter (1,27 l bei Männern, 1,13 l bei Frauen), was einem Kubikdezimeter oder 0,001 Kubikmetern entspricht. Im Gegensatz dazu besitzt das beobachtbare Universum ein Volumen von 2,3 Millionen Milliarden Trillionen Kubiklichtjahren - ein Unterschied von über 30 Größenordnungen.
Neuronale Netze vs. Kosmisches Netz
Das menschliche Gehirn arbeitet mit einem komplexen neuronalen Netzwerk, das schätzungsweise 69 Milliarden Neuronen enthält. Das beobachtbare Universum hingegen weist ein kosmisches Netz von mindestens 100 Milliarden Galaxien auf.
Gemeinsamkeiten in der Struktur
Trotz des enormen Größenunterschieds zeigen beide Systeme überraschende Gemeinsamkeiten in ihrer Struktur:
- Masseverteilung: In beiden Systemen machen Galaxien bzw. Neuronen nur etwa 30 Prozent der Masse aus.
- Anordnung: Die Elemente (Neuronen bzw. Galaxien) sind in langen Fäden oder Knoten zwischen den Fäden angeordnet.
- Konnektivität: Die durchschnittliche Anzahl an Verbindungen zwischen den Knoten und die Tendenz, mehrere Verbindungen einem zentralen Knoten zuzuordnen, sind in beiden Systemen ähnlich.
Die spektrale Dichte
Um die Gemeinsamkeiten weiter zu untersuchen, berechneten die Forscher die spektrale Dichte beider Systeme. Dies ist eine in der Kosmologie häufig angewandte Technik zur Untersuchung der räumlichen Verteilung von Galaxien. Die Analyse ergab, dass die Verteilung neuronaler Netze auf einer Skala von 1 Mikrometer bis 0,1 Millimeter der Verteilung von Materie in einem Raumnetz ähnlich ist, jedoch in einem größeren Maßstab von 5 Millionen bis 500 Millionen Lichtjahren.
Lesen Sie auch: Universum: Ein gigantisches Gehirn?
Ähnliche physikalische Prinzipien?
Die strukturellen Parameter identifizierten unerwartete Übereinstimmungsgrade. Die Forscher vermuten, dass sich die Konnektivität innerhalb der beiden Netzwerke nach ähnlichen physikalischen Prinzipien entwickelt, trotz der unterschiedlichen Kräfte, die Galaxien und Neuronen regulieren.
Die Rolle von Wasser und Dunkler Energie
Eine weitere frappierende Ähnlichkeit besteht in der Masse-/Energieverteilung. Sowohl das Gehirn als auch das Universum bestehen zu einem großen Teil aus einem scheinbar passiven Material: Das Gehirn besteht zu etwa 77 bis 78 Prozent aus Wasser, während die Dunkle Energie etwa 73 Prozent des Universums ausmacht. Interessanterweise spielen diese Hauptbestandteile nur eine indirekte Rolle in der inneren Struktur der jeweiligen Systeme.
Informationskapazität und Netzwerke
Beide Systeme organisieren sich durch fest umrissene Netzwerke, die aus Knoten bestehen, welche untereinander über Filamente verbunden sind. Auch der Skalenradius von Galaxien und Neuronen ist charakteristisch, da er im Vergleich zur Länge der Filamente nur einen kleinen Bruchteil ausmacht. Es wird vermutet, dass das Gehirn und das Universum über eine ähnliche Informationskapazität verfügen. Die Fähigkeit, Informationen zu speichern, wird beim menschlichen Gehirn auf circa 2,5 Petabyte geschätzt.
Supercomputer-Simulationen bestätigen Ähnlichkeiten
Mithilfe von Supercomputern führten Forscher komplexe Simulationen des Universums durch. Dabei wurde festgestellt, dass das kausale Netzwerk, das die großräumige Struktur von Raum und Zeit in unserem beschleunigenden Universum repräsentiert, eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zu komplexen Netzwerken wie dem Internet, sozialen Netzwerken oder biologischen Netzwerken aufweist. Die großräumigen Wachstumsdynamiken komplexer Netzwerke und kausaler Netzwerke sind über lange Zeiträume asymptotisch gleich, was die strukturelle Ähnlichkeit zwischen diesen Netzwerken erklärt.
Die Bedeutung interdisziplinärer Forschung
Diese Erkenntnisse sind ein Beispiel für interdisziplinäre Forschung, die Mathematik, Physik und Computerwissenschaften auf unerwartete Weise kombiniert. Wer hätte vermutet, dass das Auftauchen der vierdimensionalen Raumzeit unseres Universums aus dem Quantenvakuum etwas mit dem Wachstum des Internets zu tun hat? Da Kausalität beidem zugrunde liegt, ist die gefundene Ähnlichkeit möglicherweise zu erwarten.
Lesen Sie auch: Synapsen im Gehirn
Boltzmann-Gehirne: Ein philosophisches Problem
Die Entdeckung von Ähnlichkeiten zwischen Gehirn und Universum wirft auch philosophische Fragen auf. Das Konzept der "Boltzmann-Gehirne" besagt, dass es wahrscheinlicher sein könnte, dass ein Gehirn zufällig aus dem Nichts entsteht und ein Universum halluziniert, als dass ein "normales" Universum wie unseres entsteht. Dieses Paradoxon stellt unser Verständnis der Kosmologie in Frage und zwingt uns, über die Rolle des Beobachters im Universum nachzudenken.
Musik als Metapher für kosmische Dimensionen
Die Idee, die Harmonien der Welten musikalisch zu interpretieren, ist nicht neu. Schon Johannes Kepler und die alten Griechen sahen in der Bewegung der Gestirne etwas Musikalisches. In einem aktuellen Projekt wird eine spezielle Tonleiter, die Bohlen-Pierce-Skala, verwendet, um kosmische Dimensionen klanglich darzustellen. Diese Skala, die eine Alternative zur traditionellen Zwölftonleiter bietet, dient als Metapher für die Frage, ob es alternative Universen oder Lebensformen geben könnte.
Lesen Sie auch: Universum als Gehirn: Eine Analyse