跟着小小的黏菌去计算大大的宇宙

在浩瀚的自然界中，大到宇宙网的结构、雷电的形状、树枝的分叉，小到菌丝的延伸、神经的分支、黏菌的脉络网，这些毫无关联的物质，似乎遵循着某种共同的法则。是巧合？还是大自然精心设计的算法？

形态相似的闪电、黏菌和菌丝

在自然界中，黏菌这一微小生物，却暗藏着揭示宇宙运行规律的密码。此前的as文章曾介绍过黏菌学者南方熊楠的黏菌哲学，他坚信观察黏菌便是解读宇宙法则的密钥。

如今，科学家们循着这一思路，将抽象的哲学思考转化为具体的研究手段：通过黏菌算法来推演宇宙网的复杂结构。

在广袤无垠的宇宙中，人类肉眼所能直接观测到的可见物质仅占宇宙总质能（质量与能量总和）的约4.9%。更多的其实是既不发光，也不反射光的暗物质。

宇宙间这些看似分散的星系，实则由一张巨大的宇宙网相互连接。

宇宙网是宇宙在最大尺度上的结构，由众多星系、星系团、气体和暗物质构成，构成了整个宇宙的“骨架”。1985年，哈佛-史密森尼天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）开展的红移巡天调查，（Redshift Survey）首次为宇宙网的存在提供了观测证据。

宇宙网模拟图

科学家们的一项突破性发现令人惊叹：宇宙网中的纤维状结构——那些在模拟图中呈现紫色的细丝，竟与黏菌的营养输送网络有着惊人的同构性。这种相似绝非表面形态的巧合，二者本质上都是为实现资源高效连接与路径优化而存在的精密系统。

研究人员受黏菌觅食行为启发，将其动态寻优机制转化为算法模型，成功用于勾勒宇宙网细丝分布，并精准定位其中隐匿的气体物质。这一创新性研究方法，为天体物理学领域打开了全新视角，有望帮助我们更深入地解析宇宙网的形成机制与演化规律。

自2000年，日本的中垣俊之教授做了黏菌迷宫实验以来，黏菌便开始被应用于解决各种各样的空间问题，比如模拟东京等城市的地铁线路图。

黏菌通过系统地探索食物来源与周围环境，将自己塑造成了复杂的网络与食物来源点相连。因此，食物来源便可以代表输入的数据（比如地铁站的位置），不同的化学和物理刺激可以用于进一步引导黏菌的生长（比如用光照和阴影来模拟山区）。

但是，用实体的黏菌来解决空间问题存在显著缺点，那就是黏菌生长缓慢，仅仅适用于简单的问题，当数据点过多，或者在复杂的3D空间，这个方法便不再可行。

2010年杰夫•琼斯（Jeff Jones）开创性地提出了黏菌智能体仿真系统。

通过算法对黏菌行为模式进行数字化建模，这一创新突破了物理条件限制，为高效处理复杂空间问题开辟了新路径。

随后，跨学科科学家奥斯卡·埃莱克博士（Oskar Elek）团队从杰夫·琼斯（Jeff Jones）的成果中汲取了许多灵感，将琼斯的模型从2D扩展到3D，应用到了宇宙网结构的构建之中。 提出了名为“Monte Carlo Physarum Machine（MCPM）”的计算模型，旨在重建宇宙中气体和暗物质的大规模分布（宇宙网）。

此外，奥斯卡团队也从艺术界积极汲取灵感。当他们在寻找一种用来可视化宇宙网结构的方法时，奥斯卡·埃莱克在网上发现了柏林媒体艺术家塞奇·詹森（Sage Jenson）的作品。

NASA称塞奇·詹森的作品是“令人着迷的艺术模拟…”。

Sage Jenson，36 Points (2022)

巧合的是，塞奇·詹森的一部与黏菌相关的作品的灵感也恰好来源于前文提到的杰夫·琼斯发表的一篇论文。

2010年，杰夫·琼斯发表了一篇名为“Strategies formation and evolution in approximations of Physarum transport networks（近似黏菌传输网络中的策略形成与演化）的论文。论文中所展示的基于黏菌智能体的仿真系统令塞奇·詹森感到十分新奇。

他以琼斯的理论模型为基石，融入个人创意，借助GPU强大的并行计算能力，通过数字媒体与计算机技术，生动演绎出黏菌网络结构动态生长的奇幻图景。

杰夫·琼斯的算法框架与塞奇·詹森的艺术创想，如同一颗投入科研湖面的石子，激荡出利用黏菌算法探索宇宙网结构的灵感涟漪。

黏菌与宇宙网的相似性，绝非视觉层面的巧合——宇宙网中维系星系物质流动与能量交互的丝状结构，恰似黏菌为高效获取养分而编织的动态网络，二者在功能优化机制上展现出惊人的同构性：黏菌通过实时调整菌丝网络提升觅食效率，宇宙网则以类似逻辑维持着全宇宙的物质平衡与系统稳定。基于这种跨越尺度的奇妙呼应，科学家们将黏菌算法应用于绘制宇宙网丝状结构、推演暗物质分布规律，乃至解析星系间复杂作用力。

从工程领域的飞机汽车结构设计，到天体物理中浩瀚宇宙网的计算建模，黏菌算法的广泛应用，恰恰印证了百年前南方熊楠“观察黏菌即洞悉宇宙法则”的哲学预言。

这种微小生物以其独特的生存智慧揭示：真正的智能不在于预设的程式规则，而在于随机应变、迭代进化的能力。它如同一面镜子，映照出自然界蕴藏的无限启示，提醒着人类在科技探索之路上，始终保持对自然奥秘的敬畏与借鉴。

Reference:

https://www.sagejenson.com/36points/#07_enmeshed_singularities

https://cargocollective.com/sagejenson

https://feralfile.com/journal/close-up/movement-space-memory

https://cordis.europa.eu/project/id/316366

https://science.nasa.gov/resource/cosmic-web/

https://www.astronomy.com/science/what-is-the-cosmic-web-made-of/

来源：as科学艺术研究中心

编辑：紫竹小筑

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