宇宙網路的優美複雜性

本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點

科學家們在不到十年前發現了所謂的“宇宙網路”。從那時起，各種問題一直存在，其中最重要的問題可能是：宇宙網路是什麼樣子的？ Kim Albrecht 在複雜網路研究中心的新視覺化有助於解決這個有趣的謎團。

但首先，讓我們回顧一下：宇宙網路到底是什麼？簡而言之，它是宇宙中所有星系形成的巨大網路，以及連線它們的網狀結構。這些星系間的連線由看不見的氫氣絲組成，構成了宇宙中大部分普通物質，並追蹤了暗物質的分佈。

直接觀察這些宇宙絲是極具挑戰性的。天體物理學家已經設法拍攝了足夠多的宇宙網路片段，以至於其結構的預測模型看起來足夠可靠。去年，Illustris 專案背後的研究人員使用這些模型構建了宇宙網路的2D 模擬，可視化了氣體密度、溫度和速度等關鍵資料。

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以 Illustris 為基礎，視覺研究員和資訊設計師 Kim Albrecht 現在建立了一個雄心勃勃的新的宇宙網路 3D 視覺化。Albrecht 的專案名為“網路宇宙”，它以 Illustris 模擬為基礎，將其提升到一個新的水平，不僅是互動式的，而且是沉浸式的。

當我放大、平移和旋轉“網路宇宙”時，我立刻被它呈現的三個宇宙網路“模型”之間的視覺差異所震驚。這些有趣的差異從何而來？答案在於視覺化所基於的科學。

Albrecht 的視覺化誕生於一項旨在評估可能決定宇宙網路結構的各種演算法的合作研究專案。網路的三個視覺渲染代表了測試的三個主要模型。該網站提供了每個模型的簡短一句話摘要，而研究論文則將其進一步分解為數學公式。我承認，當我閱讀公式時，我有些走神，雖然網站上的描述比較友好，但我最初仍然很難理解我眼睛所看到的精確來源。經過一番批判性思考和與 Albrecht 的電子郵件交流，答案開始在我的腦海中鞏固。

固定長度模型相當簡單：彼此在給定距離內的所有節點（即星系）都連線在一起。那些在該半徑內沒有任何鄰居的節點是孤立的，而那些有很多鄰居的節點也有同樣多的連線。因此，在某些節點緊密聚集的地方，視覺化顯得非常密集，而在其他地方則顯得非常稀疏。

在可變長度模型中，事情變得稍微複雜一些。在這裡，節點越大，其連線可以到達的距離就越長。較小的節點也可以形成連線，但只能與那些相對靠近它們的節點形成連線。結果是一種豐富的視覺密度，其特徵是廣泛的、重疊的絲線，以及集中在最大節點周圍的強烈白色。

最後，根據最近鄰模型，每個節點僅限於 *n* 個連結，並且這些連結僅與離它最近的節點共享。因此，假設 *n* = 3。對於某些節點，三個最近的鄰居都將彼此靠近，而對於其他節點，它們可能相距更遠。但是，即使對於有許多鄰居的節點，連線數也不能超過三個。因此，視覺化永遠不會像其任何一個對應物那樣變得高度密集，並且黑底上的白色分佈相對均勻。

雖然所有的視覺化都美麗且有趣，但對我來說，最近鄰模型有一些特別之處。連線線看起來非常乾淨，並且整體構圖具有某種令人愉悅的自然感；一種由壓倒一切的秩序所緩和的隨機感。人們甚至可以將其與自然界中的某些結構進行比較，例如大腦中的神經網路或蛋白質絲網。

有趣的是，正如研究論文中所概述的那樣，最近鄰模型在與宇宙網路的實際觀測特徵的相容性方面是最強的。雖然圍繞這些結果顯然還有更多的科學需要探索，但作為視覺藝術家，我對這個結果的簡單而詩意的表面感到滿意。那些對人眼來說最美麗，並且確實最像人類自身組成的物質，恰好是真相。