宇宙网络的优美复杂性

本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点

科学家们在不到十年前发现了所谓的“宇宙网络”。从那时起，各种问题一直存在，其中最重要的问题可能是：宇宙网络是什么样子的？ Kim Albrecht 在复杂网络研究中心的新可视化有助于解决这个有趣的谜团。

但首先，让我们回顾一下：宇宙网络到底是什么？简而言之，它是宇宙中所有星系形成的巨大网络，以及连接它们的网状结构。这些星系间的连接由看不见的氢气丝组成，构成了宇宙中大部分普通物质，并追踪了暗物质的分布。

直接观察这些宇宙丝是极具挑战性的。天体物理学家已经设法拍摄了足够多的宇宙网络片段，以至于其结构的预测模型看起来足够可靠。去年，Illustris 项目背后的研究人员使用这些模型构建了宇宙网络的2D 模拟，可视化了气体密度、温度和速度等关键数据。

关于支持科学新闻

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来能够有关于塑造我们当今世界的发现和思想的有影响力的故事。

以 Illustris 为基础，视觉研究员和信息设计师 Kim Albrecht 现在创建了一个雄心勃勃的新的宇宙网络 3D 可视化。Albrecht 的项目名为“网络宇宙”，它以 Illustris 模拟为基础，将其提升到一个新的水平，不仅是交互式的，而且是沉浸式的。

当我放大、平移和旋转“网络宇宙”时，我立刻被它呈现的三个宇宙网络“模型”之间的视觉差异所震惊。这些有趣的差异从何而来？答案在于可视化所基于的科学。

Albrecht 的可视化诞生于一项旨在评估可能决定宇宙网络结构的各种算法的合作研究项目。网络的三个视觉渲染代表了测试的三个主要模型。该网站提供了每个模型的简短一句话摘要，而研究论文则将其进一步分解为数学公式。我承认，当我阅读公式时，我有些走神，虽然网站上的描述比较友好，但我最初仍然很难理解我眼睛所看到的精确来源。经过一番批判性思考和与 Albrecht 的电子邮件交流，答案开始在我的脑海中巩固。

固定长度模型相当简单：彼此在给定距离内的所有节点（即星系）都连接在一起。那些在该半径内没有任何邻居的节点是孤立的，而那些有很多邻居的节点也有同样多的连接。因此，在某些节点紧密聚集的地方，可视化显得非常密集，而在其他地方则显得非常稀疏。

在可变长度模型中，事情变得稍微复杂一些。在这里，节点越大，其连接可以到达的距离就越长。较小的节点也可以形成连接，但只能与那些相对靠近它们的节点形成连接。结果是一种丰富的视觉密度，其特征是广泛的、重叠的丝线，以及集中在最大节点周围的强烈白色。

最后，根据最近邻模型，每个节点仅限于 *n* 个链接，并且这些链接仅与离它最近的节点共享。因此，假设 *n* = 3。对于某些节点，三个最近的邻居都将彼此靠近，而对于其他节点，它们可能相距更远。但是，即使对于有许多邻居的节点，连接数也不能超过三个。因此，可视化永远不会像其任何一个对应物那样变得高度密集，并且黑底上的白色分布相对均匀。

虽然所有的可视化都美丽且有趣，但对我来说，最近邻模型有一些特别之处。连接线看起来非常干净，并且整体构图具有某种令人愉悦的自然感；一种由压倒一切的秩序所缓和的随机感。人们甚至可以将其与自然界中的某些结构进行比较，例如大脑中的神经网络或蛋白质丝网。

有趣的是，正如研究论文中所概述的那样，最近邻模型在与宇宙网络的实际观测特征的兼容性方面是最强的。虽然围绕这些结果显然还有更多的科学需要探索，但作为视觉艺术家，我对这个结果的简单而诗意的表面感到满意。那些对人眼来说最美丽，并且确实最像人类自身组成的物质，恰好是真相。