Die Struktur des Universums und die Gesetze, die sein Wachstum steuern, könnten ähnlicher zu der Struktur und dem Wachstum des menschlichen Gehirns und anderer komplexer Netzwerke (etwa dem Internet oder einem sozialen Netzwerk aus Vertrauensbeziehungen zwischen Menschen) sein als bislang gedacht. Zu diesem Ergebnis kam eine neue Studie, die in dem Wissenschaftsjournal Nature’s Scientific Reports veröffentlicht wurde.
„Auf keinen Fall behaupten wir, dass das Universum ein globales Gehirn oder ein Computer ist“, sagte Dmitri Krioukov, Co-Autor der Studie, die von der Cooperative Association for Internet Data Analysis (CAIDA) am San Diego Supercomputer Center (SDSC) der University of California in San Diego veröffentlicht wurde. „Aber die entdeckte Äquivalenz zwischen dem Wachstum des Universums und komplexen Netzwerken deutet stark darauf hin, dass unerwartet ähnliche Gesetze die Dynamiken dieser sehr unterschiedlichen komplexen Systeme steuern.“
Die Fähigkeit zur Vorhersage – geschweige denn der Versuch zur Kontrolle – der Dynamiken komplexer Netzwerke bleibt eine zentrale Herausforderung in der Netzwerk-Wissenschaft. Strukturelle und dynamische Ähnlichkeiten von verschiedenen realen Netzwerken sprechen dafür, dass einige universelle Gesetze am Werk sein könnten, obwohl die Natur und der gemeinsame Ursprung dieser Gesetze schwer fassbar bleiben.
Indem sie mit Supercomputern komplexe Simulationen des Universums durchführten und durch die Verwendung einer Vielzahl anderer Berechnungen haben die Forscher jetzt bewiesen, dass das kausale Netzwerk, das die großräumige Struktur von Raum und Zeit in unserem beschleunigenden Universum repräsentiert, ein Graph ist, der eine bemerkenswerte Ähnlichkeit zu vielen komplexen Netzwerken wie dem Internet, sozialen, oder sogar biologischen Netzwerken aufweist.
„Diese Ergebnisse haben wichtige Auswirkungen sowohl auf die Netzwerk-Wissenschaft als auch auf die Kosmologie“, betonte Krioukov. „Wir entdeckten, dass die großräumigen Wachstumsdynamiken komplexer Netzwerke und kausaler Netzwerke (über lange Zeiträume) asymptotisch gleich sind, was die strukturelle Ähnlichkeit zwischen diesen Netzwerken erklärt.“
„Dies ist ein perfektes Beispiel für interdisziplinäre Forschung, die Mathematik, Physik und Computerwissenschaften auf völlig unerwartete Weisen kombiniert“, sagte Michael Norman, Direktor des SDSC. „Wer hätte vermutet, dass das Auftauchen der vierdimensionalen Raumzeit unseres Universums aus dem Quantenvakuum etwas mit dem Wachstum des Internet zu tun hat? Kausalität liegt beidem zugrunde, also vielleicht wird die von Krioukov und seinen Mitarbeitern gefundene Ähnlichkeit zu erwarten sein.“
Natürlich ist das Netzwerk, das die Struktur des Universums repräsentiert, astronomisch groß – in der Tat kann es unendlich sein. Aber sogar wenn es endlich ist, schätzen die Forscher, dass es aus nicht weniger als 10250 Atomen besteht. (Das ist eine 1 mit 250 Nullen.) Zum Vergleich: Die Anzahl der Wassermoleküle in allen Ozeanen der Erde wurde auf 4,4 * 1046 geschätzt.
Dennoch haben die Forscher eine Möglichkeit gefunden, dieses gigantische Netzwerk herunterzurechnen und dabei seine vitalen Eigenschaften zu bewahren, indem sie mathematisch bewiesen, dass diese Eigenschaften in einem bestimmten Parameterbereich, etwa der Krümmung und des Alters unseres Universums, nicht von der Größe des Netzwerks abhängen.
Nach der Maßstabsverkleinerung wandte sich das Forschungsteam Trestles zu – einem datenintensiven Supercomputer am SDSC – um Simulationen des wachsenden kausalen Netzwerks des Universums durchzuführen. Durch Parallelisierung und Optimierung der Anwendung war Robert Sinkovits, ein Computerwissenschaftler des SDSC, in der Lage, in etwas mehr als einem Tag eine Berechnung zu vollenden, für die ursprünglich drei oder vier Jahre angesetzt waren. „Neben der Vervollständigung dieser Simulationen, die deutlich schneller vonstattengingen als wir uns jemals vorgestellt hatten, stimmten die Resultate auch perfekt mit den Vorhersagen der Forscher überein“, sagte Sinkovits.
„Die häufigste Frage, die die Menschen möglicherweise stellen ist, ob die entdeckte asymptotische Ähnlichkeit zwischen komplexen Netzwerken und dem Universum ein Zufall sein könnte“, sagte Krioukov. „Natürlich könnte das der Fall sein, aber die Wahrscheinlichkeit eines solchen Zufalls ist extrem klein. Zufälle sind in der Physik extrem selten und passieren fast nie. Es gibt immer eine Erklärung, die vielleicht nicht sofort offensichtlich ist.“
„Solch eine Erklärung könnte eines Tages zu der Entdeckung gemeinsamer fundamentaler Gesetze führen, deren zwei begrenzende Ordnungen zum einen die Gesetze der Gravitation (Einsteins Formeln der allgemeinen Relativität) sind, welche die Dynamik des Universums beschreiben, und zum anderen einige bislang unbekannte Formeln, welche die Dynamik komplexer Netzwerke beschreiben“, ergänzte Marián Boguñá, ein Mitglied des Forschungsteams vom Department de Física Fonamental an der Universitat de Barcelona in Spanien.
Die anderen Forscher, die an diesem Projekt mitarbeiteten, sind Maksim Kitsak (CAIDA / SDSC / UC San Diego), sowie David Rideout und David Meyer (Department of Mathematics der UC San Diego). Diese Forschungsarbeit wurde von mehreren Zuschüssen unterstützt, darunter vom Zuschuss Nummer HR0011-12-1-0012 der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA); den NSF-Fördergeldern CNS-0964236 und CNS-1039646; Cisco Systems; dem Zuschuss Nummer FQXi-RFP3-1018 des Foundational Questions Institute; der George W. and Carol A. Lattimer Campus Professur der UC San Diego; der Projektnummer FIS2010-21781-C02-02 des Office of the Ministry of Economy and Competitiveness in Spanien (MICINN); dem Zuschuss Nummer 2009SGR838 der Generalitat de Catalunya und dem Catalan Institution for Research and Advanced Studies (ICREA) Academia Prize, der von der Generalitat de Catalunya finanziert wird.
Quelle: http://ucsdnews.ucsd.edu/pressrelease/human_brain_internet_and_cosmology_similar_laws_at_work
(THK)
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