互联网的大脑模型与原子的太阳系模型，科学史上的巨系统对比

Posted 2022-02-15 zkyliufeng

作者：刘锋  计算机博士，互联网进化论作者

科学探索中，有两个重要的支持力量，第一种是鼓励，会帮助研究者增强对探索方向的信心和勇气，第二种是批判，会帮助研究者获知探索路上的障碍和陷阱。，

10年前，受社交网络，水利部传感器网络，谷歌街景系统的启发，我们在科学院组成研究团队提出了互联网的“大脑模型”，受到诸多专家和老师的鼓励，但与此同时，互联网的大脑模型也受到很多批评，甚至是激烈的批判，主要批判意见认为：将互联网与大脑两个巨系统进行对比是一种"取类比象"，先入为主的研究方式，在方法上不科学，在模型上也不应成立。

一直以来，我们认为这种批判是非常宝贵的意见，但如何回应而不陷入逻辑自证依然困难，直到2018年4月，我们对自然科学史进行深入学习后，发现上个世纪物理学最重要的一个物理结构-原子的研究过程中，科学家正是通过不断的巨系统对比分析，推动了原子结构的最终确定，这包括原子的‘葡萄干蛋糕模型“、“原子的土星模型””原子的太阳系模型“等。

上个世纪"原子的太阳系模型"在科学上的突破，并不能代表互联网的“大脑模型”因此就正确，这个科学史历程只是说明，当一个科研目标系统因为特别的原因无法获知其明确的整体结构时，在实际现象的启发下，用另外一个已知的，大众（包括科学家）更容易理解的系统模型进行对比和解释，应该是科学研究的一种方法。

互联网的”大脑模型“与原子的”太阳系模型“在研究上有很多共同点，也有更多不同，下面我们用一张表展示它们的相同和不同之处。

为了更好的说明互联网的大脑模型与原子的太阳系模型，下面用四个部分的内容，对上述观点和图表进行详细介绍：

一 介绍哲学、社会学领域先驱们的相关研究和观点

二 原子的研究历程，从葡萄干蛋糕、土星模型到太阳系模型

三 互联网的研究历程，从网状模型、海星模型到大脑模型

四 互联网的大脑模型与原子的太阳系模型的研究对比。

第一部分：哲学家对器官，大脑与工具，社会关系的研究

技术哲学创始人德国哲学家卡普1877年出版《技术哲学纲要》，提出了工具和器物是人体器官投影的核心概念与理论，卡普对许多器物和工具做了详尽的解释：“大量创造物突然涌现出来。弯曲的手指变成了一只钩子，手的凹陷成为一只碗；人们从刀、矛、桨、铲、耙、犁和锹等，看到了臂、手和手指的各种各样的姿势”，卡普可谓把技术与人体器官关联起来的第一人。

1960年代，传媒领域的著名开拓者，马歇尔·麦克卢汉在1964年出版的《理解媒介》一书中提到“在过去数千年的机械技术时代,人类实现了身体在空间中延伸;在一个多世纪的电子技术时代,人类已在全球范围延伸了自己的中枢神经系统并进一步在全球范围扩展”

1983年，英国哲学家彼得·罗素（P.Russell）撰写了《地球脑的觉醒——进化的下一次飞跃》，他提出人类社会通过政治，文化，技术等各种联系使地球成为一个类人脑的组织结构，也就是地球脑或全球脑。

应该说卡普、麦克卢汉、彼得·罗素等先驱已经意识到工具、技术甚至社会形体与人类器官的关系，但总体看这些思考还属于社会学和哲学层面，对于1969年诞生的互联网，要到21世纪爆发以后，其技术和应用的类脑特征才逐步显现出来。

哲学和社会学先驱的研究可以成为启发我们的参考，但还不能作为科学的方法论证明互联网大脑模型的正确性和科学性。而这一重任将落到20世纪物理学领域一项重要发现上。

第二部分：原子的研究历程，从葡萄干蛋糕、土星模型到太阳系模型

原子最早是哲学上解释世界基本构成的抽象概念，世界本原或根本元素是“原子”和“虚空”。“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。随着人类认识的进步，原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。原子核以及电子构成原子。而原子又可以构成分子。原子是近现代物理学重要的基础结构之一。它的结构发现也经历了很多探索和波折。

1789年，法国科学家拉瓦锡定义原子一词后，从此原子就用来表示化学变化中的最小的单位。很长时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么内容了。

1897年，英国物理学家约瑟夫·汤姆生发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子是平均的分布在整个原子上的，电子镶嵌在正电荷液体中，就象葡萄干点缀在一块蛋糕里一样，所以又被称为“葡萄干蛋糕模型”。汤姆生的葡萄干蛋糕模型当时能够解释很多化学和物理现象，在提出后被当时的科学界广为接受。

1903年12月5日日本物理学家长冈半太郎在东京数学物理学会上口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登论文。他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构——即围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型。一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周运动。

他们的模型在一定程度上都能解释当时的一些实验事实，但不能解释以后出现的很多新的实验结果，所以都没有得到进一步的发展。数年后，汤姆逊的“葡萄干蛋糕模型”被自己的学生卢瑟福的”太阳系模型“推翻了。

1906年英国科学家卢瑟福团队做了著名的α粒子散射实验，即让一束平行的α粒子穿过极薄的金箔，如果按照老师汤姆逊“葡萄干蛋糕原子模型，α粒子像巨型炮弹一样很容易穿过原子空间，仅仅会受”葡萄干“-电子导致的很小的散射

但卢瑟福团队又重复着这个已经做过多次的实验，奇迹出现了!他们不仅观察到了散射的α粒子，而且观察到了被金箔反射回来的α粒子。在卢瑟福晚年的一次演讲中曾描述过当时的情景，他说：“我记得两三天后，盖革非常激动地来到我这里，说：我们得到了一些反射回来的α粒子......’，这是我一生中最不可思议的事件。这就像你对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样地不可思议。经过思考之后，我认识到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我看到，如果不考虑原子质量绝大部分都集中在一个很小的核中，那是不可能得到这个数量级的。

卢瑟福所说的“经过思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的时间。在做了大量的实验和理论计算和深思熟虑后，他才大胆地提出了原子的”太阳系“模型，推翻了他的老师汤姆逊的实心带电球原子模型。

卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这“太阳系”，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说，原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上，而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时，就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。

卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径，然而，在当时很长的一段时间内，卢瑟福的”太阳系“原子模型遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地待在核外。1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获成功。因此，当卢瑟福又提出有核原子模型时，很多科学家都把它看作是一种猜想，或者是形形色色的模型中的一种而已。

卢瑟福”太阳系“原子模型一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致他的学生玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。因为原子领域工作的贡献，卢瑟福和玻尔此后分别获得了诺贝尔化学奖和物理学奖。

一百年前，科学家用不同的巨系统模型解释无法用肉眼直接观察的原子架构。这其中包括”“葡萄干蛋糕模型”，“土星模型”和”太阳系模型“等。通过大量的实验和理论分析，最终原子的”太阳系模型“被广泛认同，并持续到21世纪（虽然量子力学的发展，原子架构有新的见解，但总体原子的”太阳系模型“依然是基础和重要的模型），一百年后，人类社会和科学领域迎来另一个重要的系统-互联网，它的模型究竟怎样描述，似乎也将面临研究原子时遇到的问题，但这次不是因为小，而是因为过于庞大和变化过于快速。

第三部分 互联网的研究历程，从网状模型、海星模型到大脑模型

1969年，互联网在美国诞生，此后50年的时间里，互联网从地理范围上已经覆盖到全球并向太空蔓延，在使用领域上已经深入到人类生活，工作，科研，军事的各个角落，成为影响人类社会最重要的技术架构。

无论是从起源还是计算机学科的定义看，网状结构一直以来是互联网最被接受的一种架构，一般认为”互联网是指将世界范围计算机网络互相联接在一起的网际网络，在这基础上发展出覆盖全世界的全球性互联网络称互联网，即是互相连接一起的网络结构。“

21世纪以来，随着物联网，云计算、工业4.0、大数据、人工智能、边缘计算不断涌现，互联网已经远远超出了原先的定义和模型架构。那么用一种什么样的新定义和新模型能够反映互联网的核心特征和未来趋势。这个问题就是十年前我们提出互联网大脑模型进行研究的目的和原因。

2005年到2007年，随时互联网爆炸性增长，特别是中国互联网快速发展，让我们有机会不断发现互联网的类脑特征，这其中有四次重要的启发，使得我们最终在2008年正式发表论文提出互联网新的定义和模型--互联网大脑模型。

1)互联网不仅仅是连接计算机，更是联结人的启示，2005年，当我们在科学院大学开始研究网络经济时。试图制作一个网站将科学院丰富的专家资源与社会企业的科研需求对接起来，发现通过互联网将专家的知识、智慧、经验通过解决问题变成商品进行交易，是一个新的互联网商业模式，我们将这个新的领域命名为威客模式。威客模式提出专家可以通过互联网用智慧帮助企业和他人解决问题，获得财富，提醒我们互联网不仅仅是计算机或机器的联网，更是关于人类知识，智慧甚至是人类大脑的联网。

2）互联网类脑神经元网络的发现和启示，2006年，faceboook，QQ为代表的社交网络开始兴起，通过社交网络的个人空间，人们可以相互沟通，相互关注，互加好友，同样我们发现威客模式中，提问者和回答者之间也会形成知识和智慧交易的社交网络。当我们在《威客地图(witmap)--互联网下一代搜索引擎》把这些社交网络图示绘制出来时，第一次发现互联网中类脑神经元网络的特征。

3）互联网类脑的躯体感觉神经系统现象启示，2007年4月，我们参与中国水利部防汛抗旱指挥部相关项目的专家咨询。这个项目提出在中国的水域按放湿度、风速、温度等等传感器，信号通过有线和无线线路传递到北京的服务器中，经过处理形成定时报告供国家决策部门预警使用。这个项目比2009年兴起的智慧地球和物联网热潮早了2年，它引起我们注意到互联网也存在类似躯体感觉神经系统的特征。

4）互联网类脑的视觉神经系统现象启示，2007年6月，我们对科学院大学学生的旅游视频创业项目进行评估，这个项目提出在中国各个景区如黄山，大理，九寨沟等地方安放摄像头，把景区的实时景象传递到旅行社大厅的大屏幕上，让游客可以远程感受景区的风景，并决定选择哪一条旅游路线。虽然后来因为技术，经费的原因没有成功，但应该说这个创意是比较超前的，在这一年，谷歌的街景系统也开始推出，在世界范围安防摄像头和视频观察汽车。让互联网用户可以实时观看世界各地的场景和景色，这一项目使我们进一步意识到互联网同样具备视觉神经系统的特征。

从2005年到2007年的两年中，在受到多次互联网领域类脑现象启发后。在2007年7月，我们终于意识到，互联网的完整架构和未来方向很可能与大脑的架构有关。

2007年7月末，在中国科学院大学经济管理学院吕本富教授的主持下，我们在科学院大学的一次内部学术研讨会中，向科学院师生阐述了互联网大脑模型的初步构想。与会的师生进行了热烈的讨论。

2008年9月，我们在中国教育部成立的《中国科技论文在线》正式发表了《互联网的进化趋势与规律》（作者：刘锋，彭赓）。在这篇论文中第一次绘制了互联网大脑的模型架构图，并提出了互联网的新定义。在此后的10年之中，逐步形成了互联网大脑的完整图示和定义;

互联网的大脑模型是这样定义的：互联网的大脑模型就是互联网向与人类大脑高度相似的方向进化过程中，形成的类脑巨系统架构。互联网大脑架构具备不断成熟的类脑视觉、听觉、躯体感觉、运动神经系统、记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。互联网大脑通过类脑神经元网络将互联网各神经系统和世界各元素关联起来，互联网大脑在群体智慧和人工智能的驱动下通过云反射弧实现对世界的认知，判断，决策、反馈和改造。

在此后的10年里，科学院虚拟经济与数据科学研究中心刘锋博士，石勇教授，彭赓教授，刘颖教授等人形成研究团队，在包括IJITDM、《复杂系统与复杂网络》、IEEE等SCI、EI、ISTP、中国核心期刊在内的学术期刊发表相关论文近20篇，由清华大学出版社出版的专著《互联网进化论》一部。

到2018年5月，互联网的大脑模型研究总体形成的进展有6个方向：1.互联网大脑架构 2.类脑神经元网络和云反射弧3.城市大脑模型4.扩展的冯诺依曼架构与AI智商评测 5，互联网大脑模型对脑科学的启发 6.生物进化方向探讨 ，具体研究起源和论文发表请参考文章《人工智能下一个热点探讨，为什么要提出互联网大脑模型》

互联网的大脑模型到今天为止，也依然不是成熟的架构，而且必须指出，就像原子的太阳系模型不可能将原子的架构与太阳系架构一一对比研究一样，也不可能将互联网与大脑通过严格意义对应进行研究，而是需要谨慎选择大脑哪些最重要，最明确，最基础的功能和结构，作为一种靶向架构，观察互联网的发展是否能够与之吻合。

21世纪以来，随着物联网，云计算，大数据，工业4.0.人工智能，特别是2018年包括阿里ET大脑，滴滴交通大脑，360安全大脑，腾讯超级大脑等类脑巨系统的爆发。互联网的“大脑模型”体现了良好的预测性和包容性，可以很好的预测和解释互联网发展过程中出现的新技术和新模式。这对模型的进一步成熟奠定了良好的基础。

第四部分 互联网的“大脑模型”与原子的“太阳系模型”的研究对比

20世纪初，研究者用葡萄干蛋糕模型，土星模型，太阳系模型解释原子的内部结构，并最终取得科学上的突破，并不能代表互联网的大脑模型就因此正确和成熟，原子架构的研究只是说明，科研目标系统因为特别的原因无法获知其明确的整体结构时，根据实际观察到的现象，用另外一个已知的，大众（包括科学家）更容易理解的系统模型进行对比和解释，是科学研究的一种方法。

一个有趣的现象是，原子和互联网分别是20世纪物理学时代和21世纪信息时代最重要的系统架构。下面我们用一张表来说明两个模型相同和不同之处。

作者简介：

刘锋 计算机博士，互联网进化论作者，Email:[e-mail],微信：910428183