基本物理常量之谜

基本物理常量塑造了我们所在的宇宙的结构，赋予了我们的宇宙独特的特征。这些物理常量具有一定的值，并且这些值通常被认为在自然界中是普适的，不会随着时间的推移而改变，比如电子的质量。许多基本物理常量的值，仿佛是为了核物质和生命的出现而被精细调节过一样。然而，物理学家们并无法解释为何这些常量拥有这些数值，也不知道要用什么样的理论来解释它们。理解基本物理常量以及它们的值，被认为是现代科学中最重大的问题之一。

在一项新发表于《科学进展》杂志的研究中，物理学家Kostya Trachenko提出了一种新的解释，或许能改变我们对宇宙的理解。他认为，我们宇宙中的基本常量的值有一个“生物友好”的“窗口”，这个窗口受液体的黏度限制，决定着细胞内和细胞间的基本生命过程的运动。

最小黏度

2020年，Trachenko与合作者Vadim Brazhkin就发表过一项研究，表明液体的黏度是由基本物理常量决定的。

黏度是衡量液体流动程度的一种指标，它被认为是不可能从理论上计算出来的，因为它强烈地依赖于液体的结构、组成和相互作用以及外部条件。诺奖得主温伯格（Steven Weinberg）曾把计算水的黏度的困难程度，比作计算塑造了我们的宇宙结构的基本物理常数。

在2020年的那项研究中，Trachenko和Brazhkin发展出了一个公式，表明一种液体的黏度，会在它从液体变为气体的温度下达到最小值。他们发现，使用普朗克常数（ħ）、电子质量（me）、分子质量（m），就可以表达运动黏度（νm，黏度与密度的比值）的最小值。

接着，他们通过将运动黏度乘以分子质量，提出了一个新的被称为“基本”黏度（lm）的值，其最小值是由普朗克常数（ħ）和无量纲的质子与电子的质量比（mp/me）决定的。这一结果意味着，所有液体的最小黏度都是简单而普适的。

用自然界的基本常量可以表示液体黏度的最小值。（图/thehackneycollective.com）

对生命友好的窗口

流体的流动对在细胞内发生的许多过程都是必不可少的，比如在分子运输或细胞增殖过程中所涉及的扩散。它在更大规模的多细胞过程中也至关重要，例如血液循环。因此在新的研究中，Trachenko将这个结果应用到了生命科学领域。

Trachenko想要找出，这些生命过程对基本物理常量的数值的约束。除了控制血流和其他时变现象的运动黏度外，Trachenko还考虑了稳定血流的动力黏度和扩散常数。利用纳维-斯托克斯方程和经典流体动力学的其他信息，他证明了这三个参数都可以用电子质量（me）、质子质量（mp）和普朗克常数（ħ）来表示。如果基本常量改变，黏度也会改变，进而影响所有依赖于液态功能的生命形式。

他通过结合与这三种参数对应的生命的极限情况，即两种黏度的最小值和扩散的最大值，首次揭示了基本常量的一个可以变化的范围，或者说是“对生物友好的窗口”。不过Trachenko表示，这个“窗口非常窄”，例如，当普朗克常数仅发生非常微小的变化时，我们的血液黏度就会变得过于粘稠或太稀薄，进而导致我们已知的生命形式无法存在。

渐进的进化

令人惊讶的是，这种“微调”发生在数十亿年前，进而在恒星中产生了重核，而在那时，我们今天所知的生命形式根本不存在。换句话说，在那个时候，根本没有必要为了能让细胞生命得以在数十亿年后存在，而将这些常量微调为“对生物友好”的值。

Trachenko提出了一种猜想，他认为宇宙并不需要一个“宏伟的设计”，而是宇宙中的每一种物理“特征”都可以通过一个渐进的进化过程独立出现，并变得根深蒂固。这有点类似于生物的进化，通过进化机制，宇宙中的基本常量可能是大自然达到可持续物理结构的结果。

参考来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh9024

https://physicsworld.com/a/evolution-may-explain-values-of-the-fundamental-constants/

https://phys.org/news/2020-04-scientists-runny-liquid.html

https://phys.org/news/2023-08-cup-secrets-universe.html

封面图来源：Pixabay