一杯水揭开宇宙运行的奥秘：宇宙常数决定生命的存在

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

当我们倒一杯水的时候，我们可能没有意识到，杯子里的水其实是揭示宇宙奥秘的一把钥匙。最近，科学家发现了液体黏度与物理常数之间的惊人联系，为我们理解宇宙规律和生命起源提供了新的视角。

文 | 陈强

黏度，也就是流体（包括气体和液体）的“黏稠度”，是我们日常生活中经常遇到的一种性质。比如，我们烧水、洗澡、倒食用油或者在空气中移动时都会感受到它。

黏度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流体的结构、组成和相互作用以及外部条件，这些都是非常复杂的因素。诺贝尔奖得主、美国物理学家史蒂文・温伯格（Steven Weinberg）将计算水的黏度与计算物理常数的难度相比。其中，物理常数指的是物理学中数值固定不变的数，也被认为不可能从理论上计算出来。

物理常数决定了黏度的下限

尽管有这样的困难，科学家还是提出了一个公式来尝试做到这一点。2020 年，英国伦敦玛丽女王大学的物理学家科斯塔・特拉琴科（Kostya Trachenko）和俄罗斯科学院的物理学家瓦迪姆・V・布拉日金（Vadim V. Brazhkin）在《科学进展》（Science Advances）上发表了他们的研究。研究显示，两个基本物理常数决定了所有液体的最小黏度。这两个常数分别是普朗克常数（决定量子世界的物理常数）和质子与电子的质量比（另一个基本物理常数）。

这个发现令人震惊。因为黏度是一种复杂的性质，它会随着液体和环境的不同而变化。然而，他们的结果显示，所有液体的最低黏度竟然可以用此简单的公式来表达。

该研究也有着实际的应用。在研究化学、化工或生物过程中，科学家有时可能就需要考虑到低黏度的情况。此时，发现黏度有一个下限，这可以提供一个有用的理论指导，告诉我们应该朝着什么方向努力。这个研究也告诉我们，我们不应该浪费资源试图打破这个极限，因为这个限制是由自然常数决定的。

物理常数与生命息息相关

更令人惊讶的是，黏度的下限还与生命科学有着密切的联系。2023 年，发表在《科学进展》上的另一篇研究中，特拉琴科分析了物理常数变化对液体黏度和生命存在的影响。

特拉琴科的研究表明，物理常数通过决定液体的黏度，影响到了生命的存在。他说：“理解水在杯子里如何流动，竟然与解决物理常数问题密切相关。生物细胞内以及细胞间的生命过程需要物质交流，而黏度就是决定这种物质交流的因素。如果物理常数发生变化，黏度也会随之变化，从而影响我们所知道的生命。例如，如果水像焦油一样黏稠，生命就不会以现在的形式存在，或者根本不存在。这不仅适用于水，所有利用液态状态来运作的生命形式都会受到影响。”

虽然物理常数被认为是不会发生变化的，但如果它们能发生变化，对于流体和基于液体的生命来说都是坏消息。特拉琴科发现，如果某些物理常数（如普朗克常数或电子的质量）只改变几个百分点，我们血液的黏度就会变得太高或太低，进而影响身体的功能。

物理常数从何而来？

物理常数有很多，其中较著名的有真空光速、普朗克常数、万有引力常数、玻尔兹曼常数及阿伏伽德罗常数。此外，还存着一些无量纲的物理常数，也就是说，它们没有物理单位，仅是一个纯数。精细结构常数就是无量纲的物理常数，它体现了电子和光子之间的相互作用。此外，前面提到的质子与电子的质量比，也是无量纲的物理常数。

物理常数决定了我们宇宙的结构和规律，比如原子核的分裂和合并，元素的形成，以及生命所需的化合物的组成。特拉琴科等人的研究还表明，物理常数决定了液体的黏度。如果物理常数发生了微小的变化，那么宇宙可能就会变得完全不同，没有恒星、重元素、行星和生命。

令人惊讶的是，物理常数被认为是在数十亿年前就固定下来的，这样恒星才能合成出重元素，而那时我们所知道的生命还没有出现。在那个时候，这些常数似乎没有考虑到数十亿年后的细胞生命，但它们却刚好有利于细胞生命的诞生和演化。

物理常数为什么具有这样的数值，目前还没有人能够解释。一种可能的答案是“人择原理”，也就是说，物理常数之所以是这样的，是因为只有这样才能孕育出我们，如果不是这样的话，就不会有提出问题的我们了。无论如何，这些问题可能涉及到了哲学的范畴，需要我们从更深的层次去寻找答案。

参考文献：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba3747

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

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