宇宙为何刚好能孕育生命？答案或许藏在液体的黏度里

科学家发现，物理学基本定律与生命存在的能力之间存在一种引人注目的联系。他们的研究结果表明，即使对宇宙中一些最基本的物理常数进行相对较小的改变，也可能大幅改变液体的流动方式，从而可能阻止关键生物过程发生。

这一发现详载于《科学进展》上的一项研究，来自伦敦玛丽女王大学的物理学家科斯佳·特拉琴科。他的理论分析识别出对基本物理常数值的一项额外限制：它们必须允许液体以支持细胞内部及细胞之间生命活动的方式运动。

这项工作提出了一个关于宇宙的深刻问题。为什么自然基本定律的数值看起来如此适合生命存在？

塑造我们宇宙的基本常数

基本物理常数是支配宇宙运作方式的数值。例子包括电子的质量和电荷，以及普朗克常数；后者在量子力学中起核心作用，而量子力学是描述极微小尺度下物质与能量的物理学分支。

这些量通常被认为是普适的，并且不随时间变化。它们的数值影响着从原子行为和化学键到为恒星提供能量、并产生生命必需元素的核反应等一切事物。

尽管这些常数如此重要，科学家仍不知道它们为什么具有我们观测到的这些特定数值。

2020年出现了一条重要线索。当时特拉琴科及其同事证明，基本物理常数给液体的黏度设定了一个下限。

黏度描述流体抵抗流动的强度。水的黏度相对较低，容易倾倒；蜂蜜和焦油则黏得多，流动缓慢。研究人员表明，流体能多自由地流动存在一个基本极限，而这个极限最终与自然基本常数相关。

2023年的研究则更进一步，考察了这一联系对生物学的意义。

为什么物理学的微小变化可能使生命不可能存在

每一个活细胞都依赖分子运动。营养物质必须到达需要它们的地方，废物必须被运走，无数化学反应必须在液体环境中发生。

另一个重要过程是扩散，即颗粒在流体中的自然散布。扩散帮助分子在细胞内外移动，并使许多生命所需的化学相互作用成为可能。

如果这些流体的黏度变化过大，这些过程可能受到严重扰乱。过于黏稠的液体可能阻碍重要物质高效移动，而黏度过低也可能干扰生物功能所需的受控流动。

特拉琴科解释了这一令人惊讶的联系：

“理解水在杯子里如何流动，结果竟与弄清基本常数这一重大挑战密切相关。活细胞内部及细胞之间的生命过程需要运动，而正是黏度决定了这种运动的性质。如果基本常数改变，黏度也会改变，从而影响我们所知的生命。例如，如果水像焦油一样黏稠，生命就不会以当前形式存在，或者根本不会存在。这不仅适用于水，所以所有利用液态来运作的生命形式都会受到影响。”

这些影响超出了水。尽管所有已知生命都依赖水，但宇宙其他地方假想中的生物可能依赖不同液体。同样的基本物理限制仍会影响那些液体的行为。

特拉琴科提出，与细胞生命相容的常数范围可能窄得令人惊讶。

“基本常数的任何变化，无论是增加还是减少，对流动和基于液体的生命来说都是同样糟糕的消息。我们预计这个窗口会相当狭窄：例如，只要普朗克常数或电子电荷等某些基本常数变化百分之几，我们血液的黏度就会变得过稠或过稀，以致身体无法运作。”

这些预测来自理论模型，而不是科学家真的改变了基本常数的实验。不同生命形式所能容忍的确切限度仍不确定。

一个酝酿了数十亿年的宇宙之谜

这些发现尤其引人入胜之处在于，影响液体流动的同一批基本常数，也支配着在恒星内部产生重元素的核反应。

早在第一批活细胞出现之前，恒星就在产生碳和氧等元素，这些元素最终成为生物体的关键组成部分。物理学家长期以来一直在研究，支配这些核过程的常数是否必须落在某些范围内，复杂物质才能存在。但能够制造生命的化学成分，并不一定保证生命能够运作。

特拉琴科的分析表明，某些支配液体流动的物理性质可以发生变化，而不破坏在恒星中产生重原子核所需的常数组合。

换句话说，一个假想宇宙仍可能产生生命必需的元素，同时其液体却黏稠到细胞过程无法运作。

这意味着，支持生命所需的条件可能不仅仅是能够形成恒星、行星和复杂化学。液体的物理性质可能对宇宙的基本常数施加额外要求。

后续研究揭示与血液的意外联系

这项研究在最初发现之后继续进行。

在2025年1月发表于《欧洲物理杂志E》的一项后续研究中，特拉琴科及其同事考察了基本物理常数如何影响更复杂的生物流体，尤其是血液。

与水不同，血液是一种复杂混合物，包含血浆、红细胞、血小板和其他成分。其黏度不仅取决于分子性质，还取决于这些成分如何相互作用。

例如，红细胞可以形成聚集体，增加流动阻力。当血液流动更快时，这些聚集体会散开，使血液更容易流动。这种行为使血液比简单液体复杂得多。

研究人员发现了意想不到的东西。尽管血液极其复杂，红细胞尺寸也相对较大，但在基本物理尺度上，其黏度仍惊人地接近由基本物理常数推导出的一个理论值。

他们提出，紧密相邻的血细胞之间的相互作用可能有助于解释这种联系。尽管红细胞比原子大得多，但当其表面彼此靠近时，作用于其间的力涉及的距离小到足以让分子和量子效应变得重要。

2025年的分析还强调了一个重要复杂因素。估算哪些基本常数与生命相容，需要同时考虑由基本物理学决定的液体固有性质，以及细胞和分子间相互作用产生的额外效应。

这些发现提供了一个更详细的框架，用于研究宇宙基本物理性质与依赖它们的生物过程之间的联系。

物理定律可能演化过吗？

这项研究还指向一个更深层的谜团：为什么基本常数的数值能让如此多不同的物理过程协同运作？

特拉琴科提出的一种推测性可能是，可能涉及多种形式的精细调节。使恒星能够制造重元素的数值，与使液体能够支持细胞生命的数值，可能代表彼此独立的要求。

他提出了一个有趣的类比：与生物进化类比，不同的有用特征可以通过彼此独立的过程出现。

也许某种更广泛的演化原理可以帮助解释，自然如何达到能够支持稳定结构和日益复杂系统的物理性质组合。

目前，这仍是一种猜想。科学家尚未证实基本常数会通过这种机制演化，也尚未确定这些常数为什么具有观测到的数值。

尽管如此，液体流动与基本物理学之间的联系，为研究科学上最大的未解问题之一开辟了另一条途径。

像水在杯中流动，或血液在体内循环这样普通的事情，可能蕴含着线索，解释为什么宇宙具有使生命成为可能的物理性质。

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