一杯水可以解开我们宇宙的秘密

今天在《科学进展》上看到一篇有趣的论文，和大家分享一下。这篇论文探讨了基本物理常数的起源和取值问题，以及它们与生命存在的可能性之间的关系。

作者从凝聚态物理和液体物理的角度提出了一个新的见解：基本物理常数有一个生命友好的窗口，受到生命友好的粘度和扩散的限制，这些粘度和扩散决定了细胞内外的生命过程中的运动。作者还展示了如何在保持精细结构常数和质子-电子质量比不变的情况下，改变粘度、扩散和生化机器中的基本速度梯度的界限，而不影响恒星中重元素的产生。这导致了一个多重调节和进化机制的猜想。

首先，我们要知道什么是基本物理常数。它们是一些在自然界中不随时间、空间或其他因素而改变的数值，例如光速、普朗克常数、引力常数等。它们决定了物质、能量、空间和时间的性质和相互作用。我们可以把它们看作是自然界的“调音器”，它们调节着自然界的“乐曲”。如果它们有不同的值，那么自然界就会发出不同的“声音”，或者根本没有“声音”。

但是，我们并不知道为什么基本物理常数有它们现在的值，也不知道它们是否可以有其他可能的值。有些人认为它们是完全随机或任意的，有些人认为它们是由某种更深层次的理论或原理所决定或限制的。有些人甚至认为它们是为了适应生命或观察者而特别设定或调整的，这就是所谓的人择原理。

人择原理认为，在所有可能存在的世界中，只有那些能够产生生命或观察者的世界才能被我们观察到。因此，我们所观察到的基本物理常数必须在一个合适的范围内，使得生命或观察者能够存在。如果基本物理常数稍微偏离这个范围，那么我们所熟悉的物质、能量、空间和时间就会发生根本性的变化，导致生命或观察者无法形成或存活。

例如，如果引力常数稍微增大一点点，那么恒星就会过早地坍缩成黑洞，无法产生重元素；如果引力常数稍微减小一点点，那么恒星就无法点燃核反应，无法发出光和热；如果电子电荷稍微增大一点点，那么氢原子就无法稳定存在，无法形成水分子；如果电子电荷稍微减小一点点，那么氢原子就会过于稳定，无法形成其他元素。这些例子说明，基本物理常数必须在一个很窄的区间内，才能使得生命所需的化学元素和反应能够发生。

但是，这些例子都是从高能物理、天文学和宇宙学的角度来考虑的，它们涉及到核反应、恒星、行星等高温、高压、高速度的过程。它们只是告诉我们，为了让生命有可能存在，基本物理常数必须满足一些条件，使得生命所需的重元素能够在恒星中产生。但是，这并不意味着一旦重元素产生了，生命就一定会出现。事实上，在重元素和生命之间，还有很多其他的过程和条件，它们涉及到低能物理、凝聚态物理和液体物理等低温、低压、低速度的领域。这些领域中的过程和条件也受到基本物理常数的影响，也可能对生命的存在有重要的作用。

这就是这篇论文要探讨的问题：基本物理常数是否还有其他的限制或调节，除了使得重元素能够产生之外，还要使得生命能够运行。作者认为，答案是肯定的。他指出了两个在生命过程中非常重要的物理量：粘度和扩散。粘度是液体或气体流动时所受到的阻力，扩散是分子或离子在液体或气体中由于热运动而发生的混合。这两个物理量决定了细胞内外的运输和交换，例如氧气、水分、营养物质、废物等。如果粘度和扩散太大或太小，那么这些运输和交换就会受到阻碍或失控，导致细胞无法正常工作或存活。

作者计算了粘度和扩散的界限，使得细胞内外的运输和交换能够在合适的时间尺度内完成。他发现，这些界限对基本物理常数有一定的约束。如果基本物理常数偏离它们现在的值太多，那么粘度和扩散就会超出这些界限，导致细胞无法运行。因此，基本物理常数必须在一个生命友好的窗口内，使得粘度和扩散保持在一个合适的范围内。

作者还发现，这个生命友好的窗口并不唯一。也就是说，在保持精细结构常数和质子-电子质量比不变的情况下（因为它们对重元素的产生很重要），可以改变其他一些基本物理常数（例如普朗克常数、引力常数等），同时改变粘度和扩散的界限，而不影响重元素的产生。这就意味着，有很多种可能的物理世界，它们都能同时满足生命友好的条件。但是，这些物理世界并不完全相同。它们之间有一些微妙的差别，例如液体或气体的流动性、分子或离子的混合速度、生化机器中的基本速度梯度等。这些差别可能对生命的形式和功能有一定的影响。

作者提出了一个猜想，认为这些差别可能是一种多重调节和进化机制的体现。也就是说，在不同的物理世界中，生命可能会通过调节自身的结构和行为，来适应不同的粘度和扩散条件，从而达到最佳的运输和交换效率。这种调节可能会导致生命在不同的物理世界中表现出不同的形态和特征。例如，在粘度较高的物理世界中，生命可能会倾向于形成较小或较薄的细胞，以减少流动阻力；在扩散较慢的物理世界中，生命可能会倾向于形成较大或较厚的细胞，以增加交换面积。这种进化可能会使得生命在不同的物理世界中具有不同的多样性和复杂性。

作者还指出了一些可能的实验方法，来验证他的猜想。例如，可以通过改变温度、压力、溶剂等因素，来模拟不同的粘度和扩散条件，然后观察生命在这些条件下的反应和变化。也可以通过比较地球上不同环境中生命的形式和功能，来寻找粘度和扩散对生命影响的线索。作者认为，这些实验方法可以为我们提供一些关于基本物理常数、粘度、扩散和生命之间关系的新见解。