想象一个宇宙，其中恒星仍然发光，行星形成，并且存在水，但液体太稠，活细胞几乎无法发挥作用。即使拥有生命所需的化学成分，条件也可能使生物体无法生存。
科学家发现物理基本定律与生命存在的能力之间存在重要联系。他们的发现表明，即使宇宙的一些基本物理常数发生相对较小的变化，也会极大地改变流体的流动，从而可能阻止重要的生物过程的发生。
一项已发表的研究详细介绍了这些发现 科学进步来自伦敦玛丽女王大学物理学家 Kostya Trachenko。他的理论分析揭示了对基本物理常数的额外限制：它们必须允许液体以支持细胞内和细胞间生命的方式移动。
这项工作提出了关于宇宙的深刻问题。为什么自然的基本法则具有与生命存在如此相关的价值？
塑造我们宇宙的基本常数
基本物理常数是控制宇宙如何运行的数字。例子包括电子的质量和电荷，以及普朗克常数，它在量子力学中发挥着核心作用，量子力学是描述非常小尺度的物质和能量的物理学分支。
这些数量通常被认为是普遍存在的并且不会随着时间的推移而改变。它们的值影响一切，从原子和化学键的行为到形成恒星并产生生命必需元素的核反应。
尽管它们很重要，但科学家仍然不知道为什么这些常数具有我们观察到的特定值。
2020 年出现了重大突破，Trachenko 和他的同事证明基本物理常数对液体粘度设定了下限。
粘度描述了流体抵抗流动的程度。水的粘度相对较低，容易倒出，而蜂蜜和树脂的粘度则大得多，流动缓慢。研究人员已经证明，液体的自由度存在一个基本限制，并且这个限制最终与自然的基本常数有关。
2023 年的一项研究通过检验其对生物学的影响，进一步探讨了这种联系。
为什么物理学上的微小变化就会使生命变得不可能
每个活细胞都依赖于分子的运动。营养物质必须到达需要的地方，废物必须被运输，并且在流体环境中发生无数的化学反应。
另一个重要的过程是扩散，即颗粒在液体中的自然扩散。扩散有助于分子在细胞周围移动，并允许生命所需的许多化学相互作用。
如果这些流体的粘度变化太大，这些过程可能会受到严重干扰。液体太稠会妨碍重要物质的有效运动，而粘度太低会干扰生物功能所需的受控流动。
特拉琴科解释了这种令人惊讶的联系：
“了解水在碗中如何流动与确定基本常数的重大问题相关。生命过程需要活细胞内和活细胞之间的运动，而粘度决定了这种运动的特性。如果基本常数发生变化，粘度将极大地影响我们所知的生命。例如，如果水像胶水，或者如果所有生命形式中都没有树脂。使用液态发挥作用的生命形式就会受到影响。”
其后果超出了水的范围。尽管所有已知的生命都依赖于水，但其他地方的假想生物体可能依赖于不同的液体。基本的物理限制仍然影响这些流体的行为。
特拉琴科认为，与细胞生命相关的常数范围可能出奇地窄。
“基本常数的任何变化，包括增加或减少，对流体流动和生命来说都是坏消息。我们预计窗口会非常窄：例如，我们的血液粘度变得太稠或太稀，身体无法正常运作，而一些基本常数只有百分之几的变化，例如普朗克常数或电子电荷。”
这些预测来自理论模型，而不是科学家实际上改变基本常数的实验。不同生命形式可以忍受的确切极限仍然不确定。
数十亿年形成的宇宙之谜
让这些发现特别有趣的是，影响流体流动的相同基本常数也控制着在恒星内部产生重元素的核反应。
早在第一个活细胞出现之前，恒星就产生了碳和氧等元素，这些元素最终将成为生物体的重要组成部分。
物理学家长期以来一直在研究控制这些核过程的常数是否必须落在一定范围内才能使复杂物质存在。但创造生命化学成分的能力并不一定保证生命能够发挥作用。
特拉琴科的分析表明，可以改变一些控制液体流动的物理特性，而不会破坏恒星中重核形成所必需的常数组合。
换句话说，假设的宇宙仍然可以产生生命所需的元素，而液体却非常粘稠，细胞过程无法发挥作用。
这意味着支持生命所需的条件可能不仅仅涉及形成恒星、行星和复杂化学的能力。液体的物理性质可能对宇宙的基本常数提出额外的要求。
进一步的研究揭示了与血液的惊人联系
调查在最初发现之后仍在继续。
在 2025 年 1 月发表的一项后续研究中 欧洲物理杂志ETrachenko 和同事研究了基本物理常数如何影响更复杂的生物液体，尤其是血液。
与水不同，血液是一种复杂的混合物，含有血浆、红细胞、血小板和其他成分。其粘度不仅取决于分子性质，还取决于这些组分的相互作用。
例如，红细胞可以形成增加流动阻力的簇。随着血液流动速度加快，这些团簇就会分解，使其更容易流动。这种行为使血液比简单的液体复杂得多。
研究人员发现了一些意想不到的事情。尽管血液极其复杂且红细胞尺寸相对较大，但其在基本物理尺度上的粘度仍然惊人地接近由基本物理常数得出的理论值。
他们认为密切相关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，但使红细胞表面彼此靠近的力跨越了足够的距离，足以对物质产生分子和量子效应。
2025 年的分析还强调了一个重要的挑战。估计哪些基本常数与生命相关，需要考虑基础物理学定义的流体的固有特性以及细胞和分子相互作用引起的附加效应。
这些发现为研究宇宙的基本物理特性与依赖于它们的生物过程之间的关系提供了更详细的框架。
物理定律可以进化吗？
该研究还指出了一个更深的谜团：为什么基本常数具有允许不同物理过程协同工作的值？
Trachenko 提出的一个假设是涉及不同形式的微调。允许恒星产生重元素的值和允许液体支持细胞生命的值可能代表不同的要求。
他提出了一个与生物进化的有趣类比，其中不同的有用特征是通过不同的过程产生的。
也许一些更广泛的进化原理可以解释自然如何进化成一组能够支持稳定结构和更复杂系统的物理特性。
目前，这仍然是一个猜测。科学家们还没有确定基本常数是如何通过这种机制演化的，也没有确定为什么这些常数具有其观测值。
然而，流体流动和基础物理学之间的联系开辟了另一种方式来研究科学上最悬而未决的问题之一。
像水流过玻璃杯或血液在体内循环这样简单的事情就可以解释为什么宇宙具有使生命成为可能的物理特性。
