科学家们揭示了物理学基本定律与生命存在能力之间的一项显著联系。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，也可能极大地改变液体的流动方式，从而可能阻碍基本生物过程的进行。
这一发现发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上的一项研究中，由伦敦玛丽女王大学的物理学家科斯蒂亚·特拉琴科（Kostya Trachenko）完成。他的理论分析确定了对基本物理常数值的额外约束：它们必须允许液体以支持细胞内和细胞间生命活动的方式流动。
这项工作提出了一个关于宇宙的深刻问题。为什么自然界的定律所具有的数值看起来如此适合生命的存在？
塑造我们宇宙的基本常数
基本物理常数是支配宇宙运作的数字。例子包括电子的质量和电荷，以及在量子力学中起核心作用的普朗克常数。量子力学是描述极小尺度下物质和能量的物理学分支。
这些量通常被认为是普适的且不随时间改变的。它们的数值影响着一切，从原子和化学键的行为，到为恒星提供能量并产生生命必需元素的核反应。
尽管它们很重要，但科学家们仍然不知道为什么这些常数具有我们所观察到的特定数值。
2020年出现了一个重要线索，当时特拉琴科及其同事证明，基本物理常数对液体的粘度设定了下限。
粘度描述了流体抵抗流动的强弱。水的粘度相对较低，容易倾倒，而蜂蜜和焦油的粘度要大得多，流动缓慢。研究人员表明，流体自由流动的程度存在一个基本极限，该极限最终与自然界的基本常数有关。
2023年的一项研究通过考察这种联系对生物学的影响，将其推进了一大步。
为什么物理学的微小改变可能使生命无法存在
每一个活细胞都依赖于分子的运动。营养物质必须到达需要它们的地方，废物必须被运走，无数的化学反应必须在液体环境中发生。
另一个重要过程是扩散，即粒子在流体中的自然散布。扩散帮助分子在细胞周围移动，并使许多生命所需的化学相互作用成为可能。
如果这些流体的粘度改变太多，这些过程可能会受到严重破坏。过于粘稠的液体可能会阻碍重要物质的有效移动，而过低的粘度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：
“理解水在杯子中如何流动，结果证明与弄清基本常数这一巨大挑战密切相关。活细胞内和细胞间的生命过程需要运动，而正是粘度决定了这种运动的特性。如果基本常数发生改变，粘度也会随之改变，从而影响我们所知的生命。例如，如果水变得像焦油一样粘稠，生命将无法以其当前形式存在，或根本无法存在。这不仅适用于水，因此所有利用液态来发挥功能的生命形式都会受到影响。”
这种影响不仅限于水。尽管所有已知的生命都依赖于水，但宇宙中其他地方假设存在的生物体可能依赖不同的液体。同样的基本物理约束仍将影响这些液体的行为方式。
特拉琴科认为，与细胞生命兼容的常数范围可能窄得令人惊讶。
“基本常数的任何改变，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。我们预计这个窗口相当窄：例如，如果普朗克常数或电子电荷等一些基本常数仅改变百分之几，我们血液的粘度就会变得太稠或太稀，导致身体无法正常运作。”
这些预测来自理论模型，而不是科学家实际改变基本常数的实验。不同形式的生命所能容忍的精确极限仍不确定。
一个历经数十亿年形成的宇宙之谜
使这些发现特别引人入胜的是，影响液体流动的相同基本常数也支配着负责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，恒星就在产生碳和氧等元素，这些元素最终将成为生物体的重要组成部分。
物理学家们早就开始研究，支配这些核过程的常数是否必须落在特定范围内才能存在复杂物质。但是，创造生命化学成分的能力并不一定保证生命能够运作。
特拉琴科的分析表明，支配液体流动的一些物理性质可以发生改变，而不会破坏在恒星中产生重核所需的常数组合。
换句话说，一个假设的宇宙可能仍然会产生生命必需的元素，但其液体却如此粘稠，以至于细胞过程无法运作。
这意味着支持生命所需的条件可能不仅限于形成恒星、行星和复杂化学物质的能力。液体的物理性质可能对宇宙的基本常数提出了额外要求。
后续研究揭示了与血液的惊人联系
调查在最初的发现之后仍在继续。
在2025年1月发表在《欧洲物理学杂志E》（The European Physical Journal E）上的一项后续研究中，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，特别是血液。
与水不同，血液是一种复杂的混合物，包含血浆、红细胞、血小板和其他成分。它的粘度不仅取决于分子特性，还取决于这些成分如何相互作用。
例如，红细胞可以形成簇，从而增加对流动的阻力。随着血液流动加快，这些簇会散开，使其更容易流动。这种行为使得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情况。尽管血液具有极大的复杂性，且红细胞的体积相对较大，但在基本物理尺度上，其粘度仍然惊人地接近从基本物理常数推导出的理论值。
他们提出，紧密排列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，但在其表面相互靠近的地方，作用力所涉及的距离足够小，以至于分子和量子效应发挥了作用。
2025年的分析还强调了一个重要的复杂情况。估计哪些基本常数与生命兼容，需要同时考虑由基础物理学决定的液体内在特性，以及细胞和分子间相互作用产生的额外效应。
这些发现为研究宇宙基本物理特性与依赖它们的生物过程之间的联系提供了一个更详细的框架。
物理学定律可能已经演化了吗？
这项研究还指向了一个更深层的谜团：为什么基本常数具有允许如此多不同物理过程协同工作的数值？
特拉琴科提出的一种推测性可能性是，可能涉及多种形式的微调。允许恒星制造重元素的数值与允许液体支持细胞生命的数值可能代表了不同的要求。
他提出了一个与生物进化相关的有趣类比，在生物进化中，不同的有用特征可以通过不同的过程出现。
也许某种更广泛的演化原理可以帮助解释自然界是如何达到能够支持稳定结构和日益复杂系统的物理特性组合的。
目前，这仍然是一个猜想。科学家们尚未确定基本常数是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到的数值。
尽管如此，液体流动与基础物理学之间的联系为研究科学界最大的未解问题之一开辟了另一条途径。
像水在玻璃杯中流动，或血液在体内循环这样普通的事情，可能蕴含着为什么宇宙具有使生命成为可能的物理特性的线索。