Az evolúció megmagyarázhatja az alapvető állandók értékeit – a fizika világa

Az evolúció megmagyarázhatja az alapvető állandók értékeit – a fizika világa

Időbélyeg: 23. augusztus 2023. 2:00

Folyadékok és alapvető állandók
Az élethez nélkülözhetetlen: ez az illusztráció bemutatja, hogy a természet alapvető állandói hogyan határozzák meg a folyadék viszkozitásának alapvető alsó határát. (Jó: thehackneycollective.com)

Az alapvető fizikai állandók értékei – látszólag a nukleáris anyag és végső soron az élet megjelenéséhez igazítva – nem biztos, hogy az univerzum kezdetén rögzültek, hanem idővel megváltoztak a biológiai evolúcióhoz hasonló folyamat révén. Ez egy brit fizikus hipotézise, ​​aki kimutatta, hogy a folyadék viszkozitásának és diffúziójának életbarát korlátai korlátozzák az állandók értékeit. Miután megállapította, hogy ezek a korlátok túlmutatnak a csillagok nukleoszintézisének követelményein, úgy sejti, hogy az élő sejtekben és azok között történő folyadékmozgáshoz szükséges feltételek később a kozmikus történelem során alakulhattak ki.

A fizikusok évtizedek óta vitatják univerzumunk egy megdöbbentő tényének lehetséges magyarázatát – hogy számos fizikai állandó értéke éppen megfelelőnek tűnik a körülöttünk látott világ létezéséhez. A csillagkeletkezéshez például hidrogénre és héliumra is szükség van. De ez a feltétel az erős nukleáris erő egy nagyon specifikus értékétől függ – bármilyen gyengébb is, mint amilyen valójában, és nem lett volna hélium; de bármelyik erősebb és az összes hidrogén átalakult volna (héliummá).

Egyes tudósok azzal érvelnek, hogy ez a látszólagos finomhangolás bizonyítékot szolgáltat a világegyetem tervezésére, talán még Isten létezésére is. Mások ehelyett számtalan különböző univerzum lehetőségét vetették fel – akár egyidejűleg, akár egymás után léteznek –, amelyek fizikai feltételei nagyon kis mértékben változnak egyiktől a másikig. Akkor szükségszerűen léteznénk abban az univerzumban, amely alkalmas élet létrehozására. Megint más kutatók azt feltételezték, hogy mindennek – még kidolgozandó – végső elmélete logikusan megköveteli, hogy a konstansok olyan értékekkel rendelkezzenek, amelyekkel rendelkeznek.

Kozmikus evolúció

De Kostya Trachenko a londoni Queen Mary Egyetem úgy véli, hogy lehet más magyarázat is. Azt sugallja, hogy a kozmosz számára nincs szükség „nagyszerű tervezésre”, hanem az univerzum minden fizikai „tulajdonsága” egymástól függetlenül kialakulhat, és megszilárdulhat egy fokozatos evolúciós folyamaton keresztül – némileg úgy, mint bizonyos túlélési lehetőségek elterjedése. az állatok tulajdonságainak javítása.

Ennek az ötletnek az ösztönzése, ahogyan Trachenko fogalmaz, nem az, hogy a fizikai állandókat a részecskefizika vagy a kozmológia összefüggésében veszi figyelembe, hanem a kondenzált anyag fizika sokkal alacsonyabb és biológiailag releváns energiáinál vizsgálja azokat. Ez a megközelítés magában foglalja az összetett fizikai vagy biofizikai folyamatok lényegire redukálását, majd egy vagy több alapvető állandóval való kifejezését.

2020-ban Trachenko és Vadim Brazhkin publikált egy dolgozatot, amely a univerzális alsó viszkozitási határ. Mint a pár rámutatott, a folyadék viszkozitása azon a hőmérsékleten éri el a minimumot, amely folyadékból gázba való átmenetét jelzi (utóbbi esetben a magasabb hőmérséklet több molekuláris ütközéshez vezet, ami nagyobb súrlódást okoz a folyadékrétegek között). Ennek az átmenetnek a modellezésével a „kinematikai viszkozitást” – a viszkozitás és a sűrűség arányát – Planck-állandóval tudták kifejezni.ħ), molekulatömeg és elektrontömeg (me).

A folyadékáramlás elengedhetetlen

Trachenko most feltárta ennek a műnek az élet létezésére gyakorolt ​​hatásait. Mint megjegyzi, a folyadékáramlás elengedhetetlen számos sejten belüli folyamathoz – például a molekuláris transzporthoz vagy a sejtproliferációban szerepet játszó diffúzióhoz. Létfontosságú a nagyobb léptékű, többsejtű folyamatokban is, például a vérkeringésben.

Az ötlet az volt, hogy kidolgozzuk azokat a korlátokat, amelyeket az ilyen folyamatok az alapvető állandók értékeire támasztanak. A kinematikus viszkozitáson kívül, amely a pulzáló véráramlást és más időben változó jelenségeket szabályozza, Trachenko az állandó áramlási és diffúziós állandók dinamikus viszkozitását is figyelembe vette. A Navier–Stokes-egyenlet és a klasszikus folyadékdinamika egyéb elemeinek felhasználásával megmutatta, hogy mindhárom paraméter a következőképpen önthető: me, a proton tömege (mp) És ħ (a dinamikus viszkozitás és diffúziós állandó mellett az elektrontöltés is szerepel, e).

Trachenko úgy találta, hogy a három paraméter különböző módon függ az alapvető állandóktól. Mint ilyen, mondja, az életre vonatkozó korlátozó kifejezések – a két viszkozitás minimuma és a diffúzió maximuma – kombinálása minden esetben egy korlátozott tartományt vagy „biobarát ablakot” eredményez, amelyen belül az állandóknak létezniük kell. Állítása szerint ez váratlan eredmény, tekintettel az érintett biológiai folyamatok összetettségére és sokféleségére (bár hozzáteszi, hogy biokémikusokra és biológusokra lesz szükség a három paraméter számszerű határának megállapításához).

Fred Adams Az amerikai Michigani Egyetem munkatársa dicséri Trachenko „újszerű” megközelítését az alapvető állandók korlátozására. Arra azonban figyelmeztet, hogy nem biztos, hogy egyedi határokat ad, azzal érvelve, hogy a jelenlegi biológiai elmélet nem elegendő a megengedett viszkozitások teljes tartományának meghatározásához. „Ha lenne egy teljes és átfogó biológiaelméletünk, és ez az elmélet megmutatná, hogy a viszkozitásnak minden „élő” univerzumban egy bizonyos tartományon belül kell lennie, akkor az érv erős lenne” – mondja.

Finom szerkezetű állandó

A viszkozitásból származó határokon túllépve Trachenko azt is megvizsgálta, hogy ezek a korlátok hogyan kapcsolódnak a csillagok belsejében nehéz atommagok előállításának szükségessége által előírt határokhoz. Konkrétan a finomszerkezeti állandók közötti szükséges hangolást vette figyelembe (amely jellemző e és a ħ) és a proton/elektron tömegarány (mp/me). Rájött, hogy az egyidejű változások me és a mp vagy ħ és a e fixen hagyhatja a csillagparamétereket, miközben megváltoztatja a folyadék paramétereit. Más szavakkal, egy eltérő alapvető állandókkal rendelkező univerzum elvileg még tartalmazhat nehéz elemeket, miközben folyadékai legalább olyan viszkózusak, mint a kátrány – így tiltja az életet.

Az életbarát viszkozitáshoz szükséges extra hangolást a korai univerzum "túlzásnak" írja le, rámutatva, hogy az állandók pontos értékét legalább 10 milliárd évvel ezelőtt be kellett volna sütni – jóval azelőtt, hogy bármiféle utalás történt volna. milyen lehet az élet. „Kicsit olyan, mintha megkérnénk egy szakácsot, hogy szerezze be a megfelelő alapanyagokat egy remek ételhez, mielőtt eldönti, mi legyen az étel” – mondja.

Elmondása szerint ez a belátás késztette arra, hogy inkább egy evolúciós mechanizmuson gondolkodjon. Elismeri, hogy az ilyen mechanizmusok részletei ebben a szakaszban vázlatosak, mind abból a szempontból, hogy az állandók hogyan változhatnak, és milyen evolúciós nyomás nehezedik arra, hogy bizonyos értékeket előnyben részesítsenek másokkal szemben. Csupán annyit mond, hogy a fizikai állandók bizonyos halmaza egy új fizikai „struktúra” kialakulását kezdené előnyben, amely akkor is megmaradna, ha robusztus tulajdonságokkal rendelkezik.

„Tudom, hogy amit mondok, az elég durva, de pillanatnyilag nem tudunk eleget ahhoz, hogy pontosabbak legyünk” – mondja.

A kutatás leírása a Tudomány előlegek.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa