Еволюція може пояснити значення фундаментальних констант – світ фізики

Значення фундаментальних фізичних констант – здавалося б, точно налаштованих для появи ядерної матерії та, зрештою, життя – могли не бути фіксованими на початку Всесвіту, а натомість змінювалися з часом через процес, схожий на біологічну еволюцію. Це гіпотеза фізика з Великобританії, який показав, що зручні для життя обмеження в’язкості рідини та дифузії накладають обмеження на значення констант. Виявивши, що ці обмеження виходять за рамки вимог зоряного нуклеосинтезу, він припускає, що умови, необхідні для руху рідини в живих клітинах і між ними, могли виникнути пізніше в космічній історії.

Десятиліттями фізики обговорювали можливе пояснення вражаючого факту нашого Всесвіту – що значення багатьох фізичних констант здаються якраз доречними для існування світу, який ми бачимо навколо нас. Для утворення зірок, наприклад, потрібні як водень, так і гелій. Але ця умова залежить від дуже конкретного значення сильної ядерної сили – будь-яка слабша, ніж вона є насправді, і гелію не було б; але будь сильніше, і весь водень перетворився б (на гелій).

Деякі вчені стверджують, що це очевидне тонке налаштування є доказом задуму у Всесвіті, можливо, навіть існування Бога. Інші натомість обговорюють можливість існування безлічі різних всесвітів – незалежно від того, існують вони одночасно чи один за одним – фізичні умови яких дуже незначно змінюються від одного до іншого. Тоді ми обов’язково існували б у цьому всесвіті, придатному для створення життя. Ще інші дослідники постулювали, що остаточна теорія всього, яку ще належить розробити, логічно вимагатиме, щоб константи мали ті значення, які вони мають.

Космічна еволюція

але Кость Траченко Лондонський університет королеви Марії вважає, що може бути альтернативне пояснення. Він припускає, що немає потреби у «грандіозному плані» для космосу, але що кожна фізична «риса» всесвіту може самостійно виникнути та закріпитися через поступовий процес еволюції – дещо схоже на поширення певного виживання – покращення функцій у тварин.

Поштовхом до цієї ідеї, як каже Траченко, є не розгляд фізичних констант у контексті фізики елементарних частинок чи космології, а їхнє дослідження при значно нижчих і біологічно значущих енергіях фізики конденсованих речовин. Цей підхід передбачає зведення складних фізичних або біофізичних процесів до їх голих істот, а потім їх вираження в термінах однієї або кількох фундаментальних констант.

У 2020 році Траченко і Вадим Бражкін опублікував статтю про створення a універсальна нижня межа в'язкості. Як зазначила пара, в’язкість рідини досягає мінімуму при температурі, що позначає її перехід від рідини до газу (в останньому випадку вищі температури призводять до більшої кількості молекулярних зіткнень, що створює більше тертя між шарами рідини). Моделюючи цей перехід, вони змогли виразити «кінематичну в’язкість» – відношення в’язкості до густини – через постійну Планка (ħ), молекулярна маса та маса електрона (m_e).

Потік рідини важливий

Зараз Траченко дослідив наслідки цієї роботи для існування життя. Як він зазначає, потік рідини має важливе значення для багатьох процесів, які відбуваються в клітинах, таких як молекулярний транспорт або дифузія, пов’язана з проліферацією клітин. Він також життєво важливий у масштабних, багатоклітинних процесах, таких як кровообіг.

Ідея полягала в тому, щоб визначити обмеження, які такі процеси накладають на значення фундаментальних констант. Окрім кінематичної в’язкості, яка визначає імпульсний кровотік та інші явища, що змінюються в часі, Траченко також розглянув динамічну в’язкість стаціонарного потоку та константи дифузії. Використовуючи рівняння Нав’є–Стокса та інші елементи класичної динаміки рідини, він показав, що всі три параметри можна виразити через m_e, маса протона (m_p) і ħ (з динамічною в'язкістю та константою дифузії, що також містить заряд електрона, e).

Траченко виявив, що ці три параметри по-різному залежать від фундаментальних констант. Таким чином, за його словами, об’єднання граничних виразів для життя в кожному випадку – мінімумів для двох в’язкості та максимуму для дифузії – дає обмежений діапазон, або «біологічно сприятливе вікно», в межах якого мають існувати константи. Це, як він стверджує, є несподіваним результатом, враховуючи складність і різноманітність залучених біологічних процесів (хоча він додає, що біохіміки та біологи знадобляться, щоб встановити числові межі трьох параметрів).

Фред Адамс Мічіганського університету в США високо оцінює «новий» підхід Траченка до накладення обмежень на фундаментальні константи. Але він попереджає, що це може не дати унікальних обмежень, стверджуючи, що поточна біологічна теорія недостатня для розробки повного діапазону дозволеної в'язкості. «Якби у нас була повна та всеохоплююча теорія біології, і ця теорія показала б, що в’язкість у будь-якому «живому» Всесвіті повинна лежати в межах певного діапазону, тоді аргумент був би сильним», – каже він.

Константа тонкої структури

Переходячи за межі в’язкості, Траченко також розглянув, як ці обмеження пов’язані з обмеженнями, які накладаються потребою утворення важких ядер усередині зірок. Зокрема, він розглянув необхідне налаштування між постійною тонкої структури (яка особливості e та ħ) і відношення мас протона до електрона (m_p/m_e). Він зрозумів, що одночасні зміни в m_e та m_p або з ħ та e може залишити параметри зірок фіксованими, змінюючи параметри рідини. Іншими словами, Всесвіт з різними фундаментальними константами в принципі все ще може містити важкі елементи, тоді як всі його рідини є принаймні такими ж в’язкими, як смола, що забороняє життя.

Розрахунки показують, що кварк-глюонна плазма тече, як вода

Він описує додаткове налаштування, необхідне для сприятливої ​​для життя в’язкості, як «перебір» у ранньому Всесвіті, вказуючи на те, що точні значення констант потрібно було б запікати принаймні 10 мільярдів років тому – задовго до того, як з’явилися будь-які натяки на як може виглядати життя. «Це схоже на те, щоб попросити шеф-кухаря підібрати потрібні інгредієнти для вишуканої страви, перш ніж ви вирішите, що це за страва», — каже він.

Саме це розуміння, каже він, спонукало його розглянути еволюційний механізм. Він визнає, що деталі будь-якого такого механізму на даному етапі уривчасті, як з точки зору того, як константи можуть змінюватися, так і з точки зору еволюційного тиску, щоб певні значення віддавали перевагу іншим. Він каже лише, що певний набір фізичних констант почне сприяти появі нової фізичної «структури», яка витримає, якщо матиме надійні властивості.

«Я розумію, що те, що я говорю, є досить грубим, але на даний момент ми просто не знаємо достатньо, щоб бути більш конкретними», — каже він.

Дослідження описано в Наука розвивається.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• ChartPrime. Розвивайте свою торгову гру за допомогою ChartPrime. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/evolution-may-explain-values-of-the-fundamental-constants/