" class="wp-auto-featured-image wp-post-image" alt="用物理学常量定义生命" decoding="async" loading="lazy" srcset=" 1000w, 300w, 768w" sizes="auto, (max-width: 1000px) 100vw, 1000px" />

生命的意义是什么？即使是我们当中最优秀的人，也不敢奢望能在《今日宇宙》的一篇文章中回答这个问题。但有人试图至少从物理学的角度“限定”它。波士顿大学的潘卡伊·梅塔和布兰迪斯大学的贾内·孔德夫最近发表在arXiv预印本服务器上的一篇新论文，探讨了物理基本常数如何应用于我们已知的生命，甚至是我们尚未知晓的生命。他们的想法不一定能给出这个终极问题的答案，但确实很好地将两个看似毫不相干的领域联系在了一起。
他们的研究受到了维克托·魏斯科普夫的启发，这位美籍奥地利物理学家通过从支撑我们宇宙的物理常数“第一性原理”推导出物质的许多属性而闻名。他在20世纪70年代的研究，同样出名地排除了一种极其重要的物质属性——生命。而这正是梅塔博士和孔德夫博士介入的地方。
首先，他们必须定义“生命”，如果你问任何一位生物学领域的人，就会知道这本身就是一个棘手的过程。为了解释这个想法，我们只能从表面上接受他们的定义：生命是“一种非平衡自组织物质的新形式，其决定性特征是高保真的自我复制”。换句话说，生命的意义在于永久地将自身与环境区分开来（至少在能量方面）并进行繁殖。
为了配合这个定义，他们进一步定义了生命的三个基本属性来“描述”它。第一个是“生长产量”，它定义了每单位能量（通常是一焦耳）可以产生多少额外的生物量。第二个是最小倍增时间，即一个生物体数量可能翻倍的最快速度。第三个是“休眠时的最小功耗”，它衡量生命需要多少能量来维持其与环境的“分离性”，并保持自身完整性以抵御由热力学第二定律中的熵所代表的无序力量。
根据这篇论文，这些基本属性中的每一个都可以从宇宙的物理常数推导出来，特别是量子理论和热力学定律。在量子尺度上，像普朗克常数、电子质量、质子质量和光速等常数，可以定义更高层次的常数值，如玻尔半径（原子的大小）和里德伯能量（电子的能量）。热学数值同样由玻尔兹曼常数和温度定义，而可用于定义生物复制时间尺度的“动力学时间尺度”则基于量子和热学常数的组合。
在定义“生长产量”时，作者根据质子质量、电子质量、光速和精细结构常数计算出一个理想化的值，精细结构常数定义了质子和电子等基本粒子之间电磁相互作用的强度。他们计算出的理想化生长产量约为8×10⁻⁷克/焦耳。然而，对于像我们这样的碳基生命来说，它不会遵循这个理想化的数字，而是会增长到约10⁻⁴克/焦耳，这与地球上碳基生命的观测值大致相符。
另一方面，最小倍增时间可能会以两种方式之一受到限制。如果有充足的能量，限制因素就是允许细胞数量增加的生化反应速度。另一方面，如果没有充足的能量，生长因素就会受到生命为了繁殖而收集能量的速度限制。在这两种情况下，论文中基于基本常数定义的模型都能准确预测这些过程在实际中至少在数量级上的表现。在能量充足的情况下，细菌可以在几百秒内体积翻倍，而在能量有限的情况下，它们可能需要几十天到几百年的时间才能翻倍。
对于一个细胞来说，在休眠状态下对抗熵是一项艰巨的任务，因为它会不断失去维持其与环境区分的“离子梯度”的离子。这些离子通过细胞中由于热环境变化而形成的“孔隙”逃逸。这个机制基于上述的热学和动力学常数，计算得出约为3×10⁻¹⁵瓦/细胞。同样，这与10⁻¹⁶瓦/细胞的实验值相符。
由于所有模型值与这些生物学指标的测量实验值都很好地吻合，作者指出他们的基本前提——物理定律对细胞生命施加了限制——似乎是成立的。这个模型主要作为一个框架，用于研究在相同物理定律下生命如何在我们的宇宙中存在，并可用于帮助寻找与我们不同的生命。它很好地继承并扩展了魏斯科普夫的设想，即从第一性原理出发构建一个完整的框架来描述整个宇宙，甚至包括那个仍然缺乏通用“意义”的、难以捉摸的生命过程，无论我们对它施加多少限制。