科学家发现基本的物理常数决定着液体如何流淌

该图显示了Nature的基本常数如何设置液体粘度的基本下限。

伦敦玛丽皇后大学和俄罗斯科学院的科学家发现了液体流动性的极限。

粘度是衡量液体流淌度的一种指标，是我们每天加满水壶，洗澡，倒食用油或在空气中流动时所经历的一种特性。

我们知道液体在冷却时会变稠，在加热时会变稀疏，但是如果我们继续加热，液体会变得多么稀薄？

最终，如果在足够高的压力下加热，液体会沸腾并变成气体或稠密的类气体物质。在液态和气态之间转变的点是粘度的最小值。

粘度被认为是不可能从理论上计算出来的，因为它在很大程度上取决于液体的结构，组成和相互作用以及复杂的外部条件。诺贝尔奖获得者史蒂芬·温伯格将计算水的粘度的难度与计算基本物理常数（该常数决定了我们宇宙的结构）的问题进行了比较。

该图显示了Nature的基本常数如何设置液体粘度的基本下限。

尽管有这个困难，研究人员还是开发了一个方程式。

在发表于《科学进展》上的这项研究中，他们表明了两个基本的物理常数决定着液体的流动性。物理常数或自然常数是物理宇宙的可测量特性，不会改变。

他们的方程将基本粘度的最小值（粘度和每分子体积的乘积）与控制量子世界的普朗克常数以及无量纲的质子与电子的质量比相关联。

伦敦玛丽皇后大学论文的主要作者科斯蒂娅·特拉琴科教授说：“这个结果令人震惊。粘度是一种复杂的特性，对于不同的液体和外部条件，其变化很大。然而，我们的结果表明，所有液体的最小粘度都变得简单而通用。”

发现此限制也有实际意义。它可用于需要低粘度化学，工业或生物过程新流体的地方。一个非常重要的例子是最近使用超临界流体以绿色和环境清洁的方式处理和溶解复杂的废物产品。

在这种情况下，发现的基本极限为目标提供了有用的理论指导。它也告诉我们，我们不应该浪费资源试图超过基本极限，因为自然常数会在这一点或更高点塑造粘度。

基本的物理常数，尤其是无量纲的常数（不依赖于物理单位选择的基本常数）被认为定义了我们所生活的宇宙。质子与电子的质量比与另一个无量纲的常数之间的精细平衡精细结构常数控制着恒星中的核反应和核合成，从而导致包括碳在内的必不可少的生化元素。

这种平衡提供了一个狭窄的“可居住区域”，在该区域中可以形成恒星和行星，并可以出现维持生命的分子结构。稍微改变其中一个无量纲的基本常数，宇宙将变得非常不同，没有恒星，重元素，行星和生命。

特拉琴科教授说：“较低的基本极限提醒我们自然的基本常数如何每天影响我们，从制作一杯早晨的茶开始，将其总体规则扩展到特定但复杂的特性（例如液体粘度）。”

俄罗斯科学院的首席研究员瓦迪姆·布拉日金（Vadim Brazhkin）补充说：“有迹象表明，液体粘度的基本下限可能与物理学上非常不同的领域有关：黑洞以及新的物质状态，即夸克-胶子等离子体，它在非常高的温度和压力下出现。探索和欣赏这些以及其他联系是使科学如此令人兴奋的原因。”

参考：K. Trachenko和V.Brazhkin撰写的“来自基本物理常数的最小量子粘度”，2020年4月24日，科学进展。DOI：
10.1126 / sciadv.aba3747