和宇宙有關的13個數字

生活中總有一些數字非常重要，例如自己的手機號碼或是身份證號。但要是從整個宇宙的廣度上看，卻是一些簡單的數字具有極其重要的意義，這些數字構成了我們現在的宇宙和世界。加州州立大學數學系教授James D. Stein在他的書《The Numbers That Define Our Universe》中揭示了這些與宇宙息息相關的數字：

1、萬有引力常數。

2、光速。

中世紀西方發明的火炮讓人們認識到了聲速和光速的區別，在炮彈出膛前就能看到炮口的火焰，然後才聽到火藥的爆炸聲。之後包括伽利略在內意識到光的速度也是有限的，並為此設計了一個實驗，兩人在遠距離使用望遠鏡觀察火光。由於受制於當時的技術條件，該實驗最後以失敗告終。直至19世紀末，技術的進步使得人類能在0.02%的誤差範圍內精確測量光速。Albert Michelson和Edward Morley證實了光傳播方向的獨立性，這也促使愛因斯坦相對論的誕生。人們經常會說沒有什麼比光速還要快，的確，物理世界是沒有。即使現代計算機處理信息的速度已經接近光速，人們還是對下載速度有所抱怨。可以說抱怨永遠比光速要快。

3、理想氣體常數。

17世紀時的科學家已經明白了物質的3種形態，由於受到當時科學技術條件的限制，無法準確測量固體和液體的變化，因此研究固體和液體要比氣體困難得多，大部分研究實驗都集中於氣體。Robert Boyle就是其中一位傑出的實驗學家，他想到了控制變數法，即通過控制實驗中的一個變數，來觀察其他變數的變化。他由此發現了氣體壓力與體積之間的關係，100年後，法國科學家Jacques Charles和Joseph Gay-Lussac發現了氣體體積與溫度之間的關係，值得注意的是，Gay-Lussac為了做實驗乘坐熱氣球飛到近7000米的高空，這在當時已經是世界最高紀錄。將他們3人的發現綜合起來，可以得到理想氣體常數的值。

4、絕對零度。

人類很早就學會了生火，但要製冷卻很難，而宇宙的溫度很低，平均溫度只比絕對零度高一丁點，原理和家裡使用的冰箱類似，通過宇宙中不斷膨脹的氣體散熱。以電學而聞名的法拉第首先提出通過製造絕對零度來遏制宇宙中氣體的膨脹。他在一個密封的的試管中注入液態氯，當試管破碎後，液態氯立刻變成了氣態。這個實驗說明了由於試管破碎後溫度升高，導致液態氯變成氣態氯，某些物質如果在一定溫度下，氣體也會變成液體。而現代家庭中的冰箱就是根據這一原理製冷。

20世紀初期，壓力技術的發展使科學家可以將氫、氧液化，由此帶來的低溫已經接近絕對零度，最新的激光技術可以讓原子運動減緩由此得到更接近絕對零度的低溫。

5、阿弗加德羅常數。

解開化學的奧秘和保險箱的奧秘可不一樣，它需要2把鑰匙，第一把鑰匙是19世紀道爾頓發現的原子理論，宇宙中有92種基礎元素，其他物質都是由這92中基礎元素所組成；所以第2把鑰匙是由這些原子組成的分子，例如水是由H2O分子所組成。但是到底有多少分子，如何將它們排列整齊預測化學反應的結果一直以來是化學領域的難題。義大利化學家Amadeo Avogadro提出在相同溫度、壓力和體積條件下，不同氣體具有相同的分子，這種假說剛提出時受到了很多質疑，但它使化學家能在化學反應的開始和結束時，在相同體積下推演出物質分子的結構。阿弗加德羅數被定義為12個碳元素中所含的原子數量，數字表示為6.02×1023.

6、重力與電力的相對強度

冬天走在地毯上時，會產生靜電，過多的靜電甚至會讓人體的頭髮豎立起來，這說明電力強度比重力要強。地球的重力讓所有物體下落，而電卻能抵消甚至超過重力的影響。這對生命體來說非常有益，生命本身就是一種複雜的電化學反應，甚至肌肉的力量和消化食物都需要電能。化學反應的反應就是源於原子外部的電子擺脫了束縛，由此和新的原子重新組合，在這些反應中產生的電能幫助人體內的神經向肌肉傳輸信息，這樣肌肉才能運動，大腦才能正常工作。如果電能比重力弱，上述的功能就會受到影響，這也是人類進化過程中對地球環境的適應。

7、玻耳茲曼常數。

通常情況下由於地球重力導致土地下陷，水就會往低處流，但這不能解釋為什麼熱水中的冰塊會融化，而溫水中不會自主結冰。這和熱能的傳遞有關，為了回答這個問題，奧地利物理學家Ludwig Boltzmann發現冰塊在溫水中的熱能傳遞比熱水中要多。自然界的隨機性很強，無序遠比有序多。

玻耳茲曼的熵公式中包括了玻耳茲曼常數，同時也解釋了墨菲原理：該出錯的一定會出錯，之所以錯是因為錯的方式比對的方式要多。

8、普朗克常數

絕大多數的科學家比較低調，自然界才是評判他們科學研究的終極標準，而有時候大自然也需要大量時間才能驗證科學家的研究發現。就像Max Planck對物理宇宙的假設研究，並告訴自己的兒子：我有一個媲美牛頓的理論大發現。

他的話說得很滿，事實證明了他的正確性。他認為宇宙中的能量由一個個有限的個體組成，這些個體被稱為量子，或被稱為普朗克常數，簡寫為h。普朗克量子理論不僅被用來解釋宇宙的架構，也成為20世紀和21世紀技術革命的開端。幾乎電子學領域的所有新發現，從激光到計算機，再到磁共振都有普朗克理論的貢獻，除此之外量子理論還顛覆了人類對現實世界的認識，例如之前在科幻小說中才有的平行宇宙概念如今已經在量子理論的解釋下，成為了現實。

9、施瓦氏半徑。

黑洞理論18世紀已經出現，但在很長時間內它都只是一個理論而不是一個真實的物理現象，知道愛因斯坦的廣義相對論出現才有了現實黑洞的可能，它詳細區別了與經典物理學中的重力不同之處。一戰期間德國陸軍的物理學家和宇航服務學家Karl Schwarzschild看到了這個理論。愛因斯坦將自己的理論轉化為了系統方程式，這些系統方程式非常難解，但是Karl Schwarzschild卻在戰爭期間找到了解決方法。除此之外，他還假設一個極小的球體中填充滿某一種物質後就會形成黑洞，這種球體的半徑被稱為施瓦氏半徑。由於施瓦氏半徑極小因此難以單獨呈現。

一般都以為黑洞非常小，密度大而且是黑色，例如施瓦氏半徑球體可以將地球裝進半徑只有1厘米的球體內，但令人驚奇的是，大的黑洞可以非常大，假設把整個銀河系的質量平分裝進施瓦氏半徑球體製造黑洞，這些黑洞的密度只有現在地球大氣密度的0.0002。

10、氫熔效率

Carl Sagan曾說過我們都是星塵，從氫熔效率理論來看非常正確。宇宙大部分由氫氣構成，為了產生其他化合物，特別是生命，就需要從氫元素中獲取其他元素，宇宙中的星雲就是由一大團氫由於重力而聚攏，由此產生的壓強導致核反應生成了氦。整個核反應過程中的能量釋放量可以通過著名的E = mc2 公式計算出，其中只有0.7%的氫轉換成了能量，也就是0.007，這就是氫熔效率，這個數字對生命體非常重要。

氫熔反應的第一步是生成氘，如果氫熔效率低於0.007，則該反應不會繼續，星雲還會繼續形成但是僅僅是個發光的氫氣球，如果氫熔效率高於0.008，則反應過於活躍，氫在反應過程中消耗過快。拿水分子來說，其中有2個氫原子，如果反應過快，則不會形成水，那麼生命也將不復存在。

11、錢德拉塞卡極限

生命體的基本元素是碳，但除了碳元素還需要其他質量更重的元素。宇宙中只有一種途徑會產生這些元素，那就是超新星。超新星是巨星爆炸後的產物，超新星中會有所有那些重元素並在宇宙中散布開來，這樣會慢慢在星球上形成生命，超新星非常特別而罕見，1987年在夜空中觀測到的超新星距離地球超過15萬光年，但還是能在地球上直接用肉眼觀察到。

超新星的大小決定了它的命運，像太陽大小的超新星非常穩定，比太陽大的超新星會變成極高溫的白矮星，而小的超新星會逐漸冷卻並死亡。如果某個星體的體積超過錢德拉塞卡極限，那就意味著是一個超新星。

12、哈勃常數

宇宙從何而來，有2種說法，一種是宇宙一直存在，一種是宇宙有開始之處。20世紀60年代曾有爭論，哪個說法才是正確的，最後的證據顯示宇宙起源於一次大爆炸。當時人們很難理解這種說法，宇宙中所有的物質一開始都壓縮在一個極小的空間內，這個空間比一個氫原子還小。

如果宇宙起源於大爆炸，那麼這次大爆炸什麼時候發生？如今的宇宙有多大？這些問題在20世紀20年代，被一個叫作Edwin Hubble的人提出，當時他在洛杉磯的威爾遜山天文台工作，如今的太空望遠鏡就是以他的名字命名。

哈勃使用類似雷達槍的設備發現銀河系正在逐漸遠離地球，由於當時沒有太空設備可以觀察地球在宇宙中的位置，因此他認為整個宇宙都在發生這樣的變化，所有的銀河系都在遠離，銀河系遠離地球的速度與距離地球的值就被稱為哈勃常數，根據此理論推算，宇宙大爆炸發生在137億年前。0000 0000

13、歐米茄常數

我們現在知道了宇宙什麼時候起源，到現在有多久，但我們不知道它何時會滅亡。現在只要把所有收集到的足夠數據進行計算得到的常數被稱為歐米茄常數，就能預測宇宙什麼時候滅亡。這就像從一個行星上發射一枚火箭，已知火箭的速度，這枚火箭是否能脫離行星軌道要看這顆行星的質量有多大，例如脫離月球軌道的火箭速度就和脫離地球軌道的火箭速度不同。

宇宙的命運同樣可以通過計算得出，如果宇宙大爆炸產生的速度超過銀河系，那麼就會徹底毀滅。如果沒有超過，那麼銀河系還會繼續包裹著宇宙，接著就會發生宇宙塌陷。這都取決於整個宇宙的質量，如果在1立方米的空間內有5個氫原子，產生的重力足以產生重力塌陷，這被稱為歐米茄常數。宇宙所有物質質量與引發大收縮所需最小質量相除的結果，如果常數值小於1，宇宙將向外擴張，如果大於1，就會發生宇宙大塌陷，目前的估值在0.98～1.1之間，因此還無法確定宇宙究竟會產生怎樣的變化。

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