宇宙中的13个最重要的数字
By James D. Stein,
某些数字，例如您的电话号码或你的社会保险号码，是比其它的显然更重要的。但这个列表上的数字是宇宙的重要的------它们是定义我们的宇宙的基本概念，使生命的存在成为可能并将决定宇宙的最终命运。在这片从他的新书宇宙数字: 定义我们的宇宙的数字（Cosmic Numbers: The Numbers That Define Our Universe）改编的文章中，长滩的加利福尼亚州立大学的数学教授詹姆斯·斯坦恩（James D. Stein）揭示着不仅对我们的生活和我们的宇宙影响的每个数字，而且也有发现了它们和与它们一起工作的人的故事。这里是它们，以科学首先意识到它们的顺序。
1 宇宙引力常数
也许2011年还不是这样一个伟大的年，但1665年完全是糟糕透顶------特别是如果你碰巧住在伦敦。那是鼠疫最后大爆发的一年，即使伦敦人不知道关于整体的医学，他们知道出城是一个好的主意。国王查理二世的宫廷离开伦敦到牛津，剑桥大学关闭。它的一个本科生学艾萨克·牛顿回到了沃尔索普的家，在那里他度过了接下来的打开现代世界大门的十八个月。
我们生活在一个科技的时代，不可能没有能力进行定量预测。定量预测的第一个很好的例子是在牛顿的万有引力理论中被发现的。开始假说，从两个质量之间的引力吸引是成正比于质量的乘积和反比于它们之间的距离的平方，牛顿搞清了一个行星的轨道是在一个太阳焦点之一之上的椭圆。约翰内斯·开普勒已经从多年的艰苦的观察得出这一结论，但牛顿能够仅用引力吸引的假设和微积分(他为此目的发明的)的数学工具这样做。
好奇的是，虽然引力常数G是被发现的第一个常数，但它是已知的所有13个常数的最不准确的。这是因为当与其它基本的力相比时引力的极弱性。考虑到虽然地球的质量是大约6×1024公斤，到1957年------约牛顿离开瘟疫肆虐的伦敦三个世纪后------人类用一个简单化学动力的火箭来克服地球引力吸引把第一颗人造卫星Sputnik放置在轨道上。
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2 光的速度
中世纪期间发明的大炮证明了声音的速度是有限的;你可以在你听到爆炸声之前很久看到一个大炮炮火。此后不久，几位科学家包括伟大的伽利略意识到光的速度可能也是有限的。伽利略设计了一个实验，可能能证明这个，涉及到望远镜和人在很远的地方彼此用光指向对方。但光速的极快性，结合1600年代时候的技术限制使得这个实验不可行的。
到十九世纪结束，技术和智慧已经长足前进能够在光的实际值的0.02%范围内测量光的速度。这使得阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷来证明光的速度是独立于方向的。这个令人吃惊的结果最终导致了爱因斯坦的相对论，20世纪的标志性的智力成就或许所有时间的。
人们常说，没有比光更快的东西。事实上，在宇宙中没有任何东西可以比光的速度快，但即使我们的计算机以接近光速的速度处理信息，我们仍然焦急地等待着我们要下载的文件。光的速度是快的，但无奈的速度甚至更快。
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3 理想气体常数
在17世纪，科学家们了解了物质的三个相------固体、液体和气体(物质的第四相等离子体的发现放在未来几个世纪)。回到那时，固体和液体要比气体难工作得多因为在固体和液体中的变化用那时的设备是很难测量的。因此许多实验家围绕着气体玩来尝试推导基本物理定律。
罗伯特·波义耳也许是第一个伟大的实验家，并对我们现在考虑为实验的本质负责的:改变一个或多个参数，来看其它的参数怎样反应变化的。回想起来它似乎很明显的，但事后看来，如物理学家利奥西拉尔德曾经说过的，更精确比远见是值得注意的。
波义耳发现了压力和气体体积之间的关系，以及一个世纪以后，法国的科学家雅克·查尔斯和约瑟夫·盖吕萨克发现了体积与温度之间的关系。这一发现不只是一个穿上传统的白色实验室外套 (这尚没有被发明)并在舒适的环境中进行一些测量的事。为了获得所需的数据，盖吕萨克拿上一个热气球到海拔23000英尺，可能那时的一个世界纪录。波义耳、查尔斯和盖吕萨克的结果可以合起来表明在一个一种气体的固定量中，温度正比于压力和体积的乘积。这个比例常数被称为理想气体常数。
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4 绝对零度
制造热容易的。自史前时代以来人类已经能够捕获或创建火。生产冷是一个更加艰巨的任务。宇宙作为一个整体已经做了一个很好的冷的工作，因为宇宙的平均温度仅是绝对零度以上几度。它已经这样做了我们在我们的冰箱中做它的方式: 通过气体的膨胀。
迈克尔·法拉第，更远远出名他对电的研究作出的贡献，是第一个提出通过利用气体的膨胀生产更冷的温度的可能性的人。法拉第在一个密封管中产生了一些液体氯，当他打破这个管子时(从而降低压力) 这个氯立即转化为气体。法拉第指出如果降低压力可将液体转化为气体，那么也许对气体应用压力可以将它变成液体------有更冷的温度。这是基本上发生在你的冰箱里的;气体被压力化并允许膨胀，这个冷却周围的物质。
加压化使得科学家能够液化氧、氢，到20世纪初，氦气。这把我们带到绝对零度的几度以内。但热也是运动，通过使用激光减慢原子的技术使我们能够到绝对零度的百万分之几度，其中我们现在知道稍微超过–459华氏度。绝对零度于光的速度是属相同的类别的。物质对象可以到达如此之近，但它们永远达不到它。
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5 阿伏伽德罗数
解锁化学的秘密并不是不同于解锁一个保险柜的。它用了两个钥匙来完成这个任务。
19世纪黎明由约翰·道尔顿发现了的原子理论是第一把钥匙。著名的物理学家理查德·费曼感到原子理论是如此的重要，他说，"如果，在一些灾变中，所有的科学知识都被破坏了，只有一句话传给生物的下一代，什么语句会以最少的词语包含最多的信息呢?我相信它是所有的东西都由原子组成的原子假说------永恒运动中的环绕移动的小粒子"。
这些是宇宙中所有物质的基本构造块的92个(天然发生的)元素。然而，几乎宇宙中的一切都是一种化合物;各种不同的元素的组合。因此，现代化学的第二把钥匙是每种化合物是一个相同的分子的组合的发现。例如，一批纯净水是由大量相同的H2O分子组成的。
但究竟有多少分子呢? 正确的记账以便我们可以预测化学反应的结果被证明是化学前进的一个主要障碍。意大利化学家阿玛德奥·阿伏伽德罗提出了在相同的温度和压力不同气体的相同体积包含了相同数量的分子。当这个假设首次公布时很大程度上不受赏识的，但它使化学家可以通过测量一个化学反应开始时的和完成时的体积推断分子的结构。阿伏伽德罗数被定义为12克碳的原子数，大约为六后面跟着23个零。(它也是一摩尔中的分子的数量，一个化学家们用来表达一个物质的量的测量单位)。
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6 电和引力的相对强度
如果你在一个寒冷的冬天早晨走过地毯，你可能会生成足够的静电导致小物体来粘到你的衣服或者让你的头发竖起来。这个提供了一个生动的多少比引力更强的电的展示。整个地球的质量正施加它最佳的引力努力把那个物体拉下来，而您已经生成的少量静电击败这些努力。
它是一件好事------电是如此多的比引力强的这一事实使得生命存在。生命是一个复杂的化学和电反应，但甚至使肌肉运动或食物消化的化学反应的动力的核心依赖于电的。随电子在原子的外边缘把忠诚从一个原子转移到另一个发生化学反应。在这样做的过程中，不同的化合物随原子的重组形成。这些转移导致我们的神经来给我们的肌肉发送信息，使我们能够移动，或到我们的大脑，在那里我们的感官收集的信息被处理。
如果电相对的比实际上的引力弱，这将更加困难。进化可能为生命适应这样一种情况产生一种方式。但我们不得不在另一个宇宙中检查来发现的。
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7 玻尔兹曼常数
我们都知道水往下坡流、不往上的，因为这是引力工作的方式。引力是一种力，地球的引力拉的行为就像它集中在地球的中心一样把水拉下坡。然而，对为什么我们看到当放在一杯热水中时冰方块融化但是永远不会看到冰方块自发地在一杯不冷不热水中形成没有类似的解释。这跟热能被分布的方式有关，这个问题的解决是19世纪物理学的重大企望之一。
这一问题是由奥地利物理学家露德维格·玻尔兹曼解决的，他发现了一杯不冷不热的水的整个分子的能量分布比一杯放有冰块的热水有更多的方式。自然是一个百分比的玩家。它最经常用最有可能的方式来做事的，玻尔兹曼的常数量化这种关系。无序是比有序更常见的------一个房间比整洁有很多更多的凌乱方式(一个冰块融化成无序的比一个有序的冰块结构只是出现容易得多)。
玻尔兹曼的熵方程，其中包括玻尔兹曼常数，也解释着墨菲定律: 如果任何事可能出错，它会的。对你不是一些恶性的力正在作用让事情错了的。这只是事情可以出错的方式的数目大大超过事情可以顺利的方式的数目。
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8 普朗克常数
大多数情况下，科学家们是一群相对谦让的。他们知道自然是他们做了的无论什么分析的最终裁判，有时它又让自然用相当长的时间来作出判决。然而，有一天马克斯·普朗克做出一个迫使他在午餐时间散步时告诉他的儿子的关于物理宇宙的假设，"今天我有一个具有像牛顿一样伟大的革命性的构想"。
强大的话语，的确，但时间证明普朗克是绝对正确的。他的令人吃惊的启示是宇宙以有限的一个最小量的倍数包装能量，就像原子理论宣称宇宙以有限倍数的原子包装物质一样。这些能量的小包装被称为量子，普朗克常数缩写为h，告诉我们这些包的大小。
普朗克的量子理论已经证明不仅是一个宇宙构造的方式的解释而且也是20世纪和21世纪的技术革命的火花。几乎在电子学中的每一次进步，从激光器到电脑到磁共振成像仪，源于量子理论告诉我们关于这个宇宙的。此外，量子理论为我们提供一种高度反直觉的现实的图象。如平行宇宙的概念，从前科幻(如果毕竟设想了)的东西现在已根深蒂固，由于量子理论作为事情是的方式的合法解释------或至少它们可能是的方式。
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9 史瓦西柴尔德半径
一个黑洞的概念，一个其中如此多的物质被包装以致引力的拉力可以防止光逃跑的空间早在18世纪就知道了。但它被视为一个更理论上的可能性而不是实际的现象。实际的黑洞作为爱因斯坦的广义相对论的结果出现的可能性，其中给出一个躲避了牛顿的引力的微妙性详细解说。这一理论的一个副本在第一次世界大战中前进到了俄国前线，卡尔·史瓦西柴尔德（Schwarzschild），一个在德国军队服役的物理学家和天文学家。
爱因斯坦以方程组的形式提出了他的理论。这些方程是极难解决的，但史瓦西柴尔德设法在一场战争的大屠杀中发现了它们的解决办法。不只如此，而且他也证明了对于任何给定物质的量，有一个如此小的如果所有的物质被包在它里面的球体，它会成为一个黑洞。这个球的半径被称为史瓦西柴尔德半径。(没有单一的史瓦西柴尔德半径;它是每个可能质量的一个不同的尺寸)。
流行的处理手段给我们留下黑洞是不祥的小、致密和黑色的印象。例如，地球大小的质量的史瓦西柴尔德半径只是约1厘米。但出人意料的是，更大的黑洞可以弥漫的。如果整个星系的质量被均匀的分布在它的史瓦西柴尔德半径内来创建一个黑洞的话，这个黑洞的密度会约是地球大气密度的0.0002。
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10 氢融合效率
卡尔·萨甘（Carl Sagan）有句名言，"我们都是恒星材料"。这是真实的，由于氢融合的效率。
宇宙主要是氢。要产生更复杂的元素------尤其是那些使生命成为可能的------必须有一种从氢获得那些其它的元素的方法。宇宙用恒星做到这个的，这真的只是一个非常大的通过引力吸引汇集的氢球。这个引力的压力是如此的强以致核反应开始发生，并且通过融合氢转变成氦。
在这个过程中释放出的能量的量由爱因斯坦的著名方程E = mc²给出。但只有最初出现的氢的0.7%实际上变成能量的。以十进制数表示，这一数字是0.007。这是氢融合的效率，生命在这个宇宙中的存在对这个数字是非常敏感的。
氢的聚变中的第一步是氘(重氢)的生产，如果氢融合效率低于0.006这不会发生。恒星仍会形成，但它们只会是发光的大氢球。如果氢融合的效率是0.008或更高，那么融合会太有效的。氢会迅速变成氦很快会耗尽宇宙中的氢的。因为每个水分子中含有两个氢原子，不可能形成水的。没有水，如我们所知生命不可能存在。
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11 钱德拉塞卡极限
我们知道生命是基于碳元素的，但生命也需要大量的各种其它更重的原子。在宇宙中只有一个产生这些更重的元素的进程，那就是一颗超新星，一个巨星的爆炸。一个超新星爆炸产生所有那些更重的元素，并将它们分散在整个宇宙，使行星来形成和生命来进化。超新星是罕见的但壮观的。1987年出现在天空的超新星实际上发生在离地球超过150000光年远的地方，却仍然肉眼可见到的。
一个恒星的大小决定它的命运。太阳大小的恒星过着相对平静的生活(虽然从现在数十亿年的时间太阳将膨胀和吞噬地球)。比太阳稍大的恒星将成为白矮星，强烈的热但慢慢就会凉下来并死亡的小恒星。然而，如果一个恒星超过一定的质量------钱德拉塞卡极限------那么它就注定要成为一颗超新星的。
钱德拉塞卡极限大约是太阳质量1.4倍。异常的，苏博拉曼颜·钱德拉塞卡20岁时作为一个学生在从印度到英国的一次一艘轮船旅行中结合星座组成的理论、相对论和量子力学发现了这个。
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12 哈博常数
真的宇宙只有两种可能: 要么它一直在这里要么它有一个开端。哪个是正确的问题在1960年代末被解决，当确凿的证据证明了宇宙是在一个大爆炸中开始的。这个宇宙大爆炸的特别之处几乎不可能理解的。所有宇宙的物质，所有它的恒星和星系，最初被都挤压在一个如此之小的体积内，使一个单独的氢原子比较起来看似庞大的。
如果这个宇宙在一个大爆炸中开始的，那次爆炸发生在多久以前，并且今天宇宙是多大呢? 原来，这两个问题之间有一个令人惊讶的关系，一个在20世纪20年代首先被埃德温·哈勃(著名的太空望远镜以他命名的)在洛杉矶郊外的威尔森山天文台观测的结果怀疑的关系。
哈勃望远镜，使用类似于目前使用的雷达测速器的技术发现了星系总体正在远离地球。因为天文上没有什么地球在宇宙中的地方特别的，这个一定是整个宇宙正在发生的: 所有的星系都飞离。其中一个星系正在离开的速度与它离地球的距离之间的关系由哈勃常数给定。从这个我们可以计算出宇宙大爆炸发生在大约137亿年前。
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13 欧米茄（Omega）
我们知道宇宙是怎样开始的和它是多老。但我们不知道它怎样全结束。然而，有一种确定它的命运的方式，如果只有我们可以收集足够的信息来计算一个称为欧米茄的常数值的话。
如果你从一颗行星发射一枚火箭，并且你知道火箭的速度，然后知道是否它能逃脱一个行星的引力取决于这个行星是多么庞大。例如，具有足够的速度逃离月球的火箭可能没有足够的速度逃离地球。
宇宙的命运取决于同样的计算。如果大爆炸给这个星系传达了足够大的速度，它们能永远分离飞开。但如果不是这样，那么星系会发现它们自己类似于没有逃逸速度的火箭。它们会在一个大紧缩中被一起拉扯回------大紧缩是大爆炸的相反。
这一切取决于整个宇宙的质量。我们知道，如果空间每立方米有大约五个氢原子的话，那将是刚足够的引力吸引在一个大紧缩中把星系一起带回的物质。这个引爆点被称为欧米茄;它是宇宙中物质的总量除以引发大紧缩必须的最少物质量的比率。如果欧米茄小于一，星系将会永远分离飞开。如果它大于一，那么在遥远的将来的某时大紧缩会发生。我们目前的最佳估计是欧米茄介于0.98和1.1之间。因此宇宙的命运仍是未知数。
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http://www.popularmechanics.com/flight/g163/13-most-important-numbers-in-the-universe/