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十三个最富有意义的数字的故事（上）

//m.auribault.com 2014-06-03 来源：科技日报

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　　三、理想气体常数

　　17世纪的时候，科学家们已经对物质的三种形态——固态、液态和气态有了一定的认识（第四种形态即等离子形态的发现，要再等一个多世纪）。在当时的技术条件下，若要精确测量固态和液态物质的变化非常之难，因而许多学者都将目光投向了气体，希望从中能够发现物理规律。

　　其中，罗伯特·玻义耳堪称史上第一位实验学家。他的工作方法日后演变为实验学的基本原则，即改变一个或多个参数，然后观察其他参数发生的相应变化。这在现在听起来多少显得有些简单，但在当时，正如物理学家利奥·西拉德所说的那样，远比臆测准确得多。

　　玻义耳发现了气压与气体体积之间的关系，一个多世纪之后，法国科学家雅克·查理与约瑟夫·盖伊卢萨克又发现了气体体积与温度之间的关系。值得一提的是，这些成果的获得，远非穿着白大褂、舒舒服服地呆在屋里做点实验那么轻松。为了获取数据，盖伊卢萨克乘坐一只热气球飞到了23000英尺的高空，可谓用生命创造了当时的世界纪录。

　　这三个人的研究成果综合起来，便是现在的经典理论：在一定质量的气体中，温度，与气体体积和压力的乘积成正比，而这个比例的常数，就是理想气体常数。

　　概念释义：理想气体常数，符号为R，是一个在物态方程中连系各个热力学函数的物理常数。又称为气体常数、通用气体常数及普适气体常数。

　　四、绝对零度

　　制造热量不是什么难事。早在蛮荒时代，人类的祖先就已经懂得收集野火，进而学会创造火种。与此相反，创造低温就困难得多。在这方面，宇宙是个行家。自大爆炸后，它的温度已经降到只比绝对零度高几度的水平。

　　当然，人类也不必妄自菲薄，因为我们的冰箱正在做着同样的事——利用气体的膨胀创造低温。这里需要提到迈克尔·法拉第。正是这位通常以电学成就闻名于世的科学家，第一次提出了通过控制气体的膨胀来产生低温。

　　达拉第曾经在一个密封的容器中制造出一些液态氯，而当他打破容器时，这些液态氯瞬间化为了气体。从这一现象中，达拉第认为既然释放压力能够令液体化为气态，那么反过来，在低温环境中加大压力，或许可以将气体变为液态。这一认识最终应用在我们的冰箱中——通过对气体加压使其膨胀，一个低温的保鲜环境被创造出来。

　　此后，增压技术令科学家有能力陆续将氧气、氢气液化。到了20世纪初，这一名单中又增加了氦气。它的加入，让我们距离绝对零度只有几度之遥。而到了现代，利用激光减慢原子运动的技术让这一差距缩小到百万分之一。不过，与光速一样，-459.67华氏度的绝对零度，是一个可以无限接近却永远不可以达到的数值。

　　概念释义：绝对零度，热力学温标为K，等于摄氏温标零下273.15度。这是热力学的最低温度，也是粒子动能低到量子力学最低点时物质的温度。

　　五、阿伏伽德罗常数

　　解开化学之谜，可不像打开一个保险箱，因为它需要两把钥匙。

　　第一把钥匙，即原子学说，由约翰·道尔顿在19世纪初发现。对于这一理论的重要性，理查德·费曼有一段精辟的论述：“假如人类正面临一场所有科学知识都将被其毁灭的大灾难，而我们只能留给后代其中一句，那么哪一句论述是用最少的字数包含了最多的信息？在我看来，只能是原子假说——所有的事物都由原子构成，这些微小的粒子处于永恒的运动之中。”

　　现在我们知道，构成整个宇宙中物质的基本元素，一共有92个。有趣的是，几乎所有种类的物质都是由多个单质构成的化合物。而这一发现，恰恰正是解开化学之谜的第二把钥匙：每一种化合物都是相同分子的集合。例如，每一份纯净的水都是由许许多多相同的H2O分子构成。

　　那么“许许多多”，具体是指多少个分子呢？如果要回答这个问题，人们真的需要准备一个大账本来记录计算结果。幸亏有意大利化学家阿莫迪欧·阿伏伽德罗，才没有让计算这些天文数字成为阻碍化学发展的障碍。

　　阿伏伽德罗指出，在相同温度和压力条件下，同等体积的不同气体含有的分子数量相同。他的这一论断起初并不受认可，但随后人们发现它提供了一种通过测量化学反应前后体积变化来推导分子结构的方法。阿伏伽德罗常数的定义很绕口，0.012千克碳12中包含的碳12的原子的数量。简约一些说，大概是数字6后面加上23个零。它也指代一摩尔中的分子数。前者是化学家用来表达物质的量的计量单位。

　　概念释义：阿伏伽德罗常数，符号为NA或L，是0.012千克碳12中包含的碳12的原子的数量，它是物理学和化学中的一个重要常量。

　　六、电相对重力的强度

　　如果我们在冬天的早晨走过一张地毯，会发现许多微小物体因为静电的作用而吸附到衣服上，而我们的头发也会直立、飘飞起来。这一现象有力地说明了一个事实，那就是电的力量，远远强过重力。我们的地球辛苦运用自己庞大的质量，才将表面上的物体拽住不放，一丁点儿的静电就令它的努力全部付诸东流。

　　从人类的角度来说，这是件好事。因为只有这种力差才保证生命的存在。包括我们在内的生命，都是一个包含复杂化学与电反应的复杂造物，并且后者的作用要大于通常被认为更重要的前者。理由在于：不管是驱动肌肉，还是消化食物，这些化学反应都离不开电的力量——之所以会发生化学反应，实质是既有原子的外层电子“背叛”主人，投靠到新的原子上。

　　有这一过程，才会有原子的重新组合，才会有不同的化合物产生，进而才能令我们的神经有能力控制肌肉，向大脑传递信息。

　　假如电力没有相对重力的强势，生命的进化或许将以另外一种模式与路径进行。当然，已经成为这幅模样的我们，只能去其他的宇宙寻找验证了。

　　概念释义：无

　　七、玻尔兹曼常数

　　我们都知道，水往低处流，因为重力在起作用。重力也是一种力，在起作用的时候，常常让人感觉它来自于地球的中心。然而，在近代科学萌芽之前，并非每一种现象都能够像“水往低处流”一样得到合理的解释。

　　比如，“在一杯热水中就会融化的冰块为何永远无法在一杯温水中自动形成”这样的问题，就始终是19世纪物理学研究中的难题。

　　问题的答案，最终由奥地利物理学家路德维格·玻尔兹曼给出。他在研究中发现：热能在一杯温水的分子间消散的方式，要比在一杯加了冰块的热水中更多。

　　从玻尔兹曼的研究中可以看到，自然界是一个稳健的玩家，它在绝大多数情况下都会选择最有可能的方式行事。波尔兹曼常数就说明了这一点：无序总是多过于有序，搞乱一间屋子的方法总是多过收拾整洁，随意融化一块冰的难度总是低于让它依照有序的结构凝结。

　　此外，包含了玻尔兹曼常数的玻尔兹曼熵方程，也解释了“感觉会出错，一定会出错”的墨菲法则：并不是什么邪恶的力量导致你走向错误和失败，仅仅只是因为事情变坏的可能性在数量上远远多于变好而已。

　　概念释义：符号为k或kB，是有关于温度及能量的一个物理常数。

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编辑：尹盼秋