5個你該感謝的物理常數

2021-01-10 大科技雜誌社

每個人都有著個人的原因,要去感謝某人、某事。不過,我們應該首先去感謝那些使我們得以存在的東西。如果這些東西稍有不同,宇宙在大爆炸之後,會很容易會變得瘋狂混亂,或者變得單調乏味,使得我們人類根本無法出現。

太陽、地球和所有生命的出現,尤其是智慧生命的出現,需要許多僥倖的因素。特別是那些物理常數——比如光速和萬有引力常數——它們的數值好像被精確調整過,正好使得我們得以存在。這些常數隻要發生輕微的變化,恆星、行星、生命,甚至複雜的原子都可能無法形成。

下面,我們舉例來說一些你該重點感謝的物理常數。

宇宙的膨脹率

宇宙不僅是在膨脹,而且因為神秘的暗能量的存在,宇宙每時每刻還都在加速膨脹。那麼,暗能量是什麼呢?根據最流行的解釋,暗能量起源於真空中固有的能量,其強度由所謂的「宇宙常數」來表示。問題是,大多數理論計算表明,宇宙常數應該是實際大小的10120多倍。不知何故,我們居然幸運地得到了一個很小的宇宙常數。如果宇宙常數很大,那麼在大爆炸之後,宇宙會一直急速地膨脹下去,裡面的物質就沒機會聚集在一起,形成恆星和星系。如果宇宙常數比現在的還小,那麼宇宙很早就會發生坍縮,最終萬物都會擠壓在一起,這樣恆星和星系也無法形成。事實上,當前宇宙常數隻要改變1053分之一,就足以使我們的宇宙面目全非。

中子與質子的質量比

中子的質量是質子的1.00138倍。這種質量之比使得中子可以衰變為質子,而不是反過來,因為衰變只能從大質量的粒子衰變為小質量的粒子。事實上,儘管進行了很多次實驗,我們也沒能觀察到哪怕一個質子發生了衰變。這對我們來說是幸運的,因為如果中子與質子的質量比小於1的話,那麼質子就能衰變為中子,這就會導致宇宙中無法形成原子。

強核力和電磁力的強度

當我們的宇宙處在起步階段時,裡面主要的成分是氫和氦,直到這些元素在恆星的內部通過核聚變來產生更為複雜的元素,而出現複雜的元素是創造生命所必需的條件。核聚變的過程對一些物理常數非常敏感,特別是與強核力和電磁力強度大小有關的常數。其中,強核力是把質子和中子結合為原子核的力,它必須戰勝帶正電的質子之間的電磁斥力,才能創建出一個穩定的原子。如果強核力的強度減少超過0.5%,或電磁力的強度增加超過4%,那麼就會破壞恆星內形成碳元素的聚變過程,這樣類似地球的生命就無法出現。

萬有引力常數

如果萬有引力常數變大一點,即引力強度變大一點,那麼宇宙中的恆星都會是更小的紅矮星(低溫,低質量的恆星),因為恆星長得太大就會因引力而發生坍縮。但是這樣的恆星太冷了,不足以支持類似地球的生命。如果萬有引力常數變小一點,那麼宇宙中的恆星就會變成巨大的藍超巨星(高熱,大質量的恆星),這樣的恆星燃燒速率太快,壽命太短,生命來不及發展。事實上,萬有引力常數隻要改變1040分之一,那麼我們的太陽就會發生悲劇。

定律的複雜性

科學家們還發現物理定律本身也處在一種微妙的平衡之中。如果物理定律比當前的更加複雜,宇宙可能會變得異常混亂,例如每一顆恆星、行星都遵循自己的一套標準,那麼智能生命可能無法在這種混亂中進化出來。而簡單的物理定律可能會導致宇宙過於整齊劃一,那些靠概率出現的事情——比如20多億年前地球上的兩個單細胞生物發生了合併,科學家認為這導致了複雜的真核生物的出現——可能永遠不會發生。我們的宇宙正泰然自若地處在這兩個極端之間。

面對這樣一個完美的宇宙,人們很容易得出這樣的結論:宇宙是被精確調整過的,使得恆星、行星以及人類能誕生出來。但這種觀點直接違背了哥白尼原理——宇宙和我們在其中的位置遠談不上特別,而是很普通的。

為了應對這一矛盾,一些宇宙學家提出了所謂的「人擇原理」,認為我們的宇宙之所以看起像是專為我們存在而特別調整過的,其實是一種選擇性偏差:如果不是這樣,我們就不會在這裡去觀察這個宇宙。其他的宇宙學家則轉向了多重宇宙這個概念,認為我們的宇宙只是無數中的一個,每個宇宙都可以有著獨特的物理定律和物理常數。與人擇原理類似,我們之所以發現處在這樣的宇宙中,只不過是因為我們只能出現在類似這樣的宇宙之中。

不管我們如何解釋宇宙為何如此特別,感謝這些物理常數是理所應當的。所以,讓我們懷著感恩之心面對這個宇宙吧。

相關焦點

  • 該星系物理常數被「修改」,人類或發現可操控物理定律的神級文明
    根據計算,當精細結構常數α>0.08時,碳原子將不會穩定地存在。看到這裡你可能已經想到了,如果想要擊潰一個區域內的敵人,完全可以不用大費周章、大張旗鼓、千裡迢迢地開著宇宙飛船與它對射,只需要修改該地的精細結構常數,一切就可灰飛煙滅。
  • 13個宇宙常數
    美國加利福尼亞州立大學數學教授詹姆士·斯坦因介紹了13個宇宙常數,包括萬有引力常數、光速、絕對零度、哈勃常數、普朗克常數等。
  • 研究人員改進了基本物理常數的測量
    精細結構常數的實驗測量圖示圖像中的背景圖案代表實際的費曼圖,用於幫助計算電子磁矩異常的理論值(使用精細結構常數等進行計算)。用原子表示用於測量反衝速度的原子幹涉儀的方案。圖片來源:PierreCladé,SaïdaGuellati-Khélifaet Tatsumi Aoyama物理理論的驗證和應用要求測量被稱為基本常數的普適值。
  • 【高中物理】物理學必知的50個關鍵常數,考試一定需要的秘籍!
    普朗克常數6.63×10^-34J·s,離散世界的基本物理量。2. 普朗克時間5.39×10^-44s,最小的有意義的時間間隔。3. 普朗克長度1.62×10^-35m,物理定律所適用範圍內的最小尺度。
  • 物理計量科學簡史下:基本常數
    為了給科學發展和交流提供必要的條件,單純靠單位和單位制的統一之外,必不可少的就是確定重要物理常數的公認數值。物理常數大致可以分為兩個大類。其一、是與物體有關的。諸如:比熱、電阻率、沸點、折射率等等。這是物體特性所決定的,稱之為物質常數。
  • 萬有引力常數G新成果編入高中物理教材
    高中物理教材中萬有引力常數G的相關內容有望得到進一步完善。該《答覆》成文於2019年8月19日。  《答覆》稱,2018年1月教育部頒布了新修訂的《普通高中物理課程標準(2017年版)》,在必修2中要求學生「通過史實,了解萬有引力定律的發現過程。知道萬有引力定律。認識發現萬有引力定律的重要意義」。普通高中物理教科書依據《普通高中物理課程標準(2017年版)》編寫,並參考當前科學發展的最新研究成果,統籌安排相關學習內容。
  • 描述這個宇宙需要26個常數(或者更多)
    因為如果你了解物理定律——引力、量子力學、電磁學、核力,等等——你所需要的就是告訴你「是多少」的相互關係,只要你使用相同的初始條件,你就會得到一個宇宙,具有從原子到星系團的相同結構,從電子躍遷到恆星爆發的相同過程,同樣的元素周期表,以及從氫氣到蛋白質和烴鏈的相同化學組合,加上大量的其它相似之處。
  • 物理學家精確測定普朗克常數
    感謝建站之星的投遞新聞來源:solidot英國國家物理實驗室的研究人員開發出新技術,能以前所未有的精度測量普朗克常數
  • 【物理探索】精細結構常數,一個讓無數物理學家為之痴迷的數。
    原標題:【物理探索】精細結構常數,一個讓無數物理學家為之痴迷的數。科學家測量任何物理量時,都要明確它們的單位是什麼,例如光速是300000千米每秒,但如果用英裡每秒作為單位的話就是186000英裡每秒。你的體重可以是120斤,也可以是60公斤。如果你不知道一個量的單位,知道它的大小就毫無意義——除非它是個純數字,壓根就沒有單位。
  • 物理常數會改變嗎?最新研究表明可能會,也可能不會!
    人類了解宇宙演化規律的工具是物理學定律,很多物理學基本定律中都存在相應的物理學常數,比如光速、萬有引力常數、基本電荷數、普朗克常數等等,有時候我們會好奇,這些常數在我們宇宙的不同地方,或者不同時間線上是相同的嗎?
  • 2021年初中物理知識學習技巧:初中物理常見的常數
    中考網整理了關於2021年初中物理知識學習技巧:初中物理常見的常數,希望對同學們有所幫助,僅供參考。   關注中考網微信公眾號  每日推送中考知識點,應試技巧 助你迎接2021年中考!
  • 【E.N.】再見,千克原器;歡迎你,新普朗克常數!
    至此,所有的基本物理量單位都由自然規律定義,不再依靠任何實際物質。再見,千克原器;歡迎你,新普朗克常數!前情介紹:今天,有一場舉世矚目的會議,即將在法國凡爾賽召開,它就是第26屆國際計量大會(CGPM)。
  • 數學界有4個神奇的數字:除了圓周率和普朗克常數,你還知道幾個
    不管科學劃分成多少個領域,數學始終都是學科的基礎。沒有裝備足夠的數學知識,你學不好物理,學不好天文學,離開了數學的學科是不會有成就的。數學和物理學有著深刻的聯繫,牛頓、愛因斯坦、麥克斯韋,他們身上有著物理學家的標籤,但不能否認的是,他們也是個數學家。一個優秀的物理學家,必然要有深厚的數學功底。複雜的公式計算和縝密的邏輯思維能力,都對數學能力提出了高要求。
  • 謝玉銘——本該是第一個獲諾貝爾物理獎的中國人
    1934年2月,該論文在《物理評論》發表雜誌上,由此引起物理界的震驚,導致「重整化問題」的進展。這是是物理學界的一件大事,這項重大的科學研究成果是對科學事業的巨大貢獻,按照後來的情況來看,他們完全可因此獲得諾貝爾物理獎,但由於種種原因未果。
  • 物理學必知的50個關鍵常數99%的同學都偷偷背誦了
    知識標籤:高中物理;高中知識;高中學習;高中必備;高中知識群;高中物理小技巧;高中技巧
  • 除了光速外,神奇的自然規則中還有哪些物理常數
    玻爾茲曼常數k其實是由其他常數定義而來的,即理想氣體常數R與阿伏加德羅常數NA的比值,所以這個常數並不能算作一個基本常數。儘管如此,正如題主所言,玻爾茲曼常數有著重要的物理意義。在定義玻爾茲曼常數的常數中,理想氣體常是理想氣體狀態方程中的常數,它與氣體的種類沒有關係,其大小約為8.314 J/mol/K。阿伏加德羅常數能夠把宏觀的物質的量與微觀的粒子數結合起來,其大小約為6.022×10^23 /mol。
  • 大學物理實驗RC電路時間常數的Multisim仿真測試
    大學物理是高校理工科專業的理論與實踐結合密切的課程,在教學過程中引入演示實驗將增強知識內容的直觀性,對提高學生的物理基礎、培養創新能力有重要的作用。    選擇放電期間測試測試常數,用Multisim的AC交流分析功能得到的仿真波形如圖5所示,將遊標指針1位於放電開始的位置使y1=U≈9.894 3V、遊標指針2位於y2=0.368U≈3.614 6 V的位置,可讀出:    τ=t=dx=1.007 0 ms≈1ms    (10)    與式(4
  • 物理學中的常數都是「常數」嗎?
    不過,多年後的今日,或許這場「烏龍」事件,還真的其來有自,甚至與「暗能量」有著密不可分的關係······ 今(2019)年5月20日,國際單位制把各種基本單位,以普朗克常數h、光速c等物理常數取代傳統原器。
  • 萬有引力常數變化周期為5.9年
    萬有引力常數變化周期為5.9年 2015-04-23 科技日報 房琳琳 【字體:現在,科學家發現G值隨時間每5.9年有一個振蕩周期,他們認為G值變化跟測量本身沒有關係,一定還有別的因素在影響著測量結果。   到底「別的因素」是什麼?據物理學家組織網22日報導,加州理工學院退休科學家約翰·安德森與合作者在最近一期《歐洲物理快報》上發表了G值與一種叫做「每天時長」(簡寫LOD)之間關係的論文,其主要觀點是,G值測量能在可預測的方式下變化。
  • 高三物理該如何複習?
    對於理科生來說,讓人最頭疼、最煩惱的學科就是物理了,物理涉及到五多:概念多、公式多、單位多、實驗題多、定律多,主要考查學生的記憶能力、理解能力、計算能力。高三物理該如何複習呢?如何把物理成績從40分提升到80分呢?高考物理年年常考的知識點有哪些?