那些定义了宇宙的数字

张梦然

万有引力常数

1665年显然是一个不平顺的年份。尤其对于当年生活在伦敦的人而言。黑死病的肆虐，让人们纷纷选择逃离这座城市。国王查理二世逃到了牛津，而剑桥大学的师生也不得不选择离校，因为学校已然关闭。其中，一名本科生回到了自己的家乡乌尔索普，并在随后的18个月里，打开了人类通向现代社会的大门。他的名字叫艾萨克·牛顿。

如果没有定量预测，我们今日所处的技术时代可能不会出现，而第一个定量预测的伟大范例，就出现在牛顿发现的万有引力定律中。他从一个假设出发，即“任何物体之间都有相互吸引力，这个力的大小与各个物体的质量成正比，而与它们之间的距离的平方成反比”，推导出行星循着椭圆形的轨道围绕恒星运行。在此之前，开普勒曾经得出这一结论，但是与他艰苦卓绝的观测相比，牛顿仅靠万有引力的假设和自己发明的数学工具——微积分，就获得了问题的答案。

有趣的是，尽管引力G是第一个为人所知的常数，但它是著名常数中最不精确的一个。原因或许是因为与其他基本力相比，引力显得异乎寻常的微弱——尽管地球的质量达到了惊人的6×1024千克，但人们仅仅凭借一枚化学火箭，就在牛顿离开剑桥的300年之后，让一颗卫星挣脱束缚，进入了轨道。

概念释义：万有引力常数，记作G，是一个包含在对有质量的物体间的万有引力的计算中的实验物理常数，出现在牛顿的万有引力定律和爱因斯坦的广义相对论中，亦称作“重力常数”或“牛顿常数”。

光速

火炮在中世纪战争中的使用，在终结冷兵器时代的同时，也告诉人们声速是有极限的。因为人们总是先看到炮口闪光，接着才听到炮声。不久之后，包括伽利略在内的一些科学家又认识到，光的速度同样如此。伽利略曾经设计过一个实验，试图证明这一点，但受到17世纪技术水平的限制，最终没有奏效。

时间来到了19世纪，技术获得了前所未有的快速发展，人们也开始有能力测量光的速度，尽管只能摸到它的2%。不过这已经足以让艾尔伯特·爱因斯坦论证出光速与方向无关。顺水推舟，爱因斯坦最终向世界交出了相对论——20世纪，或者说任何时代都将位列第一的最伟大理论。

有意思的是，虽然现在人们都会说：没有任何物体的速度能够超越光，但即便当今的电脑已经能够以接近光的速度进行运算，我们依然会嫌文件下载得慢。这说明光速的确惊人，但人类糟糕的心情似乎来得更快。

概念释义：光速，符号为C，即光波传播的速度。真空中的光速是一个重要的物理常数。

阿伏伽德罗常量

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。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，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。

那么具体是指多少个分子呢？意大利化学家阿莫迪欧·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被认可，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。阿伏伽德罗常量的定义很绕口：0.012千克C-12中包含的C-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1mol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：阿伏伽德罗常量，符号为NA或L，是0.012千克C-12中包含的C-12的原子的数量，它是物理学和化学中的一个重要常量。

欧米茄（Omega）

我们已经知道宇宙何时产生以及如何产生，但还不知道它将如何终结。不过有一种方法，或者一个常数能够提供帮助，只要我们收集到与之相关的足够信息。这个常数就是Omega。

回到宇宙终结的话题上。我们知道，在发射速度已知的前提下，判断一枚火箭能否挣脱所在行星的引力束缚，关键在于这颗行星的质量。一枚可以在月球上发射出去的火箭，在地球上就不一定管用。

同样的道理也适用于宇宙的最终命运。如果大爆炸发生时，赋予了所有星系足够高的运动速度，那么它们将一直向外扩展，永不停息。而如果没有，这些星系终将如速度不足的火箭那样，向着来时的方向坠落，最终收缩成一团，形成所谓的大收缩。

两种假设究竟谁会成真，决定权在于整个宇宙的质量。

如果每一立方米的宇宙空间中恰好存在5个氢原子的话，其总质量所产生的引力就足以帮助整个宇宙对抗大收缩。这一临界点被称为Omega——宇宙所有物质质量与引发大收缩所需最小质量相除的结果。如果Omega小于1，宇宙将扩张不止；如果大于1，大收缩将在未来的某一时刻降临。

对于我们来说，Omega介于0.98和1.1之间是最合适的。当然，这只是人类粗浅的估算，宇宙的命运究竟如何，目前依然无从知晓。

概念释义：Omega，符号为Ω，希腊字母表中的最后一个字母，在天文学中，其表示宇宙的密度与临界密度的比率。endprint