Числа, которые правят миром
У каждого в жизни есть особенные числа: день рождения, номер телефона, пин-коды… А вот о числах, общих для всех нас, нашей планеты и всей Вселенной задумываются немногие. Сотни лет понадобились ученым, чтобы определить фундаментальные константы, которые правят миром.
Эти великие числа – неотъемлемая часть нашей жизни, даже если большинство людей об этом не подозревает. Изменись хотя бы одно из них, и мир рассыпался бы, как карточный домик.
Давайте поговорим о нескольких великих константах и, разумеется, об их первооткрывателях.
Гравитационная постоянная
G= 6,67384 X 10^(−11) м^3·с^(−2)·кг^(−1)
Вокруг открытия Исаака Ньютона закона всемирного тяготения ходят легенды. Одна из них связана с падением яблока на голову молодого ученого, который отдыхал в яблоневом саду, размышляя о секретах мироздания.
Как бы то ни было, именно Ньютону мы обязаны гипотезой, согласно которой между любыми двумя материальными телами существует притяжение, сила которого пропорциональна их массе, а также квадрату расстояния между ними.
В это великое уравнение, начиная с XIX века, также входит гравитационная константа G, равная модулю силы притяжения двух килограммовых точечных тел на расстоянии одного метра.
Именно этот простой и изящный закон позволил Ньютону быстро прийти к выводам, для которых Йоганнесу Кеплеру понадобились долгие годы непрестанных наблюдений за ночным небом: орбита любой планеты представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце.
Не стоит долго распространяться о гравитационной постоянной: ведь именно благодаря ей мы крепко стоим на нашей планете, вода падает вниз, а не растекается в пространстве, а спутники летят по земной орбите.
И хотя порой кому-то хочется избавиться от земного притяжения и свободно полетать между звездами, согласитесь, от гравитации больше пользы, чем вреда.
Исаак Ньютон
©Портрет кисти Кнеллера
Скорость света
c = 299 792 458 м/с
Изобретение огнестрельного оружия в Средневековье наглядно показало конечность скорости звука: ведь вспышку на большом расстоянии можно увидеть до того, как доносится звук выстрела. Логично было предположить, что и скорость света − конечная величина.
Первую попытку экспериментально определить скорость света сделал Галилео Галилей, используя телескопы и двух людей, зажигающих последовательно огни на большом расстоянии друг от друга.
Первую же приблизительную оценку дал Олаф Ремер в 1676 году, ведя астрономические наблюдения за спутниками Юпитера: 220 000 000 м/с. Результат достаточно близкий к истинному.
Галилей показывает телескоп венецианскому дожу
©Фреска Дж. Бертини
В 19 веке ученые уже достаточно точно определили эту фундаментальную константу. Альберту Майкельсону и Эдварду Морли в их знаменитом эксперименте удалось показать, что скорость света не зависит от направления, что подвигло Эйнштейна на создание теории относительности.
Оказалось, что скорость света − предельна для физических тел. Лишь фотоны, частицы, не имеющие массы покоя, способны двигаться со скоростью света. Даже недавние эксперименты, якобы показавшие, что нейтрино способны превысить эту универсальную постоянную, оказались ошибочными.
Универсальная газовая постоянная
R = 8, 3144621 Дж⁄(моль∙К)
В течение многих веков сотни исследователей изучали поведение различных газов, в первую очередь воздуха, при изменении объема, температуры и давления.
Роберту Бойлю впервые удалось определить отношение давления и объема газа. Столетием позже Жак Шарль и Жозеф Гей-Люссак открыли законы пропорциональной зависимости объема и температуры при постоянном давлении.
Работы исследователей привели к Дмитрию Менделееву и Бенуа Клапейрону, открывших уравнение состояния идеального газа, один из величайших законов физики.
Входящая в него универсальная газовая постоянная определяется как работа расширения одного моля идеального газа, когда температура увеличивается на один градус Кельвина при постоянном давлении.
Абсолютный ноль
Т = −273,15 °C
Подогреть пищу сравнительно легко, значительно сложнее остудить ее до нужной температуры без помощи природы. Но людям удалось и это, например, с помощью холодильников.
Первым использовать расширение сжатого газа для достижения низких температур предложил Майкл Фарадей. Используя этот принцип, ученым удалось превратить в жидкость кислород, водород, а в двадцатом веке даже гелий.
Температура жидкого гелия почти достигает значения абсолютного нуля. А уже во второй половине двадцатого века, используя лазеры, физики сумели замедлить движение атомов, максимально приблизившись к нулевой температуре.
Абсолютный ноль, численно равный −273,15 °C, такой же предел для материальных тел, как и скорость света. Ничто в реальном мире не способно перейти нижнюю границу этого предела.
Абсолютный ноль, численно равный −273,15 °C
Число Авогадро
N = 6,022 141 29·1023 моль^(−1)
В таблице Менделеева более ста химических элементов, из которых состоит материальный мир. Каждому из них соответствует свой атом, а из атомов построены молекулы, как например, молекула воды H2O.
Но сколько молекул воды содержится, например, в чайной ложке?
Итальянский химик Амадео Авогадро задался этим вопросом и, проведя ряд экспериментов, установил, что при одинаковой температуре, давлении и объеме различные газы и жидкости состоят из одного и того же количества молекул.
Число Авогадро определяется количеством атомов, содержащихся в 12 граммах чистого изотопа углерода-12. Оно также определяет понятие моля − количества вещества, содержащего именно столько структурных элементов: атомов, молекул, ионов, электронов и других частиц.