费米:让不可能变为可能

时间:2022-09-12 07:15:22

1945年7月16日,世界上第一颗原子弹在美国的新泽西州沙漠试爆成功。

当时,美国原子能之父、物理学家费米呆在距离爆炸中心约16千米处,爆炸40秒后,滚滚气浪冲到科学家们进行观察的大本营里。

费米一感到气浪所带来的第一下颤动时,就马上将碎纸片举过头顶抛洒出去,纸片纷纷扬扬地落到地面,拉开的距离大约有2.3米,费米马上通过心算,宣布说这颗原子弹的能量为1万吨TNT当量,这个结果和仪器测量值十分接近。

参加这次实验的科学家们对费米的神机妙算赞叹不已,但并不感到意外,因为他富有创造性的卓越才能在科学界早已享有盛名。

费米常常鼓励大家在不用参考任何资料的情况下做一些离奇的数量估算,比如“芝加哥有几位钢琴调音师?”“一座美式足球场有几片草?”还有“你每吸入一口气时,究竟吸入了多少凯撒大帝临死前呼出最后一口气的气体分子?”这类看似无解的问题,被我们称为“费米问题”。

面对这样的问题,你的第一反应或许是所给信息太少,无法解决,但当这个问题被分解为几个次级问题,并且每个问题在不用求教专家或书本的情况下都能解答时,你就接近准确的答案了。

芝加哥有多少个调音师

芝加哥有多少个钢琴调音师?这个问题作为最经典的费米问题,一直广为人知。

没错,这是一个怪问题,但费米是这样把问题化整为零的。

第一步,芝加哥的人口为300万,假设每一个家庭平均由4人组成,其中1/3的家庭拥有自己的钢琴,那么整个城市的钢琴数量为25万架。

第二步,如果一架钢琴每隔5年调音一次,一年便需要调音5万次,现设想一个调音师一天能为4架钢琴调音,一年以250天计算,结果一年可调音1000次。

第三步,由此可见,芝加哥市必定有50个左右的调音师,市政当局的有关材料证实,这一估计基本正确。

如果我们用其他数值进行估算,那结果会不一样吗?不会的,因为在一系列的计算中,错误会互相抵消,以“估计调音师个数”为例,如是有人假定每6家家庭而不是每3家有一架钢琴,那么他就很可能趋向于每架钢琴隔2.5年而不是5年调一次音,基于此。最终的结果还是会趋于正确的答案。

判断地球的周长

如果不查询任何资料,你能判断出地球的周长吗?

第一步,我们知道上海和重庆的飞行时间大概为2小时,飞行速度为900-1000千米/时,除去起飞降落的时间。于是可以判断上海与重庆的直线距离为1600千米左右。

第二步,重庆与上海的时差大致为1小时,1小时是一天的1/24,而24小时正是地球完成一次自转所需要的时间,因此周长必定是1600千米的24倍,即38400千米,而地球的实际周长约为40000千米,误差不大。

虽然原子弹爆炸和钢琴调音师个数、地球周长这些问题毫无共同之处,但是对它们进行估价的方法却是一样的。

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