你的每一次呼吸里,都有达·芬奇呼吸过的原子

  此时此刻,你肯定在呼吸对不对?

  你有没有思考过,如果每个人呼出又吸入、吸入又呼出的一口气体,始终都在地球上循环,那自己有没有可能呼吸到达 · 芬奇曾经呼吸过的空气?

  如果这个假想是符合科学原理的,似乎你就可以和自己的爱豆共享空气了!这么一想还有点激动(别激动,深吸一口气!)

  深读第117期,带你一探“与达 · 芬奇同呼吸”的秘密。

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  方便的话,请你先吸一口气……不过反正你也得这么做,因为在过去的 24 小时里,你已经呼吸了大概 3 万次了。在你刚出生时,呼吸这项活动就已经自动开始了,每分钟大概 40 次。现如今,你已经能够用语言来描述这个过程,不过还是会不假思索地呼吸,只是频率降到了初生时的一半。这是一项本能——即使在睡眠中你也在呼吸,如果呼吸停止的时间太久,人就会死亡。

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  好吧,现在是时候好好思量一下呼吸这件事儿了,请留心一下你是如何收紧膈并放松胸腔肌肉的。仅仅这么一个动作消耗的能量大约相当于一个人静息时基础代谢能量的 3%,只是为了把体积相当于一个葡萄柚大小的空气吸到肺里,在此过程中,数以万亿计的空气分子就像群鱼入网一样被捕获了。不过,如此巨量的空气分子中,人类所依赖的氧气只占其中的一小部分。

  平均下来,一位成年人每天需要消耗大约 2 磅氧气(约 0.9 千克),而单独的一次呼吸完全可以确保延续你接下来几分钟的生命。而且,呼吸也是联结你与地球本身以及这个星球上其他生物的神奇纽带,我们将在后面慢慢聊。

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  从太空中看,地球就如同一颗淡蓝色的珠子——这一形象是NASA太空计划做出的最重要的贡献之一。尽管这颗行星上原子数量非常庞大,但终究还是有限的。如果看一看云层掠过地球表面的卫星视频,你会发现,那些拽着云层划过弧形地平线的风,或许片刻就会出现在相反方向的地平线上:这很形象地印证了那句老话“ What goes around comes around ” 的字面意思(种什么因,得什么果)。

  当从很远的距离观察时,天空就好像是一层极薄的薄膜,其中的大多数分子都被挤在仅有 10 英里(16 千米)厚的薄层中,而地球的直径却有将近 8000 英里(1.27 万千米)。在海拔零点处 1 立方码(0.76 立方米)的空间里,含有数以兆亿计的原子,但仅仅在一层雾状的“皮肤”以外,便是太阳系中的相对真空,在这里,如果你要尝试呼吸的话——当然不会成功——你的肺每次只能吸入可怜的几粒原子。当你将来再看到从太空拍摄的地球照片时,最好试着说服自己,那些无处不在且不断喷出污染物的烟囱,并不会将有害物散播到空气中,而这宝贵的空气正供养着你和你的爱人。

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  基林和他的同事史蒂芬 · 谢茨揭示,植物和各类浮游生物产生的氧气,会在 2 个月内遍布半个地球,而遍布整个地球也只需 1 年多一点的时间。大气中氧气与二氧化碳的平衡与生物活动之间的敏感性表明,这种循环并非只是短暂趋势,而是这个星球上所有生物在原子层面上一直都在践行的传统。

  我第一次被这种思路打动时,还是在 20 世纪 60 年代初,当时我本该做家庭作业,实际上却是在看一本漫画。我已经记不起那个故事的标题和主要内容了,但其中一幅图却一直萦绕在脑海中。图中有一位满头华发的发明家,屈身坐在工作台旁,文字旁白的大致意思是:“你现在呼吸的一部分空气分子,也是列奥纳多·达 · 芬奇曾呼吸过的。”

  当时我还是个孩子,很难完全理解那篇故事的立意,甚至不知道为什么列奥纳多会是主角。难道是因为他比我们大多数人呼吸更多空气吗?不过很多年以后,当我知道列奥纳多是众多历史人物(包括尤里乌斯 · 恺撒、耶稣、莎士比亚和希特勒)中唯一一个经常阐述呼吸循环的人时,我才感受到了这个观点的迷人之处。从网络上对这个话题的点击数来看,很多人也跟我有一样的感受。

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  你必须谨慎挑选一些事实和数据才能得出一个结果,然而多数数据来源报告都显示,你每一次的呼吸中,有 1 ~ 15 个原子是提出问题的那个人(达·芬奇)曾经呼吸过的。为了继续这个研究,首先一个必要的数据就是大气的总质量,也就是由凯文 · 特伦伯斯和莱斯利 · 史密斯在 2005 年估算的 5000 万亿吨,他们两位都在位于科罗拉多州波德的国家大气研究中心工作。这也就意味着一共有大约1044(这个数字大到难以想象)个原子存在于空气中,其中 1/5 是氧原子

  如果再考虑与海洋之间的气体交换、肺部的平均体积以及人类的平均呼吸频率等,你每次的呼吸也就很可能接近 1 ~ 15 个“列奥纳多原子”这一范围,从而得出同样的基本结论:同一个世界,同一个大气。不过要想让你的计算结果更加精确,你还需要挑选更合适的气体才行。

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  举例来说,1~15的估算结果并不适用于氧气,因为这种气体不够稳定,不会在空气中存在这么久。细胞、森林大火、闪电以及太空辐射迟早都会将其撕碎,并转化为水或其他化合物。在一部拥挤的电梯里,你不得不和你的同伴共享一部分氧气分子,你的肺不会将吸入的氧气用尽,剩余的那部分会在人与人之间继续传递。但是放大到行星尺度,你和列奥纳多或更久远的历史人物共享氧气分子的概率接近于零。你所呼吸的大多数氧气都还不会如此长寿。而尽管氮气更为充足,也更为稳定,不过也会通过食物链完成循环,然后再回到大气中

  更有助于用来解释空气循环的气体应该是不会被生物体产生或消耗的。美国天文学家哈罗 · 沙普利采用氩气作为计算对象,这也是被广为采用的选择。

  氩气在大气中广泛存在,尽管它只在总量中占了不到 1%。比例小其实也不坏,呼吸高浓度的氩气可不是什么好主意。氩气比大多数气体密度更大,所以一旦吸入,再将其从肺部呼出也会更困难些。工业事故中氩气导致的窒息比有毒气体(如氯气)造成的死亡还要常见。不过 1% 的比例不值得过于担忧,而对于沙普利的思维实验来说,这一点却使氩气成为便捷的示踪气体,从而得出高度精确的估算结果,也就是每一次呼吸中,大约有 15 个氩原子是曾经被某人(如列奥纳多)呼吸过的

  在他 1967 年发表的《呼吸过去与未来》( Breathing the Future and the Past )一文中,他生动地描述了每次呼吸中的氩原子,我忍不住要在此处引用:

  我们不妨叫它“X呼吸”。它迅速蔓延。其中的氩气,清晨时分刚刚呼出,黄昏时分却已飘散到四邻。一周过去,它已经遍布整个国家;一个月过去,它已占领风可到达的所有角落。到年底时……(它)将会在这个星球上所有自由的空气中均匀分布。

  而此刻,你也将会再次呼吸到同一个原子……重新呼吸到那些曾被呼吸过的氩原子,无论来自你自己还是其他人,都有着别致的暗示作用。这些氩原子,用一种空气式的结合,将我们的过去和未来紧紧相连……这是一个气体银行,你向其贡献了很多氩原子,我们也都会从中再提取,地球上每一个婴儿出生后的第一次呼吸中,都包含着你一年前曾经呼吸过的氩原子。而这也是一个残酷的事实,因为你也向每个垂死之人的最后一次呼吸贡献了部分氩原子。

  早些年间的每一位圣人和每一位罪人,每一位普通人和每一头野兽,都将氩原子投入到这所公用的气体银行中……这里的氩原子来自最后一次晚餐的谈话,来自雅尔塔会议的辩论,也来自那些经典诗人的朗诵……我们接下来的呼吸,也许就来自于历史上甚至史前的鼻息、叹息、咆哮、尖叫、欢呼,或是祷告。

  沙普利不是诗人,也不是神秘论者,他的学院精神是无可挑剔的。他在普林斯顿大学修读天文学,并协助建立了国家科学基金,担任过哈佛天文台的负责人,计算出了银河系的尺度。不过我并未因为他散文雄辩的表达感到惊讶,也未曾因为其中散发出的哲理和灵性感到一丝震惊。强烈的情绪暗流往往会在科学揭示的事实和数据之中悄然流露,同样如果科学发现真正伟大时,它们也会释放深刻的见解和情感。

  即使亨利 · 福特这样的聪明人也没有意识到,他其实没有必要用试管去俘获爱迪生最后一次气息的原子。你可以在任何时候收集样品——顺便也可以收集恺撒、耶稣、莎士比亚、希特勒和列奥纳多最后一次呼吸的样品——甚至其中也有少部分是你出生时第一次啼哭时呼出的空气。

  在这充满原子的蓝色星球上,呼吸这事做起来实在太简单了。方便的话,先吸一口气吧。

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  本文摘录自《诗意的原子》(精装珍藏版),有删节,[美] 科特 · 施塔格 著,孙亚飞 译,2020年8月由未读丨天津技术出版社出版,未经授权不得转载

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