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有趣的物理算法:需要多少人才能建成一座金字塔?
發(fā)布時(shí)間:2020.06.11        閱讀次數(shù):

北京時(shí)間6月11日消息,據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道,建造古埃及金字塔需要多少人力?科學(xué)家基于簡(jiǎn)單的物理學(xué)原理進(jìn)行粗略計(jì)算,發(fā)現(xiàn)建造金字塔的人力并非之前估計(jì)的那么多——不超過(guò)7000人,持續(xù)建造20年。

古埃及吉薩大金字塔建造于4600多年前,迄今它仍然保存完好。它是一個(gè)正多邊形的多面體結(jié)構(gòu),體積達(dá)到260萬(wàn)立方米,原始高度為146.6米。

古埃及吉薩大金字塔建造于4600多年前,迄今它仍然保存完好,正多邊形的多面體結(jié)構(gòu),體積達(dá)到260萬(wàn)立方米,原始高度為146.6米,由于其歷史久遠(yuǎn),現(xiàn)在我們可能永遠(yuǎn)無(wú)法精確知道這座金字塔是如何建造的,但即便如此,我們?nèi)钥梢苑治龀鼋ㄔ焖枰嗌偃肆Α?/p>

首先,我們必須考慮到建造金字塔所需時(shí)間大約是20年,這也是下令建造吉薩大金字塔的胡夫法老統(tǒng)治時(shí)期的時(shí)間跨度。胡夫法老死于公元前2530年左右,吉薩金字塔建造完成之后,希臘歷史學(xué)家希羅多德描述稱,吉薩金字塔共動(dòng)用了10萬(wàn)勞工,每年工作3個(gè)月,20年時(shí)間完成金字塔建造。1974年,德裔英國(guó)物理學(xué)家?guī)鞝柼亍らT德?tīng)査晒烙?jì)稱,參與建造吉薩金字塔的季節(jié)性工人有7萬(wàn)人,常年工作的泥瓦匠有1萬(wàn)人。

事實(shí)上,這些數(shù)據(jù)有些高估,現(xiàn)在我們可以通過(guò)簡(jiǎn)單的物理計(jì)算更精確地分析金字塔建造需要多少人力。

金字塔勢(shì)能是指物體提升至地面以上所需的能量,它是重力、質(zhì)量和質(zhì)心(質(zhì)量中心)所產(chǎn)生加速度的乘積,而在金字塔中,質(zhì)心是金字塔高度的四分之一。金字塔的具體重量很難確定,取決用于建造金字塔的圖拉石灰?guī)r和砂漿的確切密度,我們假設(shè)金字塔每立方米實(shí)體建筑重量平均為2.6噸,所需能量大約為2.4萬(wàn)億焦耳。

在保持人體基本代謝率的情況下,每個(gè)體重70公斤的成年人每天大約需要7.5兆焦耳的能量,如果他們處于每天高強(qiáng)度勞動(dòng),身體所需能量將增多30%,其中大約20%的能量增量將轉(zhuǎn)化為工作效能,即每天產(chǎn)生450千焦能量(可能存在不同的假設(shè),但不會(huì)出現(xiàn)太大的差別)。將吉薩金字塔的總勢(shì)能除以450千焦,意味著需要1天次530萬(wàn)人參與建造金字塔,如果一年的工作時(shí)間為300天,意味著每年需要將近1.8萬(wàn)人,如果建造金字塔需要20年,那么每年只需要900人即可。

完全使用人力資源可以使龐大的金字塔逐漸建造起來(lái),因?yàn)榇蠖鄶?shù)金字塔工工程是底部基礎(chǔ)建設(shè),法老執(zhí)政期間可安排數(shù)千名勞工在幾十年內(nèi)建造,因此這并不是一項(xiàng)耗用國(guó)家資源的大工程。

同時(shí),需要一些勞工負(fù)責(zé)操作起吊裝置將石塊運(yùn)至高處,以及負(fù)責(zé)將石塊光滑處理。為了實(shí)現(xiàn)20年時(shí)間切割260萬(wàn)立方米的石塊,該項(xiàng)目需要1500名采石工,每年工作300天,人均每天制造0.25立方米的建筑石塊。

建造金字塔總?cè)藬?shù)可能達(dá)到3300人左右,此外還包括:設(shè)計(jì)師、組織者、監(jiān)督員、運(yùn)輸員、工具維修員、建筑和現(xiàn)場(chǎng)住房維護(hù)者、烹飪和洗衣所需的勞動(dòng)力等,但參與金字塔工程的總?cè)藬?shù)仍不會(huì)超過(guò)7000人。

在金字塔建造期間,埃及舊王國(guó)時(shí)期總?cè)丝谑?50萬(wàn)-160萬(wàn),因此這樣等級(jí)的勞動(dòng)力不會(huì)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)造成特別大的負(fù)擔(dān)。上世紀(jì)90年代,考古學(xué)家在吉薩金字塔附近發(fā)現(xiàn)一個(gè)勞工墓地和一處居住點(diǎn)地基,該居住點(diǎn)曾是后期兩座金字塔建造者居住的地方,表明當(dāng)時(shí)居住這里的人不超過(guò)2萬(wàn)人。