Why do we say that logarithms are everywhere in life?

This article explains the reasons for introducing logarithmic scales, including handling large-range numerical changes, facilitating written calculations, and aligning with humans' logarithmic perception (Fechners' law), by citing examples of logarithmic scales in daily life, such as the Richter scale, star magnitude classification, and decibel measurement of sound. It demonstrates that logarithmic scales can be found everywhere in our daily lives.

Why do we say that logarithms are everywhere in life?

地震的震级分为5级和8级,表面上看起来只相差三个等级,两者的破坏力差异似乎不会太大。但实际上,5级地震只会对建筑物造成轻微损坏,而8级地震却经常造成毁灭性破坏,2008年5月12日在中国汶川发生的大地震就是如此。为什么数字增加不大(从5级到8级),却意味着破坏力的极大增加?原因在于,里氏震级用于衡量地震强度的是"对数"级别。在这种震级定义中,每增加1级,其强度(或释放的能量)就会增加30多倍。因此,8级地震的强度不是比5级地震强3倍,而是超过27000(30^3)倍!在我们的生活中,使用这种"对数"尺度的情况很常见。

为了表示星星的亮度,我们将夜空中的星星从亮到暗分为一等星、二等星……六等星。这是人们用肉眼做出的区分,但事实上,用肉眼看亮度相差1等的星,其发光强度等级的差别是按等比变化的。具体来说,每个等级的发光强度约为下一个等级发光强度的2.512倍。因此,一等星的发光强度约为六等星的100(2.512^5)倍。

在测量声音强度的方式中,我们同样可以看到这种应用。为了准确和方便地测量声音强度,人们引入了“贝”或“分贝”(1贝=10分贝)。例如,人们轻声说话的声音强度是20分贝,正常交谈的声音强度是60分贝,而雷声或摇滚乐的声音强度是120分贝……每增加10分贝(1贝),声音的强度就会增加10倍。因此,120分贝的声音,其强度是60分贝声音的100万(10^6)倍。

地震、星星、声音等看似与对数无关的事物就这样与对数联系在一起了。那么,为什么要引入“对数”尺度呢?这主要是因为人们要处理的一些对象往往在很大范围内变化。例如,人类耳朵能感应的声压范围可以从最微弱的20微帕变化到2×10^9微帕。如果用微帕这个单位来表达声音强度,就必须处理从20到2000000000这样小的数字。而引入用对数定义的分贝后,表达相同的声音强度,就只需要面对0分贝到140分贝这样简单的数字。显然,用“对数”级别可以很好地处理范围很大的变化区域。当然,这种方式还有便于书写和计算的优点。

除此之外,使用“对数”尺度在某些情况下还与人类的“对数”感觉恰好相适应。所谓对数感觉是指,当物理刺激呈几何级数变化时,我们对刺激的感觉却呈算术级数变化。简单来说,人类的感觉强度与刺激强度的对数成正比。这一结论在心理学中被称为费希纳法则。它表明,对数不仅出现在自然界,而且还与我们自身紧密相连。