捍卫原子的人

晰数塔互联网快讯
2021-07-13 18:16

本文来自微信公众号：中科院物理所（ID：cas-iop），作者：Areeba Merriam，翻译：Nothing，审校：Dannis，题图来自：unsplash

“一位音乐家在听到几个音节后，即能辨认出莫扎特（Mozart）、贝多芬（Beethoven）或舒伯特（Schubert）的音乐。同样，一位数学家或物理学家也能在读了数页文字后辨认出柯西（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍兹（Helmholtz）或基尔霍夫（Kirchhoff）的工作。”

——路德维希·玻尔兹曼

这个世界似乎对所有人都不公平。这是一个关于受到这个世界伤害的人的故事，他的贡献彻底改变了物理学的几个分支。

他主要以建立统计力学和提出热力学第二定律的统计解释而闻名。他是那个年代支持原子论的最重要的几个人之一，尽管当时关于原子论还存在很多争论。

一、早年生活

1844年，狂欢节和圣灰节（Ash Wednesday，圣灰节是大斋期的开始）之间那个晚上，物理学家和哲学家路德维希·玻尔兹曼（Ludwig Eduard Boltzmann）出生在奥地利维也纳。他过去常常开玩笑说，他出生的日期是他总会情绪波动的原因，这种情绪波动伴随着他从纯粹快乐的时光走到可怕的抑郁阶段。

玻尔兹曼

1863年，19岁的玻尔兹曼作为维也纳大学物理和数学系的学生开始了他的科学生涯。他在约瑟夫.斯特潘（Josef Stefan）的指导下获得博士学位，他的博士论文研究的是气体动力学理论。仅仅三年后，25岁的玻尔兹曼在斯特潘推荐下成为格拉茨大学的全职数学物理教授。

玻尔兹曼并不是一个安分守己的人，他不停地从一份工作转到另一份工作。在离开格拉茨大学之后，他于1873年加入维也纳大学担任数学教授。在那里供职了三年后，他又回到了格拉茨担任实验物理的讲席教授。1887年，他前往柏林担任理论物理讲席教授，但后来他改变了主意。

1890年，他在德国慕尼黑担任理论物理教授。1894年，他又回到维也纳担任讲席教授。然后在1900年他又前往莱比锡。据他的学生说，他是一位杰出的教师，同时也备受科学界的尊敬。

二、科学贡献

玻尔兹曼是最早认识到麦克斯韦统一了电磁学的人之一。他在1871年导出了麦克斯韦-玻尔兹曼分布，这是一种用来描述粒子速率分布的公式，粒子在容器内自由运动，它们仅与容器壁发生碰撞。这些粒子的能量最终遵循麦克斯韦-玻耳兹曼统计。

19世纪70年代早期，他利用原子论表述了热力学第二定律。热力学第二定律讲的是“作为孤立系统的宇宙，它的熵会一直增加”。他将这个定律解释为一种统计定律，并可以从力学原理推导出来。

他发展了统计力学的大部分结构，接力棒后来交到了约西亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）手中。玻尔兹曼在1872年至1875年间提出了著名的熵公式——统计力学和热力学之间的桥梁，之后的1900年，马克斯·普朗克（Max Planck）对其进行了修正。

熵公式

玻尔兹曼推广了根据斯特潘定律提出的黑体辐射理论。此外，他还在气体动力学理论领域进行了深入的计算，使之可以用于研究星际气体、恒星团簇和非相对论性等离子体等。

“准确地讲，热力学并不只允许达尔文进化论这种事发生；它只是倾向于让它发生。”

——路德维希·玻尔兹曼

三、哲学贡献

当玻尔兹曼回到维也纳时，他又担任了两个讲席教授，一个是理论物理学教授，另一个是科学哲学教授。他在自然哲学课程上教授“自然科学的方法和一般理论”，这门课以前由恩斯特·马赫负责教授。

当时他的课非常受欢迎，即使是最大的教室也不能容纳那么多听课的人。听课的学生、助理教授和教授一直站到了楼梯下面。玻尔兹曼还收到了来自皇帝的祝福，同时也得到了大量的认可。

玻尔兹曼是一个进化论者，不仅因为当时达尔文为最重要的科学领域提出了强有力的理论，还因为他认为达尔文的方法是理解科学理论真实与否的关键。

达尔文（左）与玻尔兹曼（右）

对于玻尔兹曼来说，他的科学和他的哲学是一个整体。实际上他很期待将这两个领域之间的壁垒打通。他认为将这两者联合起来可以解决很多实际问题。

四、与奥斯特瓦尔德和马赫的争论

玻尔兹曼在统计力学方面的工作受到了威廉·奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald）的强烈批评，因为后者坚持物理学是唯能论的。

奥斯特瓦尔德是物理化学的创始人之一，1909年因其在催化剂的作用、化学平衡、化学反应速率方面的研究的突出贡献，被授予诺贝尔化学奖

1895年，奥斯特瓦尔德在一次科学会议上发表了一篇论文，他在论文中断言：“自然现象所变现出的不可逆性证明了存在不能用力学方程来描述的过程，由此，科学唯物主义得以确立。”

出席会议的阿诺德·索末菲（Arnold Sommerfeld）将玻尔兹曼和奥斯特瓦尔德之间的论战描述为“……玻尔兹曼得到了菲力克斯·克莱因（Felix Klein）的支持。玻尔兹曼和奥斯特瓦尔德之间的战斗类似于公牛和斗牛士之间的战斗。然而，这次公牛获胜了……玻尔兹曼的论点得到了支持。我们，当时的年轻数学家，我们都站在玻尔兹曼一边……”

奥斯特瓦尔德和许多欧洲科学家无法理解玻尔兹曼提出的宇宙遵循统计性是怎样一种逻辑，这导致了反对他的声音。

玻尔兹曼甚至放弃了在维也纳的职位，因为马赫是那里的哲学和自然科学史教授——他对马赫从不客气。而玻尔兹曼的想法后来得到了1900年前不久开始的原子物理学发现的支持，例如布朗运动（悬浮在流体中的粒子的随机运动），它只能由统计力学来说明。

1909年，奥斯特瓦尔德最终承认自己错了，而马赫则从未退让。如果玻尔兹曼多活几年，他就能亲眼目睹自己的努力取得了真正的胜利，他的工作随后得到了实验验证。

“叙述事实，表述清楚，并捍卫它到你生命的终点。”

——路德维希·玻尔兹曼

五、个人品质

在历史报道和记录中，每一个见过玻尔兹曼的人都宣称他是一个伟大的人。尽管存在许多科学和哲学上的争论，但他个人与对手相处得很好。

玻尔兹曼是一位伟大的教师并与他的学生维持了良好的师生关系。他曾邀请他的一些聪明学生到家里做客。他从不根据物理知识，而是根据一般的性格特征来评价他的学生。

音乐和艺术在他的生活中也扮演着重要角色。他是一位杰出的钢琴家。同时也拥有无与伦比的幽默感。

六、最后的时光

玻尔兹曼一生中的大部分时间都在为自己的理论辩护，但外界对自己工作的攻击仍在继续，这时他开始觉得自己一生的努力都将要走向完全的失败。再加上身体状况恶化以及不断与科学对手发生争执，他的精神变得不稳定。有一个虚构的故事说，没有得到学术界的认可使他陷入抑郁。

1906年，玻尔兹曼在的里雅斯特自杀，享年62岁，当时他正在和妻子还有女儿一起度假。他在妻子和女儿在游泳池游泳时上吊自杀。然而，他的自杀原因一直被归结为他的思想没有被广泛接受，我们永远不会知道导致他严重抑郁症的真正原因。