作者:北绛 来源:中国科学报 发布时间:2014-7-4 10:46:24
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一代科学大师玻尔兹曼:假如他没有选择自杀

玻尔兹曼

1908年,实验结果最终判定了奥斯特瓦尔德“唯能论”的失败,遗憾的是,他的对手玻尔兹曼已经无法见证自己的胜利。

■北绛

1906年9月5日,杜伊诺度假村,路德维希·爱德华·玻尔兹曼再一次情绪失控。他再一次试图自杀,希望以此结束自己在动理方程和H定理上所遭遇的激烈诘难。与前两次被救下不同,这一次他彻底解脱。

就这样,一代科学大师永远告别了世界。

有人说,假如玻尔兹曼没有选择自杀,那么他很有可能会被授予诺贝尔奖。

玻尔兹曼1844年出生于奥地利的维也纳,1866年获得维也纳大学博士学位。玻尔兹曼的贡献主要在热力学和统计物理方面;1869年,他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力场作用下的情况,得到了玻尔兹曼分布律;1872年,玻尔兹曼建立了玻尔兹曼方程,用来描述气体从非平衡态到平衡态过渡的过程;1877年他又提出了著名的玻尔兹曼熵公式。

能量学与原子论之争

1965年诺贝尔物理学奖得主费曼曾这样评价原子论对于人类的重要性:“假如在一次浩劫中所有的科学知识都被摧毁,只剩下一句话留给后代,什么样的语句可用最少的词汇包含最多的信息呢?我相信,这就是原子假说。”

玻尔兹曼正是科学原子论初创阶段的建立者和捍卫者,但很不幸的是,与玻尔兹曼同时代的人并没有费曼这般的认知。

自古以来,东方和西方的哲学家都希望能够证明原子的存在,但在操作上无法证实。直到1803年,道尔顿提出要“称量”原子的质量,古老的哲学意义上的“原子论”才从思辨走上科学道路,“定比定律”和“倍比定律”由此诞生,并成为19世纪化学诞生的基础。

经过将近一个世纪的传播,物理学界、化学界渐渐接受了道尔顿的“原子—分子模型”,但原子、分子的确凿证据迟迟没有找到。恰恰此时,一股更强大的科学成就——热力学第一、第二定律出现了。热力学原则上解决了一切化学平衡的问题。1892年,物理化学家奥斯特瓦尔德试图在此基础上证明,将物理学和化学问题还原为原子或分子之间的力学关系是多余的。他试图将“能量”赋以实物一样的地位,甚至要把物质还原为能量。他提出“世界上的一切现象仅仅是由于处于空间和时间中的能量变化构成的”。

按照奥斯特瓦尔德的理论,物理和化学的根基似乎是建立在“能量”这个实体之上,而不是建立在原子和分子之上。

1895年9月下旬,第67届自然科学家和医生大会在德国吕贝克召开,奥斯特瓦尔德发表《克服科学的唯物论》,玻尔兹曼当场站出来反驳。能量学和原子论的论战正式点燃。

令人扼腕的是,持续十余年的论战让玻尔兹曼的躁郁症愈发严重,直到选择自杀。

短短两年之后,1908年,法国物理学家佩兰的实验最终判定了奥斯特瓦尔德“唯能论”的失败,奥斯特瓦尔德最后公开接受原子论。

遗憾的是,玻尔兹曼已经无法见证自己的胜利。

挑战牛顿力学

1872年,玻尔兹曼在维也纳皇家科学院的学刊上发表了题为《关于分子气体热平衡态的进一步研究》的文章,在这篇文章中他提出了著名的“玻尔兹曼动理方程”,随后又提出了H定理。H实际上指的就是负熵。玻尔兹曼方程描述了由分子组成的气体的统计性质,这是人类发现的第一个关于概率随时间变化的方程,也是第一个将宏观概念的熵与微观粒子的相互作用过程联系起来的方程。

牛顿力学自建立以来遇到了首次挑战,玻尔兹曼在物理学中引入概率相当于引入了时间的方向,而单单根据牛顿力学是无法分辨时间方向的。

他的理论遭到了朋友罗施密特和泽尔梅罗的诘难——罗施密特时间反演佯谬和泽尔梅罗状态复现佯谬。玻尔兹曼也因此调整了观点,他提出H函数不是严格单调下降的,也就是说,H定理不是绝对不能违反,而是只有从随机的初始条件出发才会得到符合H定理的结果。

玻尔兹曼的思想显然大大超出了自己所处时代的认知,他首先将随机引入到堪称“严密科学”的物理学中,直接触犯从牛顿以来已经延续了几百年历史的机械因果论观点,最终引起了科学概念的根本变革。

H定理正确性的最后证明要在1967年才依靠分子模拟方法来完成,此时,玻尔兹曼已经去世了整整61年。有人甚至说,如果当年玻尔兹曼没有自杀的话,那么后来的20世纪30年代也许就不是爱因斯坦和以玻尔为首的哥本哈根学派在量子力学上的争论了,而可能是爱因斯坦和玻尔兹曼的争论。

现在,玻尔兹曼静静躺在维也纳中央墓地,墓碑上镌刻着以他的名字命名的熵公式。玻尔兹曼用死亡将自己生命中不断扩大的熵画上了终点。 (原标题《假如玻尔兹曼没有选择自杀 》)

《中国科学报》 (2014-07-04 第12版 视界)
 
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