玻爾茲曼
1908年,實驗結果最終判定了奧斯特瓦爾德「唯能論」的失敗,遺憾的是,他的對手玻爾茲曼已經無法見證自己的勝利。
■北絳
1906年9月5日,杜伊諾度假村,路德維希·愛德華·玻爾茲曼再一次情緒失控。他再一次試圖自殺,希望以此結束自己在動理方程和H定理上所遭遇的激烈詰難。與前兩次被救下不同,這一次他徹底解脫。
就這樣,一代科學大師永遠告別了世界。
有人說,假如玻爾茲曼沒有選擇自殺,那麼他很有可能會被授予諾貝爾獎。
玻爾茲曼1844年出生於奧地利的維也納,1866年獲得維也納大學博士學位。玻爾茲曼的貢獻主要在熱力學和統計物理方面;1869年,他將麥克斯韋速度分布律推廣到保守力場作用下的情況,得到了玻爾茲曼分布律;1872年,玻爾茲曼建立了玻爾茲曼方程,用來描述氣體從非平衡態到平衡態過渡的過程;1877年他又提出了著名的玻爾茲曼熵公式。
能量學與原子論之爭
1965年諾貝爾物理學獎得主費曼曾這樣評價原子論對於人類的重要性:「假如在一次浩劫中所有的科學知識都被摧毀,只剩下一句話留給後代,什麼樣的語句可用最少的詞彙包含最多的信息呢?我相信,這就是原子假說。」
玻爾茲曼正是科學原子論初創階段的建立者和捍衛者,但很不幸的是,與玻爾茲曼同時代的人並沒有費曼這般的認知。
自古以來,東方和西方的哲學家都希望能夠證明原子的存在,但在操作上無法證實。直到1803年,道爾頓提出要「稱量」原子的質量,古老的哲學意義上的「原子論」才從思辨走上科學道路,「定比定律」和「倍比定律」由此誕生,並成為19世紀化學誕生的基礎。
經過將近一個世紀的傳播,物理學界、化學界漸漸接受了道爾頓的「原子—分子模型」,但原子、分子的確鑿證據遲遲沒有找到。恰恰此時,一股更強大的科學成就——熱力學第一、第二定律出現了。熱力學原則上解決了一切化學平衡的問題。1892年,物理化學家奧斯特瓦爾德試圖在此基礎上證明,將物理學和化學問題還原為原子或分子之間的力學關係是多餘的。他試圖將「能量」賦以實物一樣的地位,甚至要把物質還原為能量。他提出「世界上的一切現象僅僅是由於處於空間和時間中的能量變化構成的」。
按照奧斯特瓦爾德的理論,物理和化學的根基似乎是建立在「能量」這個實體之上,而不是建立在原子和分子之上。
1895年9月下旬,第67屆自然科學家和醫生大會在德國呂貝克召開,奧斯特瓦爾德發表《克服科學的唯物論》,玻爾茲曼當場站出來反駁。能量學和原子論的論戰正式點燃。
令人扼腕的是,持續十餘年的論戰讓玻爾茲曼的躁鬱症愈發嚴重,直到選擇自殺。
短短兩年之後,1908年,法國物理學家佩蘭的實驗最終判定了奧斯特瓦爾德「唯能論」的失敗,奧斯特瓦爾德最後公開接受原子論。
遺憾的是,玻爾茲曼已經無法見證自己的勝利。
挑戰牛頓力學
1872年,玻爾茲曼在維也納皇家科學院的學刊上發表了題為《關於分子氣體熱平衡態的進一步研究》的文章,在這篇文章中他提出了著名的「玻爾茲曼動理方程」,隨後又提出了H定理。H實際上指的就是負熵。玻爾茲曼方程描述了由分子組成的氣體的統計性質,這是人類發現的第一個關於概率隨時間變化的方程,也是第一個將宏觀概念的熵與微觀粒子的相互作用過程聯繫起來的方程。
牛頓力學自建立以來遇到了首次挑戰,玻爾茲曼在物理學中引入概率相當於引入了時間的方向,而單單根據牛頓力學是無法分辨時間方向的。
他的理論遭到了朋友羅施密特和澤爾梅羅的詰難——羅施密特時間反演佯謬和澤爾梅羅狀態復現佯謬。玻爾茲曼也因此調整了觀點,他提出H函數不是嚴格單調下降的,也就是說,H定理不是絕對不能違反,而是只有從隨機的初始條件出發才會得到符合H定理的結果。
玻爾茲曼的思想顯然大大超出了自己所處時代的認知,他首先將隨機引入到堪稱「嚴密科學」的物理學中,直接觸犯從牛頓以來已經延續了幾百年歷史的機械因果論觀點,最終引起了科學概念的根本變革。
H定理正確性的最後證明要在1967年才依靠分子模擬方法來完成,此時,玻爾茲曼已經去世了整整61年。有人甚至說,如果當年玻爾茲曼沒有自殺的話,那麼後來的20世紀30年代也許就不是愛因斯坦和以玻爾為首的哥本哈根學派在量子力學上的爭論了,而可能是愛因斯坦和玻爾茲曼的爭論。
現在,玻爾茲曼靜靜躺在維也納中央墓地,墓碑上鐫刻著以他的名字命名的熵公式。玻爾茲曼用死亡將自己生命中不斷擴大的熵畫上了終點。
《中國科學報》 (2014-07-04 第12版 視界)