玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德「原子」之爭,掀開了微觀世界的大門

我們都知道，20世紀最耀眼的兩顆雙子星是量子力學與相對論，而雙方的四次大論戰也並沒有以愛因斯坦與玻爾的去世而告終，反而延續到了21世紀。

其實在19世紀，也有一場著名的科學大論戰，只不過雙方科學家並不如愛因斯坦玻爾那般知名，而被人們所忽略，這場論戰，影響了愛因斯坦、普朗克等科學巨人，敲響了量子力學誕生的前奏，也為科學家們從宏觀世界轉向探索微觀世界掀開了序幕。

那便是有名的玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之爭。

玻爾茲曼 奧斯特瓦爾德

我們知道，在西方，唯心主義與唯物主義總是在不斷激烈搏鬥，即使在科學界，崇信唯心主義的科學家也不在少數。

1756年俄國化學家洛蒙諾索夫把錫放在密閉的容器裡煅燒，錫發生變化，生成白色的氧化錫，但容器和容器裡的物質的總質量，在煅燒前後並沒有發生變化。經過反覆的實驗，都得到同樣的結果，於是他認為在化學變化中物質的質量是守恆的。

但這一發現當時沒有引起科學家的注意，直到 1777 年法國的拉瓦錫做了同樣的實驗，也得到同樣的結論，這一定律才獲得公認，從而徹底推翻了燃素學說，燃素學說認為金屬等物質被氧化後質量增重。

所以到了 19 世紀末，在在電化學，催化，反應動力學，甚至毫不相干的色彩學中都做出了卓越貢獻的著名科學家、諾貝爾化學獎獲得者奧斯特瓦爾德運用能量轉化的觀點成功地解釋了催化現象（比如硫酸作催化劑能使乙醇變成乙醚就是屬於催化現象，還有釀酒釀醋）。

由此，他提出了唯能論，認為能量是比物質更基本的實體，是一切自然、社會和思維現象的基礎。所有這些現象都是能量及其轉化的各種表現，都應當作為能量的過程來描述和解釋。因此，他主張把物質的概念從科學中排除出去。他認為物質和精神都是能量的不同形式，可以相互轉化，因而可以只用能量的概念建立宇宙觀，從而克服傳統的心-物二元論。

唯能論的具體介紹

唯能論的創立讓奧斯特瓦爾德站在了熱力學唯象論的一邊，（唯象論就是指對試驗現象的概括和提煉，但仍無法用已有的科學理論體系作出解釋，比如在質能方程之前，大家發現了核裂變，知道了核裂變的威力，就把他記錄下來，這就屬於唯象論，因為他並沒有探究其深層的科學原理）

所以奧斯特瓦爾德極力否定原子、分子的客觀實在性。認為「能」可以脫離物質而存在，物質僅僅是不同的「能」的空間群。

而路德維希·玻爾茲曼則明確反對這個觀點，玻爾茲曼一生雖然可以說既順利也不幸，22歲時獲得維也納大學的博士學位，多次受邀出任大學教授。在課堂上是最具魅力的老師，常常通過幽默生動的言論讓學生對抽象的物理學有深刻的認識。1869年，25的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，是熱力學和統計物理學的奠基人之一。

事業上順風順水家庭上卻非常不幸，母親離世兒子早逝。這也讓玻爾茲曼的抗壓能力特別弱。當奧斯瓦特爾德極力宣揚他的唯能論的時候，堅決支持「原子論」的玻爾茲曼表示了反對。

「原子論」的誕生非常早。早在古希臘的時候德謨克利特就探討了物質結構的問題，提出了原子論的思想。而到了文藝復興之後，德謨克利特等人的原子論在17世紀得以復活。

而堅決支持「原子論」的玻爾茲曼認為物理學的任務不僅僅就是研究能量的改變與轉化的規律，而應該去探究其微觀機制，內在原理。玻爾茲曼堅決反對奧斯瓦特爾德的「唯能論」：「當代的原子理論能夠對於所有的力學現象給出合理的圖像，圖像還進一步包括熱的現象，只是由於計算分子運動及其困難，才使這一點的演示還不十分清楚。無論如何在我們的圖像之中可以找到所有的主要事實。」

由此二者產生了激烈的衝突，一方是標榜「實證論」（通過現象的歸納就可以知道科學規律）和「唯能論」，堅守熱力學唯象論，其中以奧斯瓦特爾德為代表；一方是堅持「原子論」致力於探究熱力學底下的微觀層次中的原子機制，以玻爾茲曼為代表。（玻爾茲曼的科學主張為統計物理學奠定了基礎）

1895年， 在德國呂貝克舉行了一場自然科學家會議，這次會議也被載入了史冊，可以說是僅次於20世紀愛因斯坦、玻爾論戰的索爾維會議。

在這場會議上，奧斯瓦特爾德發表了「克服科學的唯物論」的講演，這是他公開反對原子論的宣言，當即遭到主張原子論的路德維希·玻耳茲曼 的激烈反對。

玻爾茲曼立馬反駁說：用能量概念構造力學，並進而構造自然科學體系的做法孕育著許多困難。在玻爾茲曼看來，原子論才是所有力學現象的完全合適的圖像，眾多的物理現象都適用於這一框架。而從「運動的能量是第一位的而運動物體則是派生的」這一假設出發，去構造整個力學，是難以想像的，因而把能量學作為物理科學中不可解決的問題的靈藥是行不通。

自此這場論戰正式掀開了序幕，「唯能論」、「原子論」兩派展開了長達十幾年激烈的交鋒。這場論戰橫跨物理、化學兩大領域。

非常有意思的是，堅持「唯能論」，否定「原子」存在的在化學領域成就卓越的奧斯瓦特爾德在化學家陣營找不到友軍，卻受到物理學家的支持。而玻爾茲曼這位堅持承認「原子」實在性的物理學獎卻在物理陣營找不到多少支持者，反而在化學領域認同者很多。

為什麼會出現這樣的情況呢？

19世紀末，經典熱力學已經形成了比較完備的理論體系，能夠用於物理學和化學的廣闊領域。在熱力學中，只要從整體上把握給定系統的參量就可以了，沒有必要把它們還原為原子、分子的力學運動。簡言之，放棄原子、分子概念，仍然能建立起包括熱力學在內的物理學、化學理論體系。

然而，如果接受原子概念儘管能取得一些理論成果，但卻存在許多困難，比如會導致熱現象的不可逆性與單個粒子運動的可逆性的尖銳矛盾。對這一矛盾，玻爾茲曼給出了對於原子和分子存在的假定及對熱力學第二定律統計意義上的解釋，奧斯特瓦爾德及眾多「純粹熱力學」的擁護者便想更進一步試圖去否定分子運動論和統計力學的合理性。而化學界之所以接受原子論也是因為這個理論的實用性——可以解釋化學反應的本質。

關於玻爾茲曼分布與配分函數的問題

兩個人之間的唇槍舌戰也被後來的眾多科學家津津樂道，普朗克曾說：「這兩個死對頭都同樣機智，應答如流；彼此都很有才氣」。

但是後來馬赫的加入讓玻爾茲曼壓力倍增，馬赫是當時的科學泰鬥。馬赫堅持原子（和分子）僅是「思想之物」，是一種智力工具，而不是現象背後的實在。在他看來，把原子論當作一種啟發性假設是有價值的，但啟發性假設僅僅是一種工具，一種手段，他堅決反對把原子看作本體論意義上的實在。馬赫問道，原子是有色的、發熱的、發聲的、堅硬的？事實是，我們無論如何也沒有感覺到原子。

馬赫

而玻爾茲曼這邊雖然也有量子力學的奠基者普朗克的聲援，但是普朗克當時還很年輕，聲名不顯。

1897年，玻爾茲曼接連發表兩篇文章「論原子論在科學中的不可缺少性」和「再論原子論」，駁斥馬赫對原子理論的反對，為原子的真實存在而辯護。然而，爭論中，馬赫只是簡潔地說：「我不相信原子的存在。」

伴隨著馬赫在科學界舉足輕重的地位，漸漸的許多著名的物理學家都不承認「原子」的存在性。玻爾茲曼這個篤信原子的人，開始了與外界的長期鬥爭，他性格中的自負心理與極端不自信矛盾的混雜在一起，讓他的精神飽受折磨。

在他的名著《氣體理論講義》第二編的前言中曾沮喪地承認：「我意識到在反對時代潮流中，我是孤軍奮戰，勢單力薄。」

要知道玻爾茲曼一生極為固執，他一生專注於分子運動論的研究，對於自己的理論無法得到科學界的認可感到極為沮喪，再加上飽受躁鬱症以及哲學上的困擾。由此走上了自殺之路。

他曾兩度試圖自殺，第一次在1900年，並沒有得到解脫。但是之後，他並沒有得到解脫，終於在1906年，結束了自己的生命。

我們首先要說明，玻爾茲曼與奧斯瓦特爾德之間的論戰純屬學術之上，在私下裡，兩個人的關係其實還算不錯。奧斯瓦特爾德在1900年還成功說服萊比錫大學聘請當時因和馬赫的論戰而處於困境的玻爾茲曼。

奧斯瓦特爾德在做實驗

直到1908年讓·巴蒂斯特·皮蘭的實驗，唯能論與原子論的交鋒才宣告結束。在1827年夏天，羅伯特布朗曾對各種植物的花粉顆粒浸在水中時的運動做了研究。他在花粉顆粒的水溶液中觀察到花粉不停頓的無規則運動。進一步實驗證實，不僅花粉顆粒，其他懸浮在流體中的微粒也表現出這種無規則運動，如懸浮在空氣中的塵埃。布朗將這種現象稱之為布朗運動。

而到了1868年， 義大利物理學家喬萬尼康託尼宣稱布朗運動可通過假定物體在水中受到來自各個方向的運動水分子的撞擊來說明布朗運動，從而將布朗運動直接與證明分子動理論劃上了等號。

直到 1905 年愛因斯坦在其「奇蹟年」中發表了論文《分子大小的新測定法》，提出通過觀察由分子運動的漲落現象所產生的懸浮粒子的不規則運動來測定分子的大小，以解決半個多世紀來科學界和哲學界爭論不休的原子是否存在的問題。1907年4月30日，湯姆孫發現了電子，直接給了否定「原子」存在的科學家致命一擊。

而1908年，法國物理學家讓·巴蒂斯特·皮蘭做了驗證實驗。從而使分子動理論的物理圖像為人們廣泛接受。

超顯微鏡下顯示的布朗運動

對布朗運動的說明成為分子動理論的偉大成功，它不但說服了奧斯特瓦耳德，而且使絕大多數科學家都皈依了原子論。

分子動理論

奧斯特瓦爾德在1908年9月的《普通化學概論》第四版的序言中公開承認：「我現在確信，我們最近已經具有物質分立性或顆粒性的實驗證據了，這是千百年來原子假設徒勞地尋求的證據。一方面，分離和計數氣體離子，JJ湯姆遜長期而傑出的研究已獲成功；另一方面，布朗運動與運動論的要求相一致，已由許多研究者並且最終由佩蘭建立起來；這一切使最審慎的科學家現在也理直氣壯地談論物質的原子本性的實驗證據了。原子假設於是已被提升到有充分科學根據的理論的地位……」

奧斯特瓦爾德還公開對玻爾茲曼進行了讚揚：「這個人（玻爾茲曼）在智力上，在他的科學的明晰性上都超過我們大家。」

可惜的是，玻爾茲曼沒能堅持住這兩年，而選擇了自殺。而另外一位否定「原子論」的馬赫至死都還在負隅頑抗。當人們試圖說服他時，他總是回答：「你看到了原子嗎？」。

1916年，他去世後，他兒子說他父親曾對他講過，「我不認為牛頓原理是完備的和完美的；可是在我的晚年，我不能接受相對論，正如我不能接受原子的存在和其他這樣的教條一樣。」

量子力學的奠基者索末菲曾形容這場論戰：「玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德的之爭仿佛是一頭雄牛與靈巧劍手之間的一場決鬥。但是這一次，儘管劍手的技藝高超，最後還是雄牛壓倒了牛鬥士，玻爾茲曼的論點贏的了勝利，我們這些年輕的科學家都站在他這一邊。」

玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之間的論戰以玻爾茲曼大獲全勝告終，而這也促進了原子物理、原子核物理、粒子物理、固體物理等領域的大發展。

除此之外，這場論戰最大的意義是將人們的研究對象轉向了微觀世界，在這之前，牛頓建立了完善的宏觀世界的力學體系。而在此次論戰之後，眾多物理學獎開始由宏觀世界轉向對於微觀世界的探索，而且更為注重對於內在科學原理的挖掘。

比如玻爾茲曼常數，玻爾茲曼常數等於理想氣體常數除以阿伏伽德羅常數，即R=kNA，其物理意義是單個氣體分子的平均動能隨熱力學溫度變化的係數，即Ek=（3/2）kT，Ek為分子的平均動能，T為絕對溫度。

由於觀測手段的限制，我們無法測量微觀單個分子的動能，但是我們可以測量宏觀系統的溫度，通過玻爾茲曼常數，我們就可以通過測量宏觀物理量來計算微觀物理量。

氣體中的原子和分子沿著各方向飛速移動

玻爾茲曼常數將宏觀世界與微觀世界相連接，而玻爾茲曼後來提出的玻爾茲曼熵公式則同時研究宏觀世界與微觀世界，從宏觀世界入手，去探求微觀世界。在這個公式裡玻爾茲曼給予了「熵」以微觀解釋。將「熵」引入了微觀領域，這具有非常重大的意義，比如後面的黑洞理論就要用到「熵」的概念。

而玻爾茲曼熵公式也促進了量子力學的誕生。量子物理學是研究微觀粒子運動規律的學科，是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結構和性質的基本理論 。

量子理論的突破首先出現在黑體輻射能量密度隨頻率的分布規律上 。1900年10月，普朗克將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋來解釋黑體輻射現象。

在這裡面，普朗克提出了能量不連續的概念，這一觀點嚴重地衝擊了經典物理學。量子論涉及物質運動形式和運動規律的根本變革。掀開了20世紀量子物理的序幕。

玻爾茲曼的墓碑上沒有墓志銘，只有玻爾茲曼公式S=KlogW鐫刻在他胸像上面的雲彩中，也可以看得出來這個公式所具有的重大意義。

好巧不巧，正如前面所說的，馬赫的思想對愛因斯創立廣義相對論起了一定的作用。廣義相對論是對經典力學基本觀念的徹底革新。馬赫強調科學定律是觀察的概括總結，而不是一種先入為主的真理。他不同意牛頓力學中包含的絕對空間和絕對時間的概念。愛因斯坦的相對論證明了其觀點。

馬赫、奧特斯瓦德與玻爾茲曼之間的論戰，又在愛因斯坦與量子力學之間上演，成為20世紀最輝煌的一幕，如今，二者之間的交鋒仍在上演，不知道誰又能大獲全勝呢？

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