路德維希·玻爾茲曼
| 路德維希·玻爾茲曼 |
 |
路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann，1844年2月20日—1906年9月5日），奧地利物理學家、哲學家，熱力學和統計物理學的奠基人之一。作為一名物理學家，他最偉大的功績是發展了通過原子的性質（例如，原子量，電荷量，結構等等）來解釋和預測物質的物理性質（例如，粘性，熱傳導，擴散等等）的統計力學，並且從統計意義對熱力學第二定律進行了闡釋。[1]
目錄
生平簡介
路德維希·玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann 1844.2.20-1906.9.5），熱力學和統計物理學的奠基人之一。
路德維希·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（又稱輸運方程），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。
人物生平
路德維希·玻爾茲曼生於維也納，卒於意大利的杜伊諾，1866年獲維也納大學博士學位，歷任格拉茨大學、維也納大學、慕尼黑大學和萊比錫大學教授。他發展了麥克斯韋的分子運動類學說，把物理體系的熵和概率聯繫起來，闡明了熱力學第二定律的統計性質，並引出能量均分理論（麥克斯韋-波爾茲曼定律）。他首先指出，一切自發過程，總是從概率小的狀態向概率大的狀態變化，從有序向無序變化。1877年，波爾茲曼又提出，用「熵」來量度一個系統中分子的無序程度，並給出熵S與無序度Ω（即某一個客觀狀態對應微觀態數目，或者說是宏觀態出現的概率）之間的關係為S=k lnΩ。這就是著名的波爾茲曼公式，其中常數k=1.38×10-23 J/K 稱為波爾茲曼常數。他最先把熱力學原理應用於輻射，導出熱輻射定律，稱斯忒藩-波爾茲曼定律。他還注重自然科學哲學問題的研究，著有《物質的動理論》等。作為哲學家，他反對實證論和現象論，並在原子論遭到嚴重攻擊的時刻堅決捍衛它。
「如果對於氣體理論的一時不喜歡而把它埋沒，對科學將是一個悲劇；例如：由於牛頓的權威而使波動理論受到的待遇就是一個教訓。我意識到我只是一個軟弱無力的與時代潮流抗爭的個人，但仍在力所能及的範圍內做出貢獻，使得一旦氣體理論復甦，不需要重新發現許多東西。」——玻爾茲曼
玻爾茲曼的一生頗富戲劇性，他獨特的個性也一直吸引着人們的關注。有人說他終其一生都是一個「鄉巴佬」，他自己要為一生的不斷搬遷和無間斷的矛盾衝突負責，甚至他以自殺來結束自己輝煌一生的方式也是其價值觀衝突的必然結果。也有人說，玻爾茲曼是當時的費曼。他講課極為風趣、妙語連篇，課堂上經常出現諸如「非常大的小」之類的話語。幽默是他的天性，但他性格中的另一面——自視甚高與極端不自信的奇妙結合——對這位天才的心靈損害極大。本書作者用了一個副標題：「篤信原子的人」，又給玻爾茲曼畫出了另一個側面像。
如果我們擯棄具有嚴格「決定性」色彩的「社會建構論」，而採用一種較為「軟弱」的立場，試圖在當時的各種社會文化組成中尋找一些相關因素去「解讀」玻爾茲曼，應該還是可行的。玻爾茲曼的「父國」處於當時被稱為「多瑙河畔的中國」的奧地利。奧匈帝國外表上極其強盛，但內部矛盾重重。在學術界，人們常常為一些繁文縟節而浪費時間，不斷的文牘折磨着疲倦的學者，遵從一定的禮儀「程序」比具體的事情更重要。在奧地利和巴伐利亞，教授階層儘管地位不低，但並不屬於最受尊敬的階層，退休後還得為沒有着落的養老金髮愁。
玻爾茲曼出生於維也納，在維也納和林茨接受教育，22歲便獲得博士學位，之後就有好幾個大學向他提供職位。他曾先後在格拉茨大學、維也納大學、慕尼黑大學以及萊比錫大學等地任教。其中曾兩度分別在格拉茨大學和維也納大學任教。
在玻爾茲曼時代，熱力學理論並沒有得到廣泛的傳播。他在使科學界接受熱力學理論、尤其是熱力學第二定律方面立下了汗馬功勞。通常人們認為他和麥克斯韋發現了氣體動力學理論，他也被公認為統計力學的奠基者。
按理說，玻爾茲曼的學術生涯應該很平坦，可事實上卻充滿了艱辛。其中有不少是社會的因素，但更多地應該與他個人的性格有關。
玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之間發生的「原子論」和「唯能論」的爭論，在科學史上非常著名。按照普朗克的話來說，「這兩個死對頭都同樣機智，應答如流；彼此都很有才氣」。當時，雙方各有自己的支持者。奧斯特瓦爾德的「後台」是不承認有「原子」存在的恩斯特·馬赫。由於馬赫在科學界的巨大影響，當時有許多著名的科學家也拒絕承認「原子」的實在性。後來大名鼎鼎的普朗克站在玻爾茲曼一邊，但由於普朗克當時名氣還小，最多只是扮演了玻爾茲曼助手的角色。玻爾茲曼卻不承認這位助手的功勞，甚至有點不屑一顧。儘管都反對「唯能論」，普朗克的觀點與玻爾茲曼的觀點還是有所區別。尤其讓玻爾茲曼惱火的是，普朗克對玻爾茲曼珍愛的原子論並沒有多少熱情。後來，普朗克的一位學生澤爾梅羅（E.Zermelo）又寫了一篇文章指出玻爾茲曼的H－定理中的一個嚴重的缺陷，這就更讓玻爾茲曼惱羞成怒。玻爾茲曼以一種諷刺的口吻答覆澤爾梅羅，轉過來對普朗克的意見更大。即使在給普朗克的信中，玻爾茲曼常常也難掩自己的「憤恨」之情。只是到了晚年，當普朗克向他報告自己以原子論為基礎來推導輻射定律時，他才轉怒為喜。
玻爾茲曼沉浸在與這些不同見解的鬥爭中，一定程度上損害了他的生理和心理健康。
儘管玻爾茲曼的「原子論」與奧斯特瓦爾德的「唯能論」之間的論戰，最終玻爾茲曼取勝，但這個過程對於一個科學家的生命來說，顯得太長了。玻爾茲曼一直有一種孤軍奮戰的感覺。他曾兩度試圖自殺。1900年的那次沒有成功，他陷入了一種兩難境界。再加上晚年接替馬赫擔任歸納科學哲學教授，後幾次哲學課上的不大成功，使他對自己能否講好課，產生了懷疑。
玻爾茲曼的痛苦與日俱增，又沒有別的辦法解脫，他似乎不太可能從外面獲得幫助。如果把他的精神世界也能比作一個系統的話，那也是一個隔離系統。按照熵增加原理，孤立系統的熵不可能永遠減小，它是在無情地朝着其極大值增長。也就是說，其混亂程度在朝極大值方向發展。玻爾茲曼精神世界的混亂成了一個不可逆的過程，他最後只好選擇用自殺的方式來結束其「混亂程度」不斷增加的精神生活。1906年，在他鍾愛的杜伊諾Duino，當時屬於奧地利，一戰後劃給意大利，他讓自己那顆久已疲倦的天才心靈安息下來。
這就帶來了一個學術界熟知，但絕非是無可爭議的「普朗克定律」。其表述如下：「一個新的科學真理照例不能用說服對手，等他們表示意見說『得益匪淺』這個辦法來實行。恰恰相反，只能是等到對手們漸漸死亡，使得新的一代開始熟悉真理時才能貫徹。」對普朗克來說，學術爭論沒有多少誘惑力，因為他認為它們不能產生什麼新東西。
由於上述說法後來又被學界有重大影響的其他學者，如托馬斯·庫恩等多次引證，它似乎成了一條自明的真理。果真如此嗎？如果普朗克所言不虛，那麼科學爭論在科學思想發展史上的意義就要大打折扣了。普朗克為人平和、正直，被譽為「學林古柏」，其高尚的人品是值得人們敬仰的，但並不是他所說的每一句話都是正確的，哪怕這句話多次被人們引用。附帶說一下，普朗克還說過一句常常被引用的話：「女子從事學術研究是與她們的天性相違背的。」這句話當然也是大大值得商榷的，不管你是不是一個「女性主義者」，都不會贊成普朗克的這個偏見。
研究範圍
玻耳茲曼推廣了J.C.麥克斯韋的分子運動理論而得到有分子勢能的麥克斯韋-玻耳茲曼分布定律。他進而在1872年從更廣和更深的非平衡態的分子動力學出發而引進了分子分布的H函數，從而得到H定理，這是經典分子動力論的基礎。從此，宏觀的不可逆性、熵S及熱力學第二定律就得以用微觀幾率態數W來說明其統計意義了，特別是他引進玻耳茲曼常量k而得出S=lnW的關係式。他又從熱力學原理導得了斯忒藩直接從實驗得出的斯忒藩-玻耳茲曼黑體輻射公式u=σT4（u為輻射密度；T為絕對溫度；σ為一普適常數）。他大力支持與宣傳了麥克斯韋的電磁理論，並測定介質的折射率和相對介電常量與磁導率的關係，證實麥克斯韋的預言。作為一位堅決的唯物論者，玻耳茲曼深信分子與原子的存在而反對以F.W.奧斯特瓦爾德為首的否認原子存在的唯能論者。因孤立感與疾病纏身在意大利杜伊諾自殺。
哲學的貢獻
當他回到維也納時，他主要從事理論物理和科學哲學。在自然哲學方面，他教授「自然科學的方法和通論」這門課，這門課之前是由恩斯特·馬赫擔任的。他的講座在當時非常受歡迎，教室通常被圍得水泄不通。
他是一個進化論者，不僅因為查爾斯·達爾文在當時為最重要的科學領域提出了強有力的理論。相反，他認為達爾文的方法是理解科學理論真偽的關鍵。
對他來說，他的科學和哲學是一個整體。他認為這兩者的結合可以解決許多自然問題。
與奧斯特瓦爾德和馬赫爭執
他在統計力學方面的工作受到了威廉·奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald）的徹底批評，奧斯特瓦爾德把物理科學完全建立在能量條件上。
1895年，奧斯特瓦爾德在一次科學會議上發表了一篇論文，他在論文中斷言：「自然現象的實際不可逆性證明了力學方程無法描述過程的存在，由此，科學唯物主義的定論就確定了。」
玻爾茲曼得到菲利克斯·克萊因的支持。玻爾茲曼和奧斯特瓦爾德之間的戰鬥就像公牛和鬥牛士之間的戰鬥。然而，這一次公牛獲勝了……玻爾茲曼的論點占了上風。那個時代的年輕數學家，都是站在玻爾茲曼一邊的。
奧斯特瓦爾德和許多歐洲科學家無法理解玻爾茲曼關於宇宙統計本質的邏輯，並領導了反對玻爾茲曼的運動。
玻爾茲曼甚至離開了他在維也納的職位，因為馬赫是那裡的哲學和自然科學史教授。他和馬赫從來都不講禮貌。
他的觀點後來得到了原子物理學的支持。例如，布朗運動只能用統計力學來證明。
1909年，奧斯特瓦爾德最終承認他是錯的，而馬赫從未認錯。如果玻爾茲曼能多活幾年，他就能親眼目睹他的努力取得了真正的勝利，他的工作隨後被實驗驗證。
個性
在歷史報告中，每一個見過玻爾茲曼的人都宣稱他是一個偉人。儘管有許多科學和哲學上的爭論。他是個好老師，和他的學生關係很好。他還經常邀請一些聰明的學生到家裡做客。音樂和藝術在他的生活中也有特殊的地位。他是一位傑出的鋼琴家。他還擁有無與倫比的幽默感。
人物年表
1844：出生於奧地利維也納
1866：獲得維也納大學博士學位
1869年：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（又稱輸運方程）
1877年：提出了著名的玻爾茲曼熵公式
1906年：自殺身亡，被葬在維也納中央公墓。
社會評價
熱力學和統計物理學的奠基人之一。