世界顶级科学家：宏观与微观的桥梁

架起宏观与微观的桥梁[奥地利]玻耳兹曼(1844～1906)

1906年夏天，风景如画的意大利海滨渔村杜依诺镇迎来了一位特殊的游客。这位富有哲人气质的大胡子科学家踯躅在沙滩上，流连忘返。他艰难地迈着每一步，身后留下一串深深的脚印。这使他回想起自己几十年来的科学朝圣之旅，每一步都是走得如此艰辛。就在这片远离尘嚣的海滨，他终于寻找到心灵上永恒的宁静。1906年9月5日，他在杜依诺一家旅舍中安静地自缢身亡。两天后，人们为他举行了葬礼。他长眠于青山碧海间。在他的墓碑上，有一尊他的半身雕像，深沉的目光依然敏锐地注视着远方，仿佛仍没有放弃他在科学领域的探索。人们以这种隽永的方式永远铭记着这位物理学界的巨擘玻耳兹曼。

影响深远的抉择

玻耳兹曼(LudwigEduardBoltzmann)是奥地利物理学家，统计物理学奠基人之一。1844年2月20日玻耳兹曼出生于奥地利闻名遐迩的音乐之都维也纳。他父亲路德维希是一位德裔的文职官员，母亲卡特琳那．玻恩芬德则是一位很有思想的基督教徒。富有人文气息的家庭背景和生活环境铸就了玻耳兹曼独特的人格魅力。在他15岁那年，父亲因病去世，次年弟弟也相继夭折。家庭的不幸使母亲把所有的希望都寄托在玻耳兹曼身上，即使在家庭经济状况极端困难的情况下，也尽可能地保证玻耳兹曼受到最好的教育。玻耳兹曼的确没有辜负母亲的期望。青少年时代的玻耳兹曼聪颖好学、志趣广泛。他博览群书，徜徉在知识的海洋里；他酷爱音乐，陶醉于艺术的殿堂中。玻耳兹曼尤其喜爱德国著名浪漫主义诗人席勒的诗篇和伟大音乐家贝多芬的乐曲。他曾这样描述席勒对自己的影响：我成为今天的人应该归功于席勒，如果没有他，可能也会有一个胡须和鼻子与我全然一般的人，但这个人绝不是今天的我。然而，非常具有文学和艺术天赋的玻耳兹曼并没有选择成为诗人或钢琴家，因为他最爱的还是对自然界奥秘的探索，在这种孜孜以求的探索过程中，他体验到了心灵上最大的快乐。1863年，玻耳兹曼以优异成绩考取维也纳大学物理学专业，最终作出了影响他一生事业的抉择。

出于这种难以割舍的科学情结，年轻的玻耳兹曼走上了物理学道路。然而19世纪中叶的物理学可谓百花争艳。精彩纷呈的景状使初学者很难准确把握物理发展的主动脉。所幸玻耳兹曼拥有两位见地不凡的老师和向导，一位是奥地利物理学家斯忒藩，另一位是洛希密脱。在他们的悉心栽培下，玻耳兹曼掌握了气体和辐射等物理学的基础知识和实验技巧，并对于原子论的气体分子运动论和热力学第二定律产生了极大的兴趣。1866年获得博士学位后，玻耳兹曼在维也纳物理学研究所担任助理教授。这个研究所规模不大，但学术气氛浓厚，其成员思想活跃，在这里，玻耳兹曼度过了学术生涯中至关重要的几年。此后他历任格拉茨大学、维也纳大学、慕尼黑大学和莱比锡大学教授。终其一生，玻耳兹曼总是非常幸运地处于物理学研究的最前沿阵地，并以其敏锐独到的视角和专博相融的知识在科学研究上取得了一系列的辉煌成就。可以这样说，玻耳兹曼选择了物理学，既对他自己的一生影响深远，也对整个物理学发展影响深远。

架构宏观与微观之间的桥梁

玻耳兹曼主要是以统计物理学的奠基者而载人史册的。统计物理学的任务，在于从物质微观结构和相互作用的认识出发，说明或预言由大量分子组成的宏观物体的物理性质。但是粒子数目是如此多，例如18克水或32克氧气所含的分子数目，不可能直接求解描述它的力学方程，而必须采用概率统计的方法去研究。19世纪末，统计物理学随着人们对微观世界研究的日益深入也就应运而生了。玻耳兹曼从气体分子运动论着手，把力学原理和概率论引入热力学研究，架构了由宏观到微观的桥梁，从而奠定了这一新兴学科最初的理论基础。

1859年，英国物理学家麦克斯韦提出了气体分子运动的麦克斯韦速度分布律，打开了了解气体分子运动的一扇窗口。玻耳兹曼从这扇窗口看到了神奇的微观世界，并用他那睿智敏捷的头脑发现了隐藏在其背后的普遍规律。1868年，玻耳兹曼研究证明，处于平衡态的气体能量将按照分子的各个运动自由度而平均分配，这就是著名的玻耳兹曼分布律。在此基础上，玻耳兹曼又联系起德国物理学家克劳修斯总结出的热力学第二定律和他1865年提出的熵概念，从统计意义上对热力学第二定律和气体分子运动进行深入考察。玻耳兹曼用分布函数及其对数的乘积在空间中的积分，定义了一个热力学函数打，并且证明，日是一个不随时间的推移而上升的量，即dh／dto，这就是玻耳兹曼定理。当式中的等号成立时，保持它的极小值而不再变化，则气体分子运动中正反两种碰撞过程的作用相抵，从而满足细致平衡条件。在这个条件下，气体达到热平衡，分子运动按麦克斯韦分布律分布。但是除了平衡分布以外，其他情况下，日总是随时间推移而下降，因此日隐含了时间之矢的深刻思想。玻耳兹曼还发现，日保持极小值的倾向与熵趋于最大值的倾向相当，把日与熵联系起来。这一定理在历史上对于理解宏观系统中的不可逆性的来源和趋于平衡的过程，起过重要作用。为了进一步说明熵的统计意义，玻耳兹曼又引入热力学概率形(形实质上不是概率，而是对应同一个宏观状态的微观状态的总数)，建立了熵与概率之间的关系。它后来被表述为S=KlogW，式中K为玻耳兹曼常数。玻耳兹曼由此架构一座由宏观通往微观的桥梁。而且这个公式一定程度上蕴含了微观量子态的概念。后来，德国物理学家普朗克又利用这一思想推导出作为现代物理学标志的普朗克能量子假说，从而掀开了科学史上最为壮丽的量子时代的帷幕。

玻耳兹曼是一位难能可贵的物理学全才。1884年，他还从理论上证明了黑体辐射场总能量同热力学绝对温度的四次方成正比，从而佐证了老师斯忒藩由实验得到的经验公式，这个关系被称为斯忒藩一玻耳兹曼定律。它对后来普朗克的黑体辐射理论有很大的启示。同时，玻耳兹曼在实验物理上也屡有建树，他测定了许多物理的折射率，并从实验上证实了在各向异性媒质中不同方向的光速是不同的。

深受哲学困扰的科学斗士(www.xing528.com)

在物理学发展史上，首先对完美的牛顿大厦发起猛烈攻击的就是热力学和电磁学，而岿然屹立在这两个学科最前沿的正是玻耳兹曼。他是物理学变革时代的扛大旗者。正因为此，玻耳兹曼往往被传统的主流学派所排斥，未能得到公正的对待，而他自己也深受哲学的困扰，郁郁寡欢。

前面所提到的玻耳兹曼一系列开创性的科学成就都建立在唯物主义原子说基础上。可是当时实证主义思潮正席卷物理学界，玻耳兹曼不遗余力为之辩护的原子说被实证论者斥责为虚无缥缈、不足为信的数学模型，这就注定了他一生都处于孤军奋战的困境中。在学术上与他为敌的不仅有著名的实证主义者奥地利物理学家马赫和唯能论者德国化学家奥斯特瓦尔德，还有他非常爱戴的老师洛希密脱。学术上四面楚歌的局面一度让玻耳兹曼困扰不已。他曾伤感地写道：我觉得自己好像是科学战线上的一名退伍老兵。不仅如此，我甚至是剩下来的惟一的一个信奉旧学说的核心和精髓的人，至少我是惟一的一个仍在竭力为它战斗的人。尽管如此，玻耳兹曼并不轻易向命运屈服，他经常诵读席勒的《欢乐颂》，弹奏贝多芬斗志昂扬的钢琴曲来鼓舞自己。1898年，在他54岁时，他写道我意识到，仅仅一个人孤军奋战是不足以抵挡时代潮流的。但我仍尽力而为，使得当气体理论再度复兴时，将不会有更多的内容要重新发现。许多物理学家同时也是著名的哲学家。玻耳兹曼显然也希望建立一套完整的哲学体系来解答自己在物理学研究时遇到的困惑，抗衡马赫等人的哲学思潮，为原子说正名。针对实证主义者的指责，玻耳兹曼提出原子说不是纯粹的形而上学的概念，而是作为一种内在的心理图像而存在着。这种心理图像既与对外部世界的经验有联系，但又超越于这些经验。物理学理论的任务就在于既建立一个外部世界的图像，引导物理学家的思维的实验，同时又使图像得到不断的完善。因此理论可以提出不为当时实验所证实的假说。虽然原子说没有被证实，但它在理论上却是合理的。玻耳兹曼上述观点与当代物理学的研究成果不谋而合，但在当时却是为经验主义者所难以容忍的，因而受到多方敌视。1898年，他痛苦地写道：我认为敌视气体理论是科学史上的大灾难，这与波动理论受牛顿权威的影响相类似。在生命的最后几年，玻耳兹曼废寝忘食，疯狂地投入到哲学研究中去。他制定了大量阅读计划。晚年他不幸患上严重的气喘病，眼睛视力也每况愈下。然而即使是躺在病床上，他仍坚持研究，哪怕是以听代读，他也要别人把康德、叔本华等人撰写的哲学著作读给他听。可是，积劳成疾的身心状况使玻耳兹曼在哲学上的探索举步维艰。1903年到1906年，他在大学里开设的哲学讲座并没有取得预期效果。他的哲学研究非但没有解除心中的疑惑，反而加深了他在哲学上的困扰。晚年的玻耳兹曼经常处于精神极度抑郁的状态当中。1906年9月5日，这位饱受哲学困扰的科学斗士不无遗憾地离开了人世。然而，多少让人感到欣慰的是，就在他逝世后不久，粒子无规则的运动布朗运动被实验证实，从而最终确认了原子的存在。玻耳兹曼，这位以自己的生命捍卫真理的科学斗士虽然没能够看到这一天，但如果灵魂有知，他也会含笑九泉的。

独具魅力的人格

与玻耳兹曼相处过的师友，学生总是被他无处不在、挥洒自如的人格魅力所深深折服。在他满脸胡须威严的相貌下隐藏着宽广无边的胸怀。

玻耳兹曼生性随和，热情好客，他爱好音乐、擅长跳舞和钢琴演奏，是各类聚会的活跃分子。他经常诗情洋溢，有感而发，抒发自己对生活的热爱。在他熟练悦耳的钢琴伴奏下，即使再深奥的学术交谈也会变得轻松自如，激发了不少同僚创造性思维的火花。具有良好哲学修养的玻耳兹曼素以雄辩才华而著称。不少学生慕名前来聆听他的讲课，来体验理性思考的无穷乐趣和魅力。在他的培养下，一批杰出的科学接班人涌现在科研的新阵地上。其中就有两名诺贝尔化学奖的获得者以及日本原子物理学家长冈半太郎、奥地利理论物理学家埃仑费斯特。

生活中的玻耳兹曼不拘小节，留传下不少脍炙人口的生活逸闻。他往往醉心于问题思考而达到忘我的境地。有一次在自己学生的博士学位授予仪式上，玻耳兹曼由于思考问题，竟然把证书颁发到前来向他祝贺的校长手中。玻耳兹曼衣着简朴。1904年，他去参加圣路易斯世界博览会时，因为衣着破旧，被惯于以貌取人的饭店侍者误认为是一名搬运工，指派他快去给玻耳兹曼教授搬行李!

玻耳兹曼胸怀宽广，无论对待人还是对待科学都有一颗海纳百川的包容心。虽然他的一生都处于孤军奋战的学术困境，但他只有学术上的对手，没有生活上的敌人。不少人在学术问题上与他唇枪舌剑、互不相让，生活中却和他是互相敬重的生死至交。玻耳兹曼的为人在他逝世之后得到了最大的回报。他的学术对手、生活中的朋友纷纷撰文表示诚挚的哀悼和最深切的怀念。这种君子之交一直被人们传为科学史上的美谈。

对待科学，玻耳兹曼又是以其宽广的胸襟作出了不同寻常的贡献。19世纪90年代，玻耳兹曼首次出访英国，这不仅打破了英国科学家与欧洲大陆之间因微积分发明权归属问题造成的长达2年之久的僵局，而且架起了英国科学了解欧洲大陆科研概况的桥梁。这在欧洲学术界富有重大意义。

正如德国现代著名数学家希尔伯所说，科学的结果在适当的时机自会得到证明。在玻耳兹曼逝世以后，人们终于意识到了他学术成就中所蕴含的巨大科学价值和哲学价值。他开辟了微观研究的统计物理学领域，论证和预言了原子的存在，并从哲学的高度对自然科学和人们的认识能力作出了反思。事实正如劳厄的评价：如果没有玻耳兹曼的贡献，现代物理学是不可想像的。然而，把公式S=KlogIV刻入墓碑的意义远胜于学术上的纪念和缅怀，它时刻提醒我们追忆这位科学家勇于挑战权威的批判精神和敢于孤军奋战的斗士精神。正是因为有了这种精神，科学才得以一次又一次冲破传统思维的藩篱和桎梏，不断开拓进取，达到新的理论、实践高峰。