|
|
科学殉道者玻尔兹曼
陈敏伯
意大利物理学家切尔奇纳尼（C.Cercignani）教授所著《玻尔兹曼——笃信原子的人》一书，是一本激动人心的科学家传记。读罢掩卷深思，感慨万千：为什么科学如此昌盛的今天，人们居然几乎把玻尔兹曼（1844—1906）这位科学巨匠给忘了呢？竟然在他不幸自尽身亡后92年的1998年，才由牛津大学出版了关于他的第一本有份量的传记。
切尔奇纳尼在诸多物理领域内有相当深的学术造诣，尤其在玻尔兹曼方程的数学理论、稀薄气体动力学及多粒子系统动力学方面。所以他对玻尔兹曼的学术评价能一语达意，把话说透而又毫不夸张。牛津大学教授、当代伟大的数学物理学家彭罗斯（R.Penrose）愿意为本书作序。彭罗斯曾在1960年代把拓扑学方法引进到相对论研究中，证明了有普适意义的“奇点定理”——恒星坍缩时形成的黑洞内部都必然有一个奇点，引起了黑洞研究的革命，由此盛名于世。
玻尔兹曼是科学原子论初创时期的主要建立者和捍卫者。玻尔兹曼给出了“熵”的微观含义，建立了统计力学，架起了联系微观分子世界和宏观物质世界的理论桥梁。玻尔兹曼是第一位把概率引入到物质科学中的人，动摇了已经延续几百年的机械因果论观点，引起了科学概念的根本变革。科学先行者必定是孤独的，玻尔兹曼因而不幸受到围攻，甚至成了科学的殉道者。
《玻尔兹曼——笃信原子的人》兼顾主人公的生平，但主要是一本“学术评传”，它成功论述了玻尔兹曼的全部主要贡献，十分生动地回顾了科学史上那段令人难忘的岁月。
科学原子论初创时期的主要建立者和捍卫者
自古以来，古希腊人德谟克利特、伊壁鸠鲁，中国春秋时代的墨子、古罗马卢克莱修、17世纪英国波义耳和牛顿、18世纪俄国的罗蒙诺索夫等先后分别提出过各自的“原子论”。它们本质上属于思辨意义或哲学意义上的学问，在操作上无法运用，也从未经过证实。
1803年，道尔顿提出要“称量”原子的质量，从此古老的“原子论”从思辨走上了科学的道路，由此引发出“定比定律”和“倍比定律”，产生出19世纪的化学，这是现代化学的发端。到19世纪后期，好不容易物理学界、化学界接受了道尔顿的“原子-分子模型”，可是原子、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问题。这个伟大胜利，使得著名物理化学家奥斯特瓦尔德试图证明，把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（1892年）。他不仅企图将“能量”赋以像实物一样的地位，还要把物质还原为能量。他认为“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”。物理和化学的知识大厦似乎是建立在“能量”这个实体之上，而不是建立在原子和分子之上。
这场关于“能量学”和原子论的争论终于爆发了，那是在1895年9月下旬德国吕贝克召开的第67届自然科学家和医生大会上，奥斯特瓦尔德发表了《克服科学的唯物论》的讲演，来自慕尼黑的理论物理教授玻尔兹曼当场站出来反驳这种看法。会上，多数化学家站在奥斯特瓦尔德一边（被称为“唯能论”派）；而多数物理学家、“数学家”（实际上是今天认为的理论物理学家）站在玻尔兹曼一边，坚持原子论。实际上，几乎世界上所有的自然科学家都卷入了这场论战，持续十余年。
学术争论有时也能引起杀身之祸。玻尔兹曼的动理方程和H定理遭到激烈的诘难。学术上的孤立感使他的狂郁症发展到了自杀的地步（1906年），尽管两年之后佩兰（J.Perrin）的实验最终判定了“唯能论”的失败，奥斯特瓦尔德公开承认接受原子论。
1908年，法国物理学家佩兰通过藤黄悬浮液中悬浮粒子的实验定量证实了两项理论预言：一项是爱因斯坦（1905年）、斯莫卢卓斯基（M.Smoluchowski）（1906年）和朗之万（1908年）关于布朗运动中粒子位移平方的平均值应当正比于时间t；另一项是悬浮液中悬浮粒子的粒子数密度n随高度z的分布服从玻尔兹曼分布n(z) = n0e-mgz/kT（k为玻尔兹曼常数），并从中求出了阿伏伽德罗常数NA＝R/k。
现今物质科学的基石是科学原子论。在建立和捍卫科学原子论的过程中，玻尔兹曼是最重要的代表人物。科学原子论对于人类的重要性，可以用1965年诺贝尔物理学奖得主费恩曼说过的一句话看出：“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。”
架起分子世界和宏观物质世界的桥梁
玻尔兹曼另一个学术成就，是他建立了统计力学，这是一门联系微观的原子、分子性质和宏观量物质性质的学问。统计力学标志着物理学、化学从19世纪到20世纪的转折点。统计力学是当代关于物质科学理论的两大组成部分之一。这两大组成部分就是量子力学和统计力学。量子力学解决尺寸在纳米或更小的所谓“微观体系”，而根据量子力学的结果，再通过统计力学就可以解决尺寸大于纳米的“宏观体系”的任何问题。两者结合又成为“量子统计力学”。统计力学是沟通微观世界和宏观世界的桥梁。也就是说，用量子力学可以预见物质的微观性质，再用这些微观性质，通过统计力学，预见物质的宏观性质。
在建立统计力学的过程中，还必须提到美国耶鲁大学的吉布斯（1839—1903）。1901年他写了一本小书《统计力学基本原理》，用普遍而精美的“系综原理”形式重新阐述了统计力学的原理。但是，由于19世纪自然科学研究的中心在欧洲，尤其是在德国，当时，几乎所有的美国大学都在世界上默默无闻。很长时间欧洲都看不到吉布斯的著作，正是玻尔兹曼首先把吉布斯的工作介绍给欧洲科学家。
概率思想动摇了机械因果论对科学的统治
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。提出了“玻尔兹曼动理方程”，随后又提出了H定理。H实际上就是负熵。它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,也是第一个让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。
概率的引入又有什么价值呢？当时间方向逆转时，玻尔兹曼动理方程不能保持不变。换言之，玻尔兹曼方程蕴含着时间流逝的方向。玻尔兹曼在物理学中引入概率相当于引入了时间的方向，这是牛顿力学建立以来遇到的首次挑战。牛顿力学具有时间不变性，所以，单单根据牛顿力学分不出时间箭头指向何处。
不过，当时科学家还没有注意到时间箭头的问题，人们只注意到玻尔兹曼给出了“熵”的微观含义——体系蕴含的状态数目的多少。原先热力学第二定律预言孤立体系“熵”值将随时间而增加，这仅仅是第二类永动机实验失败的经验总结。可是，所有凭经验总结出来的“定律”都有这样的危机感：任凭“定律”提出多少年，有多少证据，万一将来某个时候出现反例，“定律”就会被一票否决掉。
热力学第二定律和熵的概念属物理学中最难理解的部分。玻尔兹曼的H定理却要把宏观的熵和微观的分子运动联系起来，可见它至关重要。不过，他遭到了朋友洛喜密脱（J.Loschmidt）和策梅洛（E.Zermelo）的诘难——著名的洛喜密脱时间反演佯谬和策梅洛状态复现佯谬。这些诘难提醒了玻尔兹曼，他调整了观点：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。好在现实世界里不可能避免随机性的参与。不过，H定理正确性的最后证明要等到95年之后（即1967年）才依靠“分子模拟”方法来完成。
玻尔兹曼的思想超出时代太远了。他第一个把随机引入到堪称“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，引起了科学概念的根本变革。他因此而遭到了学术围攻。不幸，他经不起科学争论的压力终于自杀，成了科学发展的殉道者。
继玻尔兹曼之后，第二个把随机概念引入到严密科学中的是另一位物理学大家玻恩。他于1928年把概率解释引入到量子力学，结果也遭到激烈的反对。反对者是大名鼎鼎的爱因斯坦、普朗克、薛定谔和德布罗意。同样是以量子力学奠基人的学术成就得诺贝尔物理学奖的两个人：玻恩和他的学生海森伯，玻恩的得奖却要比海森伯晚了整整22年。难怪，1932年海森伯获悉自己荣获诺贝尔奖后，第一件事就是立刻写信给玻恩，为老师未获奖表示遗憾并致歉意。其症结就是爱因斯坦等迟迟无法摆脱机械因果论的观点，难以接受玻恩的“概率”性质的因果论。
如果当年玻尔兹曼没有自杀的话，那么后来1930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。因为玻尔兹曼才是在科学中引入“随机”概念的第一人。机械因果论是牛顿以来的几百年内科学家们据以思考任何问题的逻辑基础，“随机”概念的引入动摇了人们的思维方式。难怪，玻尔兹曼无法忍受由此带来的巨大压力。
科学发展的过程就是建立正确科学概念的过程。建立科学概念的难度，往往大大超过技术上任何一件发明。飞船制造是否成功，只要看发射之后能否按照预定轨道飞行。而物质世界的科学概念是否正确，则要涉及原子、分子的运动规律的长期探索。不仅如此，建立科学概念之难的更为本质的原因在于：人们通常满足于一种先入为主的“科学概念”，一旦“建立”就很难改动。这种“概念”有时是非物质的，界定模糊，大而无当，无法实际操作。所以也无助于、甚至阻碍下一步的科学发展。“阴阳”的概念不就是一例吗？《玻尔兹曼——笃信原子的人》一书最重要的观点，就在于告诉人们物理、化学学科应当如何建立正确的科学概念。其他领域的自然科学难道存在什么本质的不同吗？
此例也教育了人们，以科研文章发表后几年内的引用率来评判其学术价值的做法是片面的。虽然“方便”了科学管理，但是往往有碍于学术发展。除了玻尔兹曼、玻恩之外，1998年得诺贝尔化学奖的科恩（W.Kohn）的情况也是如此，科恩凭34年前的两篇文章得奖，但初期的引用率很低。值得注意的是，论文难懂，初期引用率必然低，未来的学术价值却往往特别高。
维也纳大学的物理学家在自然科学发展中是一支影响相当深远的学派。它的第一位代表是以声学多普勒效应著称的多普勒教授，1850年前后他在维也纳大学创建了世界上第一所大学里的物理学研究所。1879年前后该校的斯特藩（J.Stefan）教授和他的学生玻尔兹曼发现了黑体的辐射本领与温度的4次方成正比的“斯特藩-玻尔兹曼定律”，揭开了黑体辐射研究的序幕，最终导致1900年普朗克量子论的问世。1894年斯特藩逝世，玻尔兹曼接替了教席。玻尔兹曼的学生中除了在维也纳大学培养的哈泽内尔（F.Hasenoehrl）、迈特纳、埃伦费斯特（P.Ehrenfest）、斯莫卢卓斯基（研究布朗运动理论），还有他在格拉茨大学的学生阿伦尼乌斯和能斯特，这两位后来分别以电离学说和热力学第三定律获得诺贝尔化学奖。哈泽内尔在1907年接替了玻尔兹曼的教席，他险些比爱因斯坦早一年得到著名的质能公式E = mc2。虽然哈泽内尔过早地在第一次世界大战中阵亡，可是他的学生薛定谔把世界带进了量子力学的大门。迈特纳是提出原子核裂变的著名物理学家，她的中国学生王淦昌后来成为中国核科学的奠基人之一。埃伦费斯特的学生乌伦贝克（G.Uhlenbeck）和古德斯米特（S.Goudsmit）还在学生时期就首先预言电子自旋的存在，他的另一个学生克雷默斯（H.Kramers）后来发现了量子力学中的关于时间反演对称性的克雷默斯定理。乌伦贝克的中国女学生王承书后来成为中国气体扩散分离铀同位素事业的功臣。
《玻尔兹曼——笃信原子的人》是本难得的好书。也许译者不是专业物理学家，所以行文“达”过于“雅”，读者要慢慢地阅读。此外，随着多年的改革开放，科普读者的外语水平也在提高。近年出版的科学家传记译著中，西方科学家的姓名已经开始有直接用西文表示的，效果很好，阅读更为流畅。希望以后出版社能够考虑读者群的不同，在某一类译著中采用西文人名直接表示的办法。
这个世界的本质是随机的
（本文作者为中国科学院上海有机化学研究所计算机化学实验室教授。）
|
|
发表于 2009-8-28 19:49:00
楼主
