玻尔兹曼——一个悲剧天才从根本上改变了物理学的几个分支

数学家读几页后就能认出柯西、高斯、雅可比或赫姆霍尔兹,就像音乐家读前几小节就能认出莫扎特、贝多芬或舒伯特一样。——路德维希·玻尔兹曼

这个世界似乎对任何人都不公平。这是一个关于科学悲剧天才的故事,他的努力从根本上改变了物理学的几个分支。他主要以统计力学和热力学第二定律而闻名。他是原子理论最重要的提倡者之一,当时这个科学模型非常有争议。

路德维希·爱德华·玻尔兹曼(Ludwig Eduard Boltzmann)是一位物理学家和哲学家,1844年生于奥地利的维也纳。

1863年,19岁的他开始了他的科学之旅,当时他是维也纳大学的一名物理和数学学生。仅仅三年后的1866年,他在约瑟夫·斯特凡(Josef Stefan)的指导下完成了一篇关于气体动力学理论的论文,获得了博士学位。25岁时,在斯特凡的推荐下,他成为格拉茨大学(University of Graz)数学物理正教授。

他是个不安分的人,不停地换工作。离开格拉茨大学之后,他于1873年加入维也纳大学,担任数学教授。在那里工作了三年之后,他回到格拉茨大学担任实验物理学主任。1887年,他接受了柏林理论物理学的职位,但后来他改变了主意。1890年,他作为理论物理学教授加入了德国慕尼黑大学。他是一位杰出的教师,也受到了科学界的尊敬。

他是最早认识到麦克斯韦统一电磁学意义的人之一。他在1871年推导出了麦克斯韦-玻尔兹曼分布。这是一种用于描述粒子速度的概率分布,粒子在容器内自由移动,与热环境相互作用时碰撞频率很低。这些粒子的能量遵循麦克斯韦-玻尔兹曼的统计。

他在19世纪70年代早期以物质的原子理论为基础描述了热力学第二定律。它指出,“作为一个孤立系统的整个宇宙的熵总是趋向于增加”。他解释说,这是一条统计定律,可以从力学原理推导出来。

他发展了统计力学的大部分内容,后来由乔赛亚·威拉德·吉布斯继承。他在1872年至1875年间提出了著名的熵公式,这是统计力学和热力学之间的桥梁,后来由马克斯·普朗克在1900年对其进行了修正。

他在斯特凡定律的基础上扩展了对黑体辐射的研究。在星际气体、星团、非相对论等离子体等研究中,对气体动力学理论进行了深入的计算。

当他回到维也纳时,他主要从事理论物理和科学哲学。在自然哲学方面,他教授“自然科学的方法和通论”这门课,这门课之前是由恩斯特·马赫担任的。他的讲座在当时非常受欢迎,教室通常被围得水泄不通。

他是一个进化论者,不仅因为查尔斯·达尔文在当时为最重要的科学领域提出了强有力的理论。相反,他认为达尔文的方法是理解科学理论真伪的关键。

对他来说,他的科学和哲学是一个整体。他认为这两者的结合可以解决许多自然问题。

他在统计力学方面的工作受到了威廉·奥斯特瓦尔德(Wilhelm Ostwald)的彻底批评,奥斯特瓦尔德把物理科学完全建立在能量条件上。

1895年,奥斯特瓦尔德在一次科学会议上发表了一篇论文,他在论文中断言:“自然现象的实际不可逆性证明了力学方程无法描述过程的存在,由此,科学唯物主义的定论就确定了。”

玻尔兹曼得到菲利克斯·克莱因的支持。玻尔兹曼和奥斯特瓦尔德之间的战斗就像公牛和斗牛士之间的战斗。然而,这一次公牛获胜了……玻尔兹曼的论点占了上风。那个时代的年轻数学家,都是站在玻尔兹曼一边的。

奥斯特瓦尔德和许多欧洲科学家无法理解玻尔兹曼关于宇宙统计本质的逻辑,并领导了反对玻尔兹曼的运动。

玻尔兹曼甚至离开了他在维也纳的职位,因为马赫是那里的哲学和自然科学史教授。他和马赫从来都不讲礼貌。

他的观点后来得到了原子物理学的支持。例如,布朗运动只能用统计力学来证明。

1909年,奥斯特瓦尔德最终承认他是错的,而马赫从未认错。如果玻尔兹曼能多活几年,他就能亲眼目睹他的努力取得了真正的胜利,他的工作随后被实验验证。

在历史报告中,每一个见过玻尔兹曼的人都宣称他是一个伟人。尽管有许多科学和哲学上的争论。他是个好老师,和他的学生关系很好。他还经常邀请一些聪明的学生到家里做客。音乐和艺术在他的生活中也有特殊的地位。他是一位杰出的钢琴家。他还拥有无与伦比的幽默感。

他花了一生的大部分时间为自己的理论辩护,他开始感到他一生的努力即将崩溃。他身体不好,经常与科学对手争论,精神上变得不稳定。据说,没有得到学术认可使他抑郁。

1906年,在和妻子、女儿在里雅斯特度假时,他自杀了,享年62岁。他自杀的原因被归结为精神疾病导致的严重抑郁症。

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