玻尔兹曼与奥斯特瓦尔德“原子”之争,一场用死亡捍卫真理的悲剧

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  我们都知道,20世纪最耀眼的两颗双子星是量子力学与相对论,而双方的四次大论战也并没有以爱因斯坦与玻尔的去世而告终,反而延续到了21世纪。

  

  其实在19世纪,也有一场著名的科学大论战,只不过双方科学家并不如爱因斯坦玻尔那般知名,而被人们所忽略,这场论战,影响了爱因斯坦、普朗克等科学巨人,敲响了量子力学诞生的前奏,也为科学家们从宏观世界转向探索微观世界掀开了序幕。

  那便是有名的玻尔兹曼与奥斯特瓦尔德之争。

  

  玻尔兹曼 奥斯特瓦尔德

  我们知道,在西方,唯心主义与唯物主义总是在不断激烈搏斗,即使在科学界,崇信唯心主义的科学家也不在少数。

  1756年俄国化学家洛蒙诺索夫把锡放在密闭的容器里煅烧,锡发生变化,生成白色的氧化锡,但容器和容器里的物质的总质量,在煅烧前后并没有发生变化。经过反复的实验,都得到同样的结果,于是他认为在化学变化中物质的质量是守恒的。

  

  但这一发现当时没有引起科学家的注意,直到 1777 年法国的拉瓦锡做了同样的实验,也得到同样的结论,这一定律才获得公认,从而彻底推翻了燃素学说,燃素学说认为金属等物质被氧化后质量增重。

  

  所以到了 19 世纪末,在在电化学,催化,反应动力学,甚至毫不相干的色彩学中都做出了卓越贡献的著名科学家、诺贝尔化学奖获得者奥斯特瓦尔德运用能量转化的观点成功地解释了催化现象(比如硫酸作催化剂能使乙醇变成乙醚就是属于催化现象,还有酿酒酿醋)。

  

  由此,他提出了唯能论,认为能量是比物质更基本的实体,是一切自然、社会和思维现象的基础。所有这些现象都是能量及其转化的各种表现,都应当作为能量的过程来描述和解释。因此,他主张把物质的概念从科学中排除出去。他认为物质和精神都是能量的不同形式,可以相互转化,因而可以只用能量的概念建立宇宙观,从而克服传统的心-物二元论。

  

  唯能论的具体介绍

  唯能论的创立让奥斯特瓦尔德站在了热力学唯象论的一边,(唯象论就是指对试验现象的概括和提炼,但仍无法用已有的科学理论体系作出解释,比如在质能方程之前,大家发现了核裂变,知道了核裂变的威力,就把他记录下来,这就属于唯象论,因为他并没有探究其深层的科学原理)

  所以奥斯特瓦尔德极力否定原子、分子的客观实在性。认为“能”可以脱离物质而存在,物质仅仅是不同的“能”的空间群。

  

  而路德维希·玻尔兹曼则明确反对这个观点,玻尔兹曼一生虽然可以说既顺利也不幸,22岁时获得维也纳大学的博士学位,多次受邀出任大学教授。在课堂上是最具魅力的老师,常常通过幽默生动的言论让学生对抽象的物理学有深刻的认识。1869年,25的他将麦克斯韦速度分布律推广到保守力场作用下的情况,得到了玻尔兹曼分布律,是热力学和统计物理学的奠基人之一。

  

  事业上顺风顺水家庭上却非常不幸,母亲离世儿子早逝。这也让玻尔兹曼的抗压能力特别弱。当奥斯瓦特尔德极力宣扬他的唯能论的时候,坚决支持“原子论”的玻尔兹曼表示了反对。

  “原子论”的诞生非常早。早在古希腊的时候德谟克利特就探讨了物质结构的问题,提出了原子论的思想。而到了文艺复兴之后,德谟克利特等人的原子论在17世纪得以复活。

  

  而坚决支持“原子论”的玻尔兹曼认为物理学的任务不仅仅就是研究能量的改变与转化的规律,而应该去探究其微观机制,内在原理。玻尔兹曼坚决反对奥斯瓦特尔德的“唯能论”:“当代的原子理论能够对于所有的力学现象给出合理的图像,图像还进一步包括热的现象,只是由于计算分子运动及其困难,才使这一点的演示还不十分清楚。无论如何在我们的图像之中可以找到所有的主要事实。”

  

  由此二者产生了激烈的冲突,一方是标榜“实证论”(通过现象的归纳就可以知道科学规律)和“唯能论”,坚守热力学唯象论,其中以奥斯瓦特尔德为代表;一方是坚持“原子论”致力于探究热力学底下的微观层次中的原子机制,以玻尔兹曼为代表。(玻尔兹曼的科学主张为统计物理学奠定了基础)

  1895年, 在德国吕贝克举行了一场自然科学家会议,这次会议也被载入了史册,可以说是仅次于20世纪爱因斯坦、玻尔论战的索尔维会议。

  在这场会议上,奥斯瓦特尔德发表了“克服科学的唯物论”的讲演,这是他公开反对原子论的宣言,当即遭到主张原子论的路德维希·玻耳兹曼 的激烈反对。

  

  玻尔兹曼立马反驳说:用能量概念构造力学,并进而构造自然科学体系的做法孕育着许多困难。在玻尔兹曼看来,原子论才是所有力学现象的完全合适的图像,众多的物理现象都适用于这一框架。而从“运动的能量是第一位的而运动物体则是派生的”这一假设出发,去构造整个力学,是难以想象的,因而把能量学作为物理科学中不可解决的问题的灵药是行不通。

  自此这场论战正式掀开了序幕,“唯能论”、“原子论”两派展开了长达十几年激烈的交锋。这场论战横跨物理、化学两大领域。

  

  非常有意思的是,坚持“唯能论”,否定“原子”存在的在化学领域成就卓越的奥斯瓦特尔德在化学家阵营找不到友军,却受到物理学家的支持。而玻尔兹曼这位坚持承认“原子”实在性的物理学奖却在物理阵营找不到多少支持者,反而在化学领域认同者很多。

  为什么会出现这样的情况呢?

  19世纪末,经典热力学已经形成了比较完备的理论体系,能够用于物理学和化学的广阔领域。在热力学中,只要从整体上把握给定系统的参量就可以了,没有必要把它们还原为原子、分子的力学运动。简言之,放弃原子、分子概念,仍然能建立起包括热力学在内的物理学、化学理论体系。

  

  然而,如果接受原子概念尽管能取得一些理论成果,但却存在许多困难,比如会导致热现象的不可逆性与单个粒子运动的可逆性的尖锐矛盾。对这一矛盾,玻尔兹曼给出了对于原子和分子存在的假定及对热力学第二定律统计意义上的解释,奥斯特瓦尔德及众多“纯粹热力学”的拥护者便想更进一步试图去否定分子运动论和统计力学的合理性。而化学界之所以接受原子论也是因为这个理论的实用性——可以解释化学反应的本质。

  

  统计热力学问题,关于玻尔兹曼分布与配分函数的问题

  两个人之间的唇枪舌战也被后来的众多科学家津津乐道,普朗克曾说:“这两个死对头都同样机智,应答如流;彼此都很有才气”。

  

  但是后来马赫的加入让玻尔兹曼压力倍增,马赫是当时的科学泰斗。马赫坚持原子(和分子)仅是“思想之物”,是一种智力工具,而不是现象背后的实在。在他看来,把原子论当作一种启发性假设是有价值的,但启发性假设仅仅是一种工具,一种手段,他坚决反对把原子看作本体论意义上的实在。马赫问道,原子是有色的、发热的、发声的、坚硬的?事实是,我们无论如何也没有感觉到原子。

  

  马赫

  而玻尔兹曼这边虽然也有量子力学的奠基者普朗克的声援,但是普朗克当时还很年轻,声名不显。

  1897年,玻尔兹曼接连发表两篇文章“论原子论在科学中的不可缺少性”和“再论原子论”,驳斥马赫对原子理论的反对,为原子的真实存在而辩护。然而,争论中,马赫只是简洁地说:“我不相信原子的存在。”

  伴随着马赫在科学界举足轻重的地位,渐渐的许多著名的物理学家都不承认“原子”的存在性。玻尔兹曼这个笃信原子的人,开始了与外界的长期斗争,他性格中的自负心理与极端不自信矛盾的混杂在一起,让他的精神饱受折磨。

  

  在他的名著《气体理论讲义》第二编的前言中曾沮丧地承认:“我意识到在反对时代潮流中,我是孤军奋战,势单力薄。”

  要知道玻尔兹曼一生极为固执,他一生专注于分子运动论的研究,对于自己的理论无法得到科学界的认可感到极为沮丧,再加上饱受躁郁症以及哲学上的困扰。由此走上了自杀之路。

  

  他曾两度试图自杀,第一次在1900年,并没有得到解脱。但是之后,他并没有得到解脱,终于在1906年,结束了自己的生命。

  我们首先要说明,玻尔兹曼与奥斯瓦特尔德之间的论战纯属学术之上,在私下里,两个人的关系其实还算不错。奥斯瓦特尔德在1900年还成功说服莱比锡大学聘请当时因和马赫的论战而处于困境的玻尔兹曼。

  

  奥斯瓦特尔德在做实验

  直到1908年让·巴蒂斯特·皮兰的实验,唯能论与原子论的交锋才宣告结束。在1827年夏天,罗伯特布朗曾对各种植物的花粉颗粒浸在水中时的运动做了研究。他在花粉颗粒的水溶液中观察到花粉不停顿的无规则运动。进一步实验证实,不仅花粉颗粒,其他悬浮在流体中的微粒也表现出这种无规则运动,如悬浮在空气中的尘埃。布朗将这种现象称之为布朗运动。

  

  而到了1868年, 意大利物理学家乔万尼康托尼宣称布朗运动可通过假定物体在水中受到来自各个方向的运动水分子的撞击来说明布朗运动,从而将布朗运动直接与证明分子动理论划上了等号。

  直到 1905 年爱因斯坦在其“奇迹年”中发表了论文《分子大小的新测定法》,提出通过观察由分子运动的涨落现象所产生的悬浮粒子的不规则运动来测定分子的大小,以解决半个多世纪来科学界和哲学界争论不休的原子是否存在的问题。1907年4月30日,汤姆孙发现了电子,直接给了否定“原子”存在的科学家致命一击。

  

  而1908年,法国物理学家让·巴蒂斯特·皮兰做了验证实验。从而使分子动理论的物理图像为人们广泛接受。

  

  超显微镜下显示的布朗运动

  对布朗运动的说明成为分子动理论的伟大成功,它不但说服了奥斯特瓦耳德,而且使绝大多数科学家都皈依了原子论。

  

  分子动理论

  奥斯特瓦尔德在1908年9月的《普通化学概论》第四版的序言中公开承认:“我现在确信,我们最近已经具有物质分立性或颗粒性的实验证据了,这是千百年来原子假设徒劳地寻求的证据。一方面,分离和计数气体离子,JJ汤姆逊长期而杰出的研究已获成功;另一方面,布朗运动与运动论的要求相一致,已由许多研究者并且最终由佩兰建立起来;这一切使最审慎的科学家现在也理直气壮地谈论物质的原子本性的实验证据了。原子假设于是已被提升到有充分科学根据的理论的地位……”

  奥斯特瓦尔德还公开对玻尔兹曼进行了赞扬:“这个人(玻尔兹曼)在智力上,在他的科学的明晰性上都超过我们大家。”

  可惜的是,玻尔兹曼没能坚持住这两年,而选择了自杀。而另外一位否定“原子论”的马赫至死都还在负隅顽抗。当人们试图说服他时,他总是回答:“你看到了原子吗?”。

  1916年,他去世后,他儿子说他父亲曾对他讲过,“我不认为牛顿原理是完备的和完美的;可是在我的晚年,我不能接受相对论,正如我不能接受原子的存在和其他这样的教条一样。”

  量子力学的奠基者索末菲曾形容这场论战:“玻尔兹曼与奥斯特瓦尔德的之争仿佛是一头雄牛与灵巧剑手之间的一场决斗。但是这一次,尽管剑手的技艺高超,最后还是雄牛压倒了牛斗士,玻尔兹曼的论点赢的了胜利,我们这些年轻的科学家都站在他这一边。”

  

  玻尔兹曼与奥斯特瓦尔德之间的论战以玻尔兹曼大获全胜告终,而这也促进了原子物理、原子核物理、粒子物理、固体物理等领域的大发展。

  除此之外,这场论战最大的意义是将人们的研究对象转向了微观世界,在这之前,牛顿建立了完善的宏观世界的力学体系。而在此次论战之后,众多物理学奖开始由宏观世界转向对于微观世界的探索,而且更为注重对于内在科学原理的挖掘。

  

  比如玻尔兹曼常数,玻尔兹曼常数等于理想气体常数除以阿伏伽德罗常数,即R=kNA,其物理意义是单个气体分子的平均动能随热力学温度变化的系数,即Ek=(3/2)kT,Ek为分子的平均动能,T为绝对温度。

  由于观测手段的限制,我们无法测量微观单个分子的动能,但是我们可以测量宏观系统的温度,通过玻尔兹曼常数,我们就可以通过测量宏观物理量来计算微观物理量。

  

  气体中的原子和分子沿着各个方向飞速移动,彼此碰撞,也与容器壁碰撞反弹。

  玻尔兹曼常数将宏观世界与微观世界相连接,而玻尔兹曼后来提出的玻尔兹曼熵公式则同时研究宏观世界与微观世界,从宏观世界入手,去探求微观世界。在这个公式里玻尔兹曼给予了“熵”以微观解释。将“熵”引入了微观领域,这具有非常重大的意义,比如后面的黑洞理论就要用到“熵”的概念。

  

  而玻尔兹曼熵公式也促进了量子力学的诞生。量子物理学是研究微观粒子运动规律的学科,是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论 。

  量子理论的突破首先出现在黑体辐射能量密度随频率的分布规律上 。1900年10月,普朗克将维恩定律加以改良,又将玻尔兹曼熵公式重新诠释来解释黑体辐射现象。

  

  在这里面,普朗克提出了能量不连续的概念,这一观点严重地冲击了经典物理学。量子论涉及物质运动形式和运动规律的根本变革。掀开了20世纪量子物理的序幕。

  玻尔兹曼的墓碑上没有墓志铭,只有玻尔兹曼公式S=KlogW镌刻在他胸像上面的云彩中,也可以看得出来这个公式所具有的重大意义。

  

  好巧不巧,正如前面所说的,马赫的思想对爱因斯创立广义相对论起了一定的作用。广义相对论是对经典力学基本观念的彻底革新。马赫强调科学定律是观察的概括总结,而不是一种先入为主的真理。他不同意牛顿力学中包含的绝对空间和绝对时间的概念。爱因斯坦的相对论证明了其观点。

  马赫、奥特斯瓦德与玻尔兹曼之间的论战,又在爱因斯坦与量子力学之间上演,成为20世纪最辉煌的一幕,如今,二者之间的交锋仍在上演,不知道谁又能大获全胜呢?

  

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