一
1984年夏天,葛优和李优在杨振宁的建议下,来到了的里雅斯特附近的杜伊诺,参观了杜伊诺城堡,城堡的主人告诉他们,他们要找的地方,就是一座叫杜伊诺的小镇。葛优和李优来到这座海边小镇,结识了一位可爱的女店主。
他肯定吃过我们家的铁板鸡!他还喝过正宗的德国啤酒,女老板自信地告诉葛和李。
茂盛的月桂树就像鼓鼓囊囊的小书包,上面点缀着金色的花朵。高大的梧桐树在风中沙沙作响,阳光洒落在它们的绿叶上。它们用了一个世纪的时间注视着这座名为佩特拉的城市。埃尔斯的酒店。
1906年9月,意大利进入雨季,雨水愈发频繁。
这家小旅馆里,这个在女老板嘴里吃着烤鸡、喝着啤酒的男人,也是现代物理学过渡时期的先驱,热力学和统计物理学的奠基人之一,他选择用上吊自杀的方式,与这个世界告别。
他的名字是路德维希·玻尔兹曼。
二
1844年2月20日,维也纳迎来了自己的物理学家,在父母的精心栽培下,玻尔兹曼渐渐成长为一位风度翩翩、聪慧过人的少年,成绩优异,善于思考,对哲学、自然科学有着浓厚的兴趣。
玻尔兹曼 15 岁时失去了父亲,次年弟弟也去世了,母亲强忍悲痛,尽心尽力抚养玻尔兹曼。
玻尔兹曼没有辜负母亲的期望。
1863年,玻尔兹曼在林茨完成大学预科课程后,进入维也纳大学学习物理和数学,在那里他遇到了两个对他的一生产生重大影响的人。
J. (J.),维也纳大学物理学院院长、教授,J. (J.),物理化学教师。
1865年,正在上大二的玻尔兹曼针对斯蒂芬提出的电学原理问题发表了第一篇论文,同时网校头条,他也从斯蒂芬那里了解到了麦克斯韦在气体动力学方面的工作。
在罗斯密特的教导下,玻尔兹曼对物质的组成和结构有了深刻的理解,并对与原子理论有关的气体分子动能论和热力学第二定律的解释产生了浓厚的兴趣。
天气转冷,很多人都会用热水袋,热水袋的热量会转移到我们的手上,但这句话为什么不是说我们把冷气转移到热水袋上呢?
三
1824年,法国工程师卡诺在他的论文《关于热力学的一些设想》中提出了一种理想的热机——卡诺热机,这种热机的工作循环由两个准静态等温过程和两个准静态绝热过程组成。
英国物理学家开尔文(就是指出物理学上两朵乌云的人,两朵乌云分别是以太漂移实验的零结果和黑体辐射紫外灾变,能量均匀分布定理是导致黑体辐射紫外灾变的根源)在研究卡诺和焦耳的工作时发现,热和功并不完全一样,功可以无条件地转化为热,但是热产生功的时候,必须伴随着热耗散成冷,这就违反了能量守恒定律——热和功等价。
1850年,克劳修斯发表《论热的动力学和有关热力学的一些定律》,首次提出热力学学科的建立。该文从热传导的角度表述了热力学第二定律。
“如果不消耗能量或者不发生其他变化,就不可能将热量从低温转移到高温。”
1855年克劳修斯在描述热力学循环时提出了克劳修斯不等式,其中的积分与过程无关,只与初态和终态有关,物理上表现为体系中存在状态函数。
1865年,克劳修斯在他的论文《以方便应用的形式表示的热力学理论的主要方程》中把这个状态函数命名为熵。
然而,1866年,玻尔兹曼的博士论文《力学在热力学第二定律中的地位和作用》并未得到同行的认可。
他重新集结,重新定位自己的努力方向,将探索方向转向麦克斯韦曾经研究过的领域。
四
物理学领域总有令人敬佩的天才,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦就是其中之一。进入爱丁堡大学时,麦克斯韦年仅16岁。关于麦克斯韦速度分布最经典的两篇论文分别是1859年发表的《气体动理论的解释》一书和1866年发表的《气体动理论》,标志着玻尔兹曼开始研究热力学第二定律的力学证明之旅。
1868年,玻尔兹曼发表了《论运动粒子生命力的平衡态》一文,在文中他把麦克斯韦气体分子速度分布定律从单原子气体推广到多原子气体乃至利用粒子体系推广到分子体系的平衡态,并将统计学的思想引入分子运动论。
这篇文章使玻尔兹曼获得了大学任教的资格。
将统计思维引入分子运动是玻尔兹曼著名理论的前奏。
1872年,玻尔兹曼发表了他对气体由非平衡态过渡到平衡态(迁移过程)的研究成果,即著名的关于气体分子分布函数f(r,ν,t)的玻尔兹曼方程:
1877年,玻尔兹曼在论文《关于热力学第二定律与纪律或平衡定律的关系》中,用概率的方法解释了熵与热力学状态之间概率联系的地位,论证了热力学第二定律的统计本质。
玻尔兹曼在克劳修斯熵的基础上对其进行了拓展,在概率论的基础上,他首次提出了微观状态的概念:一个宏观状态所对应的微观状态的个数称为热力学概率物理学家伍什么,常表示为Ω,是描述体系无序程度的微观状态函数,他认为S∝lnΩ。
1900年,普朗克引入了比例系数,即玻尔兹曼系数k,并得到了玻尔兹曼熵关系:
这也是一般意义上的熵。
这样,玻尔兹曼对热力学第二定律和熵给出了统计学的解释,揭示了热力学第二定律的统计性质。
这就是我们通常理解的熵,从热力学概率小的状态转变为热力学概率大的状态。
吴
1895年以后,玻尔兹曼逐渐转向科学方法论的研究。
1895年,玻尔兹曼被聘为母校维也纳大学教师,担任斯蒂芬的老师。
1897年,《力学讲义》第一版出版,玻尔兹曼从心象论的角度论证了原子作为一种心象而存在物理学家伍什么,心象超越经验,与经验相联系。但当时物理学界盛行实证主义思想,玻尔兹曼的假说被视为虚构的“数学模型”或假说。
但在19世纪末,在归纳主义占主导地位的时代,这种观点在经验主义的框架内是不能容忍的,经验主义的代表人物之一就是马赫,他当时也在维也纳大学工作。
马赫强调经验的重要性,把感觉经验看作认识的极限和世界的基础,指出世界上第一性的东西不是物质,也不是精神,而是感觉经验。
这种思潮在当时受到许多人的追捧。19世纪,物理学领域笼罩着两片乌云,让科学家们忧心忡忡,被视为真理的牛顿力学无法解释物理学的新发现,基础自然哲学也走到了尽头,马赫试图建立一种亟待建立的新哲学思想。
经验主义一经诞生,便迅速传遍西方世界,受到社会各界的追捧。俄国哲学家试图用经验主义修正马克思主义哲学。列宁及时撰写了《唯物主义和经验批判主义》予以纠正,在捍卫马克思主义的同时,也指出了马克思思想中的唯心主义思想。
但马赫的经验主义仍然吸引着大批学生。黑格尔把哲学描述为“战场”是正确的。但战场上的胜利或失败只是一个相对的参照。真理以时间划分,而人类的思想却一切都是在当下形成的。
1899年,玻尔兹曼离开维也纳大学,1900年,应时任德国莱比锡大学物理化学教授的奥斯特瓦尔德的邀请,来到莱比锡大学担任理论物理学教授。
但奥斯特瓦尔德是一位能量学家,他与玻尔兹曼的学术分歧丝毫不亚于与马赫的分歧,这场斗争让双方都陷入了精神困境。
1902年,马赫因病辞去哲学教授职务,维也纳大学邀请玻尔兹曼回到母校,次年《力学讲义》第二卷完成。但由于眼疾,玻尔兹曼只能雇佣女工帮助他阅读物理和哲学著作,包括康德、叔本华和数学哲学的著作。
然而从1902年到1906年,玻尔兹曼的哲学讲座并没有取得他预想的效果,学生人数减少,这种情况使得玻尔兹曼把全部精力投入到了哲学研究中。
土地
哲学与科学最大的区别在于,科学有一定基础,可以被验证,而哲学是纯粹的逻辑和理性的推论。
科学用实验结果来说服其信徒。
哲学就是用真、善、美来说服他的信徒。
然而,在玻尔兹曼的哲学著作尚未完成之前,他便于1906年9月5日在一家名叫佩尔斯的旅馆里陷入了永恒的长眠。同年,奥斯特瓦尔德从莱比锡大学退休。
1905年4月,爱因斯坦完成了论文《确定分子大小的新方法》。三年后,法国物理学家佩兰通过实验证实了爱因斯坦的理论预言。原子和分子是客观存在的。
1908年,奥斯特瓦尔德主动宣布“原子假说已成为一个根本确立的科学理论”
那一年,著名的熵公式陪伴着玻尔兹曼在家乡长眠。
它也是一个简洁优雅而又美丽的公式,美丽到连电影、电视剧都愿意以它为题材,美丽到人们愿意用各种学科来解释它的含义,S=klogW,这个公式以另一种形式延长了物理学家的寿命。
参考文献:《玻尔兹曼:现代物理学过渡时期的伟大先驱》程敏之、朱爱国、刘双兵
《晚年玻尔兹曼研究》 葛墨林、李新洲、关虹
李家良、刘静《玻尔兹曼熵与克劳修斯熵的关系》
王芳《热力学蕴含的哲学思想探讨》
杨和成麦克斯韦气体分子速度分布定律的两种推导方法
《大学物理中的熵讨论与教学》吴海娜、耿平、易光宇、龚伟、蒋张连连
部分资料来自百度百科