“一位音樂家在聽到幾個(gè)音節(jié)后，即能辨認(rèn)出莫扎特（Mozart）、貝多芬（Beethoven）或舒伯特（Schubert）的音樂。同樣，一位數(shù)學(xué)家或物理學(xué)家也能在讀了數(shù)頁文字后辨認(rèn)出柯西（Cauchy）、高斯（Gauss）、雅可比（Jacobi）、亥姆霍茲（Helmholtz）或基爾霍夫（Kirchhoff）的工作。”
—— 路德維希?玻爾茲曼
這個(gè)世界似乎對(duì)所有人都不公平。這是一個(gè)關(guān)于受到這個(gè)世界傷害的人的故事，他的貢獻(xiàn)徹底改變了物理學(xué)的幾個(gè)分支。
他主要以建立統(tǒng)計(jì)力學(xué)和提出熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)解釋而聞名。他是那個(gè)年代支持原子論的最重要的幾個(gè)人之一，盡管當(dāng)時(shí)關(guān)于原子論還存在很多爭(zhēng)論。
早年生活
1844 年，狂歡節(jié)和圣灰節(jié)（Ash Wednesday，圣灰節(jié)是大齋期的開始）之間那個(gè)晚上，物理學(xué)家和哲學(xué)家路德維希?玻爾茲曼（Ludwig Eduard Boltzmann）出生在奧地利維也納。他過去常常開玩笑說，他出生的日期是他總會(huì)情緒波動(dòng)的原因，這種情緒波動(dòng)伴隨著他從純粹快樂的時(shí)光走到可怕的抑郁階段。
1863 年，19 歲的玻爾茲曼作為維也納大學(xué)物理和數(shù)學(xué)系的學(xué)生開始了他的科學(xué)生涯。他在約瑟夫.斯特潘（Josef Stefan）的指導(dǎo)下獲得博士學(xué)位，他的博士論文研究的是氣體動(dòng)力學(xué)理論。僅僅三年后，25 歲的玻爾茲曼在斯特潘推薦下成為格拉茨大學(xué)的全職數(shù)學(xué)物理教授。
玻爾茲曼并不是一個(gè)安分守己的人，他不停地從一份工作轉(zhuǎn)到另一份工作。在離開格拉茨大學(xué)之后，他于 1873 年加入維也納大學(xué)擔(dān)任數(shù)學(xué)教授。在那里供職了三年后，他又回到了格拉茨擔(dān)任實(shí)驗(yàn)物理的講席教授。1887 年，他前往柏林擔(dān)任理論物理講席教授，但后來他改變了主意。1890 年，他在德國(guó)慕尼黑擔(dān)任理論物理教授。1894 年，他又回到維也納擔(dān)任講席教授。然后在 1900 年他又前往萊比錫。據(jù)他的學(xué)生說，他是一位杰出的教師，同時(shí)也備受科學(xué)界的尊敬。
科學(xué)貢獻(xiàn)
玻爾茲曼是最早認(rèn)識(shí)到麥克斯韋統(tǒng)一了電磁學(xué)的人之一。他在 1871 年導(dǎo)出了麥克斯韋-玻爾茲曼分布，這是一種用來描述粒子速率分布的公式，粒子在容器內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，它們僅與容器壁發(fā)生碰撞。這些粒子的能量最終遵循麥克斯韋-玻耳茲曼統(tǒng)計(jì)。
19 世紀(jì) 70 年代早期，他利用原子論表述了熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律講的是“作為孤立系統(tǒng)的宇宙，它的熵會(huì)一直增加”。他將這個(gè)定律解釋為一種統(tǒng)計(jì)定律，并可以從力學(xué)原理推導(dǎo)出來。
他發(fā)展了統(tǒng)計(jì)力學(xué)的大部分結(jié)構(gòu)，接力棒后來交到了約西亞?威拉德?吉布斯（Josiah Willard Gibbs）手中。玻爾茲曼在 1872 年至 1875 年間提出了著名的熵公式 —— 統(tǒng)計(jì)力學(xué)和熱力學(xué)之間的橋梁，之后的 1900 年，馬克斯?普朗克（Max Planck）對(duì)其進(jìn)行了修正。
玻爾茲曼推廣了根據(jù)斯特潘定律提出的黑體輻射理論。此外，他還在氣體動(dòng)力學(xué)理論領(lǐng)域進(jìn)行了深入的計(jì)算，使之可以用于研究星際氣體、恒星團(tuán)簇和非相對(duì)論性等離子體等。
“準(zhǔn)確地講，熱力學(xué)并不只允許達(dá)爾文進(jìn)化論這種事發(fā)生；它只是傾向于讓它發(fā)生?！?/p>
—— 路德維希?玻爾茲曼
哲學(xué)貢獻(xiàn)
當(dāng)玻爾茲曼回到維也納時(shí)，他又擔(dān)任了兩個(gè)講席教授，一個(gè)是理論物理學(xué)教授，另一個(gè)是科學(xué)哲學(xué)教授。他在自然哲學(xué)課程上教授“自然科學(xué)的方法和一般理論”，這門課以前由恩斯特?馬赫負(fù)責(zé)教授。
當(dāng)時(shí)他的課非常受歡迎，即使是最大的教室也不能容納那么多聽課的人。聽課的學(xué)生、助理教授和教授一直站到了樓梯下面。玻爾茲曼還收到了來自皇帝的祝福，同時(shí)也得到了大量的認(rèn)可。
玻爾茲曼是一個(gè)進(jìn)化論者，不僅因?yàn)楫?dāng)時(shí)達(dá)爾文為最重要的科學(xué)領(lǐng)域提出了強(qiáng)有力的理論，還因?yàn)樗J(rèn)為達(dá)爾文的方法是理解科學(xué)理論真實(shí)與否的關(guān)鍵。
對(duì)于玻爾茲曼來說，他的科學(xué)和他的哲學(xué)是一個(gè)整體。實(shí)際上他很期待將這兩個(gè)領(lǐng)域之間的壁壘打通。他認(rèn)為將這兩者聯(lián)合起來可以解決很多實(shí)際問題。
與奧斯特瓦爾德和馬赫的爭(zhēng)論
玻爾茲曼在統(tǒng)計(jì)力學(xué)方面的工作受到了威廉?奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald）的強(qiáng)烈批評(píng)，因?yàn)楹笳邎?jiān)持物理學(xué)是唯能論的。
1895 年，奧斯特瓦爾德在一次科學(xué)會(huì)議上發(fā)表了一篇論文，他在論文中斷言：“自然現(xiàn)象所變現(xiàn)出的不可逆性證明了存在不能用力學(xué)方程來描述的過程，由此，科學(xué)唯物主義得以確立。”
出席會(huì)議的阿諾德?索末菲（Arnold Sommerfeld）將玻爾茲曼和奧斯特瓦爾德之間的論戰(zhàn)描述為“…… 玻爾茲曼得到了菲力克斯?克萊因（Felix Klein）的支持。玻爾茲曼和奧斯特瓦爾德之間的戰(zhàn)斗類似于公牛和斗牛士之間的戰(zhàn)斗。然而，這次公牛獲勝了……”玻爾茲曼的論點(diǎn)得到了支持。我們，當(dāng)時(shí)的年輕數(shù)學(xué)家，我們都站在玻爾茲曼一邊……”。
奧斯特瓦爾德和許多歐洲科學(xué)家無法理解玻爾茲曼提出的宇宙遵循統(tǒng)計(jì)性是怎樣一種邏輯，這導(dǎo)致了反對(duì)他的聲音。
玻爾茲曼甚至放棄了在維也納的職位，因?yàn)轳R赫是那里的哲學(xué)和自然科學(xué)史教授 —— 他對(duì)馬赫從不客氣。而玻爾茲曼的想法后來得到了 1900 年前不久開始的原子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)的支持，例如布朗運(yùn)動(dòng)（懸浮在流體中的粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)），它只能由統(tǒng)計(jì)力學(xué)來說明。
1909 年，奧斯特瓦爾德最終承認(rèn)自己錯(cuò)了，而馬赫則從未退讓。如果玻爾茲曼多活幾年，他就能親眼目睹自己的努力取得了真正的勝利，他的工作隨后得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
“敘述事實(shí)，表述清楚，并捍衛(wèi)它到你生命的終點(diǎn)。”
—— 路德維希?玻爾茲曼
個(gè)人品質(zhì)
在歷史報(bào)道和記錄中，每一個(gè)見過玻爾茲曼的人都宣稱他是一個(gè)偉大的人。盡管存在許多科學(xué)和哲學(xué)上的爭(zhēng)論，但他個(gè)人與對(duì)手相處得很好。
玻爾茲曼是一位偉大的教師并與他的學(xué)生維持了良好的師生關(guān)系。他曾邀請(qǐng)他的一些聰明學(xué)生到家里做客。他從不根據(jù)物理知識(shí)，而是根據(jù)一般的性格特征來評(píng)價(jià)他的學(xué)生。
音樂和藝術(shù)在他的生活中也扮演著重要角色。他是一位杰出的鋼琴家。同時(shí)也擁有無與倫比的幽默感。
最后的時(shí)光
玻爾茲曼一生中的大部分時(shí)間都在為自己的理論辯護(hù)，但外界對(duì)自己工作的攻擊仍在繼續(xù)，這時(shí)他開始覺得自己一生的努力都將要走向完全的失敗。再加上身體狀況惡化以及不斷與科學(xué)對(duì)手發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)，他的精神變得不穩(wěn)定。有一個(gè)虛構(gòu)的故事說，沒有得到學(xué)術(shù)界的認(rèn)可使他陷入抑郁。
1906 年，他在的里雅斯特自殺，享年 62 歲，當(dāng)時(shí)她正在和妻子還有女兒一起度假。他在妻子和女兒在游泳池游泳時(shí)上吊自殺。然而，他的自殺原因一直被歸結(jié)為他的思想沒有被廣泛接受，我們永遠(yuǎn)不會(huì)知道導(dǎo)致他嚴(yán)重抑郁癥的真正原因。
玻爾茲曼的墓碑上刻著他著名的熵公式，以此來紀(jì)念他的輝煌。
原文鏈接：
https://www.cantorsparadise.com/a-tale-of-genius-with-tragedy-ludwig-boltzmann-92c6a51dd387
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Areeba Merriam，翻譯：Nothing，審校：Dannis
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