,闡明了熱力學(xué)第二定律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì),并引出能量均分理論(麥克斯韋-波爾茲曼定律)。他首先指出,一切自發(fā)過(guò)程,總是從概率小的狀態(tài)向概率大的狀態(tài)變化,從有序向無(wú)序變化。1877年,波爾茲曼又提出,用“熵”來(lái)量度一個(gè)系統(tǒng)中分子的無(wú)序程度,并給出熵S與無(wú)序度Ω(即某一個(gè)客觀狀態(tài)對(duì)應(yīng)微觀態(tài)數(shù)目,或者說(shuō)是宏觀態(tài)出現(xiàn)的概率)之間的關(guān)系為S=k lnΩ。這就是著名的波爾茲曼公式,其中常數(shù) k=1.38×10^(-23) J/K 稱為波爾茲曼常數(shù)。他最先把熱力學(xué)原理應(yīng)用于輻射,導(dǎo)出熱輻射定律,稱斯忒藩-波爾茲曼定律。他還注重自然科學(xué)哲學(xué)問(wèn)題的研究,著有《物質(zhì)的動(dòng)理論》等。作為哲學(xué)家,他反對(duì)實(shí)證論和現(xiàn)象論,并在原子論遭到嚴(yán)重攻擊的時(shí)刻堅(jiān)決捍衛(wèi)它。
“如果對(duì)于氣體理論的一時(shí)不喜歡而把它埋沒(méi),對(duì)科學(xué)將是一個(gè)悲劇;例如:由于牛頓的權(quán)威而使波動(dòng)理論受到的待遇就是一個(gè)教訓(xùn)。我意識(shí)到我只是一個(gè)軟弱無(wú)力的與時(shí)代潮流抗?fàn)幍膫€(gè)人,但仍在力所能及的范圍內(nèi)做出貢獻(xiàn),使得一旦氣體理論復(fù)蘇,不需要重新發(fā)現(xiàn)許多東西?!薄?玻爾茲曼 玻爾茲曼的一生頗富戲劇性,他獨(dú)特的個(gè)性也一直吸引著人們的關(guān)注。有人說(shuō)他終其一生都是一個(gè)“鄉(xiāng)巴佬”,他自己要為一生的不斷搬遷和無(wú)間斷的矛盾沖突負(fù)責(zé),甚至他以自殺來(lái)結(jié)束自己輝煌一生的方式也是其價(jià)值觀沖突的必然結(jié)果。也有人說(shuō),玻爾茲曼是當(dāng)時(shí)的費(fèi)曼。他講課極為風(fēng)趣、妙語(yǔ)連篇,課堂上經(jīng)常出現(xiàn)諸如“非常大的小”之類的話語(yǔ)。幽默是他的天性,但他性格中的另一面——自視甚高與極端不自信的奇妙結(jié)合——對(duì)這位天才的心靈損害極大。本書作者用了一個(gè)副標(biāo)題:“篤信原子的人”,又給玻爾茲曼畫出了另一個(gè)側(cè)面像。 如果我們擯棄具有嚴(yán)格“決定性”色彩的“社會(huì)建構(gòu)論”,而采用一種較為“軟弱”的立場(chǎng),試圖在當(dāng)時(shí)的各種社會(huì)文化組成中尋找一些相關(guān)因素去“解讀”玻爾茲曼,應(yīng)該還是可行的。玻爾茲曼的“父國(guó)”處于當(dāng)時(shí)被稱為“多瑙河畔的中國(guó)”的奧地利。奧匈帝國(guó)外表上極其強(qiáng)盛,但內(nèi)部矛盾重重。在學(xué)術(shù)界,人們常常為一些繁文縟節(jié)而浪費(fèi)時(shí)間,不斷的文牘折磨著疲倦的學(xué)者,遵從一定的禮儀“程序”比具體的事情更重要。在奧地利和巴伐利亞,教授階層盡管地位不低,但并不屬于最受尊敬的階層,退休后還得為沒(méi)有著落的養(yǎng)老金發(fā)愁。 玻爾茲曼出生于維也納,在維也納和林茨接受教育,22歲便獲得博士學(xué)位,之后就有好幾個(gè)大學(xué)向他提供職位。他曾先后在格拉茨大學(xué)、維也納大學(xué)、慕尼黑大學(xué)以及萊比錫大學(xué)等地任教。其中曾兩度分別在格拉茨大學(xué)和維也納大學(xué)任教。
原子理論
在玻爾茲曼時(shí)代,熱力學(xué)理論并沒(méi)有得到廣泛的傳播。他在使科學(xué)界接受熱力學(xué)理論、尤其是熱力學(xué)第二定律方面立下了汗馬功勞。通常人們認(rèn)為他和麥克斯韋發(fā)現(xiàn)了氣體動(dòng)力學(xué)理論,他也被公認(rèn)為統(tǒng)計(jì)力學(xué)的奠基者。
按理說(shuō),玻爾茲曼的學(xué)術(shù)生涯應(yīng)該很平坦,可事實(shí)上卻充滿了艱辛。其中有不少是社會(huì)的因素,但更多地應(yīng)該與他個(gè)人的性格有關(guān)。
玻爾茲曼與奧斯特瓦爾德之間發(fā)生的“原子論”和“唯能論”的爭(zhēng)論,在科學(xué)史上非常著名。按照普朗克的話來(lái)說(shuō),“這兩個(gè)死對(duì)頭都同樣機(jī)智,應(yīng)答如流;彼此都很有才氣”。當(dāng)時(shí),雙方各有自己的支持者。奧斯特瓦爾德的“后臺(tái)”是不承認(rèn)有“原子”存在的恩斯特·馬赫。由于馬赫在科學(xué)界的巨大影響,當(dāng)時(shí)有許多著名的科學(xué)家也拒絕承認(rèn)“原子”的實(shí)在性。后來(lái)大名鼎鼎的普朗克站在玻爾茲曼一邊,但由于普朗克當(dāng)時(shí)名氣還小,最多只是扮演了玻爾茲曼助手的角色。玻爾茲曼卻不承認(rèn)這位助手的功勞,甚至有點(diǎn)不屑一顧。盡管都反對(duì)“唯能論”,普朗克的觀點(diǎn)與玻爾茲曼的觀點(diǎn)還是有所區(qū)別。尤其讓玻爾茲曼惱火的是,普朗克對(duì)玻爾茲曼珍愛(ài)的原子論并沒(méi)有多少熱情。后來(lái),普朗克的一位學(xué)生澤爾梅羅(E. Zermelo)又寫了一篇文章指出玻爾茲曼的H-定理中的一個(gè)嚴(yán)重的缺陷,這就更讓玻爾茲曼惱羞成怒。玻爾茲曼以一種諷刺的口吻答復(fù)澤爾梅羅,轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)對(duì)普朗克的意見(jiàn)更大。即使在給普朗克的信中,玻爾茲曼常常也難掩自己的“憤恨”之情。只是到了晚年,當(dāng)普朗克向他報(bào)告自己以原子論為基礎(chǔ)來(lái)推導(dǎo)輻射定律時(shí),他才轉(zhuǎn)怒為喜。 玻爾茲曼沉浸在與這些不同見(jiàn)解的斗爭(zhēng)中,一定程度上損害了他的生理和心理健康。
盡管玻爾茲曼的“原子論”與奧斯特瓦爾德的“唯能論”之間的論戰(zhàn),最終玻爾茲曼取勝,但這個(gè)過(guò)程對(duì)于一個(gè)科學(xué)家的生命來(lái)說(shuō),顯得太長(zhǎng)了。玻爾茲曼一直有一種孤軍奮戰(zhàn)的感覺(jué)。他曾兩度試圖自殺。1900年的那次沒(méi)有成功,他陷入了一種兩難境界。再加上晚年接替馬赫擔(dān)任歸納科學(xué)哲學(xué)教授,后幾次哲學(xué)課上的不大成功,使他對(duì)自己能否講好課,產(chǎn)生了懷疑。
普朗克
玻爾茲曼的痛苦與日俱增,又沒(méi)有別的辦法解脫,他似乎不太可能從外面獲得幫助。如果把他的精神世界也能比作一個(gè)系統(tǒng)的話,那也是一個(gè)隔離系統(tǒng)。按照熵增加原理,孤立系統(tǒng)的熵不可能永遠(yuǎn)減小,它是在無(wú)情地朝著其極大值增長(zhǎng)。也就是說(shuō),其混亂程度在朝極大值方向發(fā)展。玻爾茲曼精神世界的混亂成了一個(gè)不可逆的過(guò)程,他最后只好選擇用自殺的方式來(lái)結(jié)束其“混亂程度”不斷增加的精神生活。1906年,在他鐘愛(ài)的杜伊諾Duino,當(dāng)時(shí)屬于奧地利,一戰(zhàn)后劃給意大利,他讓自己那顆久已疲倦的天才心靈安息下來(lái)。這就帶來(lái)了一個(gè)學(xué)術(shù)界熟知,但絕非是無(wú)可爭(zhēng)議的“普朗克定律”。其表述如下:“一個(gè)新的科學(xué)真理照例不能用說(shuō)服對(duì)手,等他們表示意見(jiàn)說(shuō)‘得益匪淺’這個(gè)辦法來(lái)實(shí)行。恰恰相反,只能是等到對(duì)手們漸漸死亡,使得新的一代開始熟悉真理時(shí)才能貫徹。”對(duì)普朗克來(lái)說(shuō),學(xué)術(shù)爭(zhēng)論沒(méi)有多少誘惑力,因?yàn)樗J(rèn)為它們不能產(chǎn)生什么新東西。 由于上述說(shuō)法后來(lái)又被學(xué)界有重大影響的其他學(xué)者,如托馬斯·庫(kù)恩等多次引證,它似乎成了一條自明的真理。果真如此嗎?如果普朗克所言不虛,那么科學(xué)爭(zhēng)論在科學(xué)思想發(fā)展史上的意義就要大打折扣了。普朗克為人平和、正直,被譽(yù)為“學(xué)林古柏”,其高尚的人品是值得人們敬仰的,但并不是他所說(shuō)的每一句話都是正確的,哪怕這句話多次被人們引用。附帶說(shuō)一下,普朗克還說(shuō)過(guò)一句常常被引用的話:“女子從事學(xué)術(shù)研究是與她們的天性相違背的。”這句話當(dāng)然也是大大值得商榷的,不管你是不是一個(gè)“女性主義者”,都不會(huì)贊成普朗克的這個(gè)偏見(jiàn)。