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新时代(也就是20世纪)渐渐地走近了，当镜头拉近，我们可以在巴黎街头车水马龙的流转中看到隐藏的时代背景: 经过拿破仑的攻伐和普法战争的失利，一贯喜欢闹事的巴黎人民建立了昙花一现的巴黎公社，随即被扑灭……德国的一个铁血的人物，他就是大名鼎鼎的俾斯麦(Otto von Bismarck，1815—1898)已经定型，他统一德意志并把德国带进了全面的军事化，这为第一次世界大战埋下了伏笔。这是一个渐变的乱糟糟的时代。这个时代的物理学也在发生静悄悄的变化，在这变化中有一个历史的横截面，那是1879年，这一年，爱因斯坦在德国的一个小城诞生。 当时的学术圈里，其实还是有几个高手的，这几个高手相互较量，他们想要得到一个关于原子的基础理论。这也暗示着，新时代应该有一套关于微观世界的完整的学术理论。
这其中一个高手就是玻耳兹曼(Ludwig Edward Boltzmann 1844—1906)，玻耳兹曼是奥地利的物理学家，专攻统计力学。统计物理好像物理学中的宏观经济学，研究的是大量原子的集体行为，所以很有一点难度。玻耳兹曼研究这个学问的时候有一个单纯的信仰，他相信原子的存在，虽然他从来没有观测到过原子——就是在现在这个时代，要想看到原子或者离子也是非常困难的，需要使用扫描隧道显微镜或者通过致冷型的荧光CCD摄像机才可以看到，这类典型的产品可以参考美国PI仪器公司的产品。 那是19世纪晚期的奥地利首都——维也纳，有着写下《一个陌生女人的来信》的茨威格和新年音乐会的金色大厅，这些也许代表了大部分中国人对这个城市的所有认识，这也是这个城市的灵魂之所在。其实单就音乐而言，奥地利还有天才钢琴家莫扎特。但是很多人也许并不知道，奥地利也是一个物理英雄辈出的国度。玻耳兹曼，以及本书后面将写到的薛定谔和泡利，他们便是来自维也纳的三剑客。依据他们的秉性，我们大概可以分别称呼他们三人为忧郁哥、多情哥和犀利哥。 玻耳兹曼坚定地相信原子的存在。 什么是原子呢? 古希腊时代的哲人认为原子是万物组成的最小单元，若用一把无比锋利的小刀去切割一块橡皮，小刀切下去直到橡皮不能再分，剩下的东西就是原子——这种最朴素的原子观念。而在古希腊时代的哲人的心目中，一个苹果和一块橡皮的本质区别仅仅在于相同的原子的不同排列——当时还有哲学家发现原子在空间能排列出来的正多面体只有5种，优美的空间排列结构非常稀少。现在看来这种关于原子的说法无比简陋且不够严谨，门捷列夫在19世纪中叶就开始得到元素周期表，说明元素其实是分门别类的，但古希腊哲学家们关于正多面体的结构研究则意味深长——这与三维欧氏空间中的离散群论有关。 到了后来，原子的观念有了一些变化，其被分为不同的品种，但不是因为它们构成的空间结构不同，而在于它们的化学性质不同(主要是起源于核外电子总数与最外层的电子数)，它们共同构成了一张元素周期表。 但是，在19世纪晚期20世纪初这个新旧时代的分水岭，还是没有人能够通过各种物理实验或者化学实验直接用人的眼睛去看见原子。所以学术圈对玻耳兹曼所笃信的原子观念有一种天然的排斥。关于原子的概念，与之相关的典型物理问题是比热问题，在初中物理课本中也是最早讲的吸收热量与比热容的那个Q=CMΔT这个公式，其中C是比热，M是质量，ΔT是温度的变化，这个是关于热量与温度之间的第一个典型公式。早在1819年，原是化学家的杜隆(P.L.Dulong，1785—1838)和物理学家珀替(A.T.Petit，1790—1820)进行了一系列测量物体的比热实验。他们选择的对象是各种固体，比如金子、银子、铜块和钻石。他们在室温下做了大量实验，积累了大量数据，对于许多物质总结出一条经验规律:“所有简单物体都精确地具有相同的比热，每摩尔(注意不是每千克！)的物质温度升高一度需要大约25焦耳(大约是6卡，因为1卡等于4.2焦耳)的热量，金子、银子和铜块差不多一样，但是，钻石不是这样的……”当时他们无法解释为什么钻石的原子比热和大部分贵金属的原子比热差异那么大。当然，那时候的钻石还不值钱，女人们在结婚的时候也不要求男方送上钻戒。原子比热问题的最终结果，需要量子力学完善以后才能得到彻底解决，这是物理上悬疑的一方面。 1863年，这个叫玻耳兹曼的大学生进入维也纳大学学习物理学和数学专业。物理学院的斯特番(J.Stefan)是一个不错的物理学家。当时，斯特番是物理学院院长、数学和物理学教授，在斯特番的悉心指导下，玻耳兹曼学到了气体和辐射方面的基础知识，他们两人后来一起创建了黑体辐射理论的积分表达: 斯特番 玻耳兹曼定律。这个定律说的是，一个黑体的辐射功率与温度的四次方成正比——所谓黑体，就是那些与外界处在热平衡状态下发出辐射的物体，比如太阳、钢水，甚至以后我们会讲到的宇宙微波背景辐射，都是典型的黑体辐射。 举一个例子，太阳的温度是由于太阳上的氢弹爆炸产生的，它的温度大概是5000℃。假设太阳上每秒钟内有2颗氢弹爆炸。那么，我们可以估计出，另外一个同样大小的恒星，如果其温度是10000℃，那么根据斯特番玻耳兹曼定律这个恒星上每秒钟差不多有24，也就是每秒有16颗同样大小的氢弹发生爆炸。 玻耳兹曼大学毕业后成了斯特番的助手，同时继续读博士，最后自然也成了教授。在得到斯特番玻耳兹曼定律以后，玻耳兹曼开始想建立一个关于统计物理的完整的理论，他的理论模型中，最核心的观念就是原子的存在性。玻耳兹曼相信原子存在——这成为他基本的人生信仰。也恰恰是因为这个信仰，导致他一直都很忧郁。那时的他在大学里做物理教授，就如同每个江湖故事中的高手都有一个对手一样。与他PK的对手是马赫(Ernst Mach，1838—1916)——他的同事，此人被青年时代爱因斯坦视为偶像和精神导师。 马赫认为，原子既然肉眼看不见，也不能用实验检测出来，那么所谓原子就根本不存在。马赫的观点现在看来也是不无道理的。在现在的量子理论中，也非常重视可观察的物理量，不能被观测到的，那就不是物理量，如果是理论要求不得不存在的，那就只能称之为“鬼量”或者“鬼场”。单就马赫的观念——一个不能被探测到的东西，就是不存在的。这种说法无疑是非常符合现代的物理学理念的。但这里面其实有2个层次的问题，一种是原则上不可以被测量到，比如说一个量子的叠加态——以后我们会说的薛定锷的猫态——你一测量，就会被破坏。还有一种就是因为仪器与技术的局限，使得暂时不能被测量到的，比如说原子，三聚氰胺分子——这些东西随着技术的进步，通过特定科学仪器，最终是可以被测量到的。因此，马赫把这2个层次的问题打包到一起，抛给了玻耳兹曼。(作者注: 可观测与不可观测还有第3层的概念，那与时空的结构有关，比如因为宇宙大爆炸以来的时间是有限的，光的速度也是有限的，所以我们只能看到有限的宇宙，看不见的那部分被称为不可观测的宇宙，在我们的视界之外。) 文源：《日出:量子力学与相对论》 作者:张轩中 黄宇傲天 |
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