奥地利物理学家——玻耳兹曼

路德维希·波尔兹曼(1844~1906-1906)奥地利物理学家。他于1844年2月20日出生在维也纳，从小就接受良好的家庭教育，勤奋好学。当他在小学和中学学习时，他总是班上的尖子生。1863年，他以优异的成绩被著名的维也纳大学录取，并受到著名学者如斯特凡和洛西米恩托的赞扬和培养。1866年获得博士学位后，他成为维也纳物理研究所的助理教授。此后，他先后在拉兹大学(1869-1873，1876-1889)、维也纳大学(1873-1876，1894-1900，1902-1906)、慕尼黑大学(1880-1894)和莱比锡大学(1900-1902)担任教授。1899年，他被选为皇家学会会员。他还是维也纳、柏林、斯德哥尔摩、罗马、伦敦、巴黎和彼得堡科学院的成员。玻尔兹曼主要从事气体动力学理论、热力学、统计物理和电磁理论的研究。他在这些领域做出了巨大贡献。他是气体动力学理论(以及克劳修斯和麦克斯韦)的三个主要创始人之一。由于他们的工作，气体动力学理论最终成为一个定量系统理论。从1868年到1871年，玻尔兹曼将麦克斯韦气体速度分布定律推广到有力场的情况，并根据能量大小得到了力场中分子在热平衡时的分布规律。在推导过程中，他提出的假设被称为“遍历假设”，因此他得到了经典统计学的分布规律——玻尔兹曼分布规律，也称麦克斯韦—玻尔兹曼分布规律。进而得到了重力场中气体分子随高度的分布规律，有效地说明了大气密度和气压随高度的变化。玻尔兹曼分布定律只反映了气体平衡状态，对此他并不满意。他进一步研究了气体从非平衡到平衡的转变过程，并于1872年建立了著名的玻尔兹曼微分积分方程。他引入了由分子分布函数定义的函数h，并进一步证明了当分子相互碰撞时，h随时间单调递减——这就是著名的h定理，从而将h函数与熵函数紧密联系起来。h定理等价于熵增原理，两者都代表热力学过程从非平衡态到平衡态的不可逆性。h定理代表了来自微观粒子运动的自然过程的不可逆性，这在当时是科学家难以接受的。开尔文在1874年首次提出了所谓的“可逆性悖论”:系统中单个微观粒子运动的可逆性和大量微观粒子相互作用所表现出来的宏观热力学过程的不可逆性是矛盾的。从单个粒子运动的可逆性如何推断宏观过程的不可逆性？玻尔兹曼继续潜心研究，并于1877年成功地解决了这个悖论，从而将他的研究工作推向了一个新的高峰。他建立了熵S和对应于系统宏观状态的可能微观状态数(即热力学概率)之间的关系:S∝lnW。1900年，普朗克引入了比例系数k，称为玻尔兹曼常数，并写出了玻尔兹曼-普朗克公式:s = klnw。这样，玻尔兹曼证明了函数h和s都与热力学概率w有关，揭示了宏观状态和微观状态的关系，指出了热力学第二定律的统计本质:h定理或熵增原理所代表的孤立系统中热力学过程的方向性直接对应于系统从热力学概率小的状态向热力学概率大的状态的转变，平衡热力学概率最大，对应于s取最大值或h取最小值的状态；熵的自发减少或H函数的自发增加并非绝对不可能，但概率很小。玻尔兹曼的工作标志着气体动力学理论的成熟和完善的里程碑，也为统计力学的建立奠定了坚实的基础，从而导致热现象理论的巨大进步。著名的理论物理学家乔赛亚·吉布斯(1839 ~ 1903)在玻尔兹曼和麦克斯韦的工作基础上建立了统计力学的大厦。玻尔兹曼开创了非平衡统计理论的研究。玻尔兹曼积分微分方程在非平衡统计物理中起着基础作用，在基础理论和实际应用中都发挥了非常重要的作用。因此，S = KLNW公式被刻在他的墓碑上，以纪念他不朽的科学成就。玻尔兹曼将热力学理论与麦克斯韦电磁场理论相结合，并将其应用于黑体辐射的研究。1870年，斯特凡在总结实验观察的基础上，提出热物体发出的总能量与物体绝对温度的4次方成正比。1884年玻尔兹曼从理论上严格证明了腔辐射的辐射密度U与绝对温度T之间的关系，其中σ是一个普适常数，后来称为斯特凡-玻尔兹曼常数，这种关系称为斯特凡-玻尔兹曼定律。这对普朗克黑体辐射理论有很大启示。当时，科学家们对麦克斯韦电磁场理论持有不同的看法，玻尔兹曼是第一个认识到麦克斯韦电磁场理论重要性的人。他通过实验研究测量了许多物质的折射率，并用实验证实了麦克斯韦的预测:光在介质中的折射率等于其相对介电常数与磁导率乘积的算术平方根，并从实验上证明了光在各向异性介质中不同方向的速度是不同的。他用了浮士德的一句话:“是上帝写了这些符号吗？”赞美麦克斯韦方程。这些无疑是对麦克斯韦电磁理论的有力支持。玻尔兹曼是一位非常好的老师，经常被邀请到国外讲课。他学识渊博，对学生要求严格，从不假装权威。他的讲座非常简单、有趣、生动。他们很受学生的欢迎。他经常主持关于科学最新成就的讨论课，并驱使学生进行研究。他对年轻人要求严格，并热情地帮助他们。他培养了大量的物理学家。玻尔兹曼是一个唯物主义者，是原子理论的积极斗士。他与马赫的经验主义和奥斯特瓦尔德领导的精力充沛的理论家进行了不懈的斗争。他的统计力学理论长期以来受到能量学的猛烈攻击和误解。这些损害了他的身心健康。可能是由于在与马赫等人的辩论中暂时感到孤立和不适，不幸于1906年9月5日自杀。然而，分子和原子的存在、分子和原子热运动的真实性以及玻尔兹曼统计理论的正确性，都直接被原子物理学的实验观点以及爱因斯坦1905年和佩林1908年对布朗运动的理论和实验研究结果所证实。