科学史上让人遗憾的死亡事件：原子论的殉难者—玻尔兹曼自杀身亡

统计物理学奠基人玻尔兹曼

1965年诺贝尔物理学奖得主费恩曼曾提出一个问题：假如在一次浩劫中，所有的科学知识都被摧毁,只剩下一句话留给后代，什么样的语句可用最少的词包含最多的信息?费恩曼的答案是原子论--物质是由原子构成的。这句话在今天的我们看来非常简单，却当之无愧地是现代科学的基石。很少有人知道，今天我们认为理所当然的科学理论，在一百多年前，却发生过非常激烈的争论。玻尔兹曼是建立和捍卫科学原子论最出色科学家之一，然而令人遗憾的是，他为此付出了生命的代价。

一、原子论溯源

让我们先大致了解下原子论的起源。自古以来人们一直思考一个问题：世界的本质是什么?古希腊学者泰勒斯推断水为万物之源,稍后的赫拉克利特提出,火是万物的基础，毕达哥拉斯则认为数是万物之祖。公元前5世纪,留基伯和德谟克利特师徒提出了一种原子论。所谓“原子”，就是一种极小的不可分割的微粒,原子之间没有质的差别，只有大小、形状的差异。后来的伊壁鸠鲁又把这一概念大大地推进了一步，罗马人卢克莱修的名著《物性论》，曾用诗句阐明德谟克利特和伊壁鸠鲁的原子观。

德谟克利特及原子理论

公元前5世纪中国处于春秋、战国时代，差不多与留基伯和德谟克利特同时,中国的哲学家墨子提出了一种物质微粒说——端说。墨子称“端”是空间中不可再分割的最小单位，即为原子。可事实上，那时无论东方还是西方，统治人们思想的都是“元素说”。在中国，人们普遍认为世界大致是由金、木、水、火、土五种“元素”组成。而在西方，亚里士多德则认为世界是由火、空气、水和土四种“元素”组成。

由于亚里士多德的学术权威，四元素说在西方得到了普遍承认。在此后一千多年时间里，原子论一直处于沉寂之中。

二、现代原子论的出现

现代原子论创立者，近代化学之父，道尔顿，色盲发现者

十九世纪初英国人道尔顿提出了提出了最早的科学原子论:物质是由具有一定质量的原子构成的;元素是由同一种类的原子构成的;化合物是由其构成元素的原子结合而成的;原子是化学作用的最小单位，它在化学变化中不会改变。

十九世纪后期，尽管关于原子和分子存在的确凿证据迟迟没有找到,物理学界和化学界还是逐渐接受了这个看起来更接近真实的物质模型。

三、原子与能量的“战争”

此时，一股更强大的科学潮流--热力学--出现了。热力学最初的原理是由法国人卡诺于1842年提出的，随后经过克劳修斯、开尔文等人的发展,最终建立了热力学的三大定律。在这三大定律中，最基本的是第一定律--能量守恒定律。第一定律告诉我们能量既不能被创造也不能被消灭，不管是机械功、电能，还是化学反应，自然界中能量在不断地转化，一个封闭系统中的总能量却保持不变。

热力学在原则上解决了一切化学平衡问题，这使得一些研究者以为找到了世界构成的本质--能量，他们认为，世界的一切现象都是能量变化而成的，物理学的任务就是研究能量的改变与转化规律。这些科学家称为“唯能论者”。

19世纪末最负盛名的物理学家之一，提出绝对温度概念，在经典物理已臻于完善时，提出物理上空飘着两朵乌云

“唯能论者”认为原子、分子既然不能直接观测，研究分子运动规律就是一种空想，认为把物理学和化学问题还原为原子或分子的运动，“实在是多余而有害”。

与“唯能论者”的看法不同,信奉原子论的科学家却坚持认为，热力学规律是组成物质的大量原子和分子的运动所表现出来的宏观结果，因此，需要致力于探微观层次中的原子运动问题,为热力学奠定坚实的基础。

一场围绕万物的本源是能量还是原子的“战争”，在原子论者和唯论者之间展开了。

捍卫原子论一方的主帅，是奥地利人玻尔兹曼。玻尔兹曼1844年2月20日出生于闻名遐迩的“音乐之都”维也纳，父亲是文职官员，母亲是一位很有思想的基督教徒。玻尔兹曼15岁那年，父亲因病去世,次年，弟弟相继天折。母亲在家庭经济状况极端困难的情况下，尽可能保证玻尔兹曼受到最好的教育。玻尔兹在维也纳大学获得了博士学位。毕业后，成为一名大学教师。在玻尔兹曼时代,热力学理论并没有得到广泛的传播。玻尔兹曼在使科学界接受热力学理论，尤其是热力学第二定律方面立下了汗马功劳。

玻尔兹曼最大的功绩，在于他阐明了热力学定律的统计性质，他也被公认为统计物理学的奠基者之一。玻尔兹曼将两个非常重要的概念“概率”和“统计”引入了物理学，提出了后来以自己名字命名的玻尔兹曼方程。运用这个方程，就可以采用统计方法,通过对个体原子的各种物理量进行适当的统计平均，来得出支配宏观行为的规律。玻尔兹曼方程是统计物理学的核心定律之一。

四、“唯能论”与“原子论”的残酷论战

1895年,玻尔兹曼获得了维也纳大学的理论物理学教授席位，不久，当时“唯能论”的代表人物马赫也来到维也纳大学，担任科学哲学教授。一场“原子论”和“唯能论”之间的“战争”，在他们成为同事之后开始了。

马赫的哲学观点是实证论。他反对那些超越了事实的实验图像或模型，也因此否认原子的存在。他认为,物理学理论决不应该建立在子虚乌有的、不能得到证实的原子假说的基础之上，而是要从大量由实验证实的经验事实中归纳出来。针对马赫的观点，玻尔兹曼明确指出:“当代的原子理论能够对于所有的力学现象给出合理的图像……无论如何,在我们的图像之中可以找到所有的主要事实。"

奥地利物理学家、科学史家、科学哲学家，以“马赫数”“马赫效应”著名

当时，马赫在学校开设的“归纳科学的历史与哲学”讲座吸引了大批优秀青年和一些哲学爱好者,也包括玻尔兹曼的学生。他们争着拜马赫为第一导师，而仅择玻尔兹曼为第二指导老师，这无疑刺痛了玻尔兹曼的自尊心。

1899年,玻尔兹曼决定离开维也纳，1900年，在德国莱比锡大学的奥斯特瓦尔德的鼎力邀请和推荐之下,玻尔兹曼应聘来到莱比锡大学，担任理论物理学教授。然而，奥斯特瓦尔德也是典型的唯能论者，玻尔兹曼与奥斯特瓦尔德之间发生的“原子论”和“唯能论”的争论，在科学史上非常著名。按照量子论的奠基人、后来大名鼎鼎的普朗克的话来说，“这两个死对头都同样机智，应答如流;彼此都很有才气”。当时，双方各执一词，各有自己的支持者，争论持续了整整三年。

1909年诺贝尔化学奖得主，物理化学之父奥斯特瓦尔德，与玻尔兹曼关于原子实在性论战是科学史上著名论战之一

玻尔兹曼后来曾写下这么一段话:“我意识到我只是一个软弱无力的与时代潮流抗争的个人，但仍在我力所能及的范围内为这方面做出点贡献，使得一旦气体理论复苏之后，不需要重新发现许多东西。”凄凉伤感之情，溢于言表。

学术争论的残酷性导致玻尔兹曼患上了精神抑郁症。1902年,疲惫不堪的玻尔兹曼重新回到了母校维也纳大学。这时的他将自己的兴趣几乎 完全转向了对哲学的探讨。然而，从1903年到1906年,玻尔兹曼的哲学讲座并没有达到他预想的效果，学生听讲人数不断减少。玻尔兹曼的痛苦在与日俱增。此时的他无法从外界获得帮助，找不到解脱的方法。最终，悲剧就这样发生了。

五、杜伊诺悲歌

1906年,身心倶疲的玻尔兹曼带着夫人和最小的女儿来到杜伊诺。杜伊诺是一个小山村，当时奥地利的伊丽莎白皇后(就是著名的茜茜公主)以及作曲家李斯特都曾把这里当作自己的度假胜地。

1857年玻尔兹曼与妻子合影

生活中的玻尔兹曼本是一个活泼而开朗的人。他爱好音乐，擅长跳舞、弹钢琴，是家庭舞会中的活跃分子。他是一位慈祥的父亲和体贴的丈夫。为了减轻妻子的家务负担，他亲手组装电动缝纫机等家用电器。在科学研究中，玻尔兹曼又变得一丝不苟、浑然忘我。做为一位出色的老师，玻尔兹曼有着惊人的记忆力，讲课时从不用讲义，逻辑清晰。他还喜欢用一些不平常的表达方式,比如“非常巨大的小”,让人印象深刻。

然而，玻尔兹曼内心却敏感而柔弱。经常为做得不够完美而焦虑，因为一位经济状况不好的学生未能通过考试，他会强烈地自责;一件简单的行政工作没能做好，他也会长时间地烦恼。

1887年合影，正中玻尔兹曼，后排左一 1920年 诺贝尔化学奖得主能斯特，左三1902年诺贝尔化学奖得主阿伦尼乌斯

赫拉克利特有一句名言:人的性格就是他的命运。1906年9月5日，玻尔兹曼以上吊的方式让自己那颗久已疲倦的心灵安息了下来。他的死，如同一部古希腊悲剧，是他性格的不可避免的归宿。

就在玻尔兹曼死前一年，爱因斯坦发表了有关布朗运动的重要论文,随后,法国物理学家佩兰的实验观测为分子确实存在提供了强有力的佐证。分子、原子不可观测的神话终于被打破了。

1908年，当时原子论最坚决的反对者“唯能论”的主将奥斯特瓦尔德主动宣布:“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论。”20世纪物理学的巨大成就表明原子论是现代物质科学的基石,玻尔兹曼所作的贡献已得到充分的肯定。对于十九世纪下半叶的这场学术论战，真正胜利者是玻尔兹曼，可惜他本人已长眠地下，对这一切无法知晓了。