不知道你是否曾有过这种想法,或许,这个世界上的一切东西都是虚无的,你的视觉、听觉、触感实际上都是大脑输送给你的假象,可实际上,这个世界除了你的思想以外什么都没有。如果说,你也这么想过,那么或许你有成为物理学家的潜质。今天要讲的这位大佬,他用他的科学理论说明了:这种天方夜谭的想法,还真有可能!

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音乐之都的物理天才

1844年,玻尔兹曼出生于维也纳的一个中产家庭,他的爷爷早年从德国柏林移居到了维也纳,靠着制造八音盒的生意起家,从此在这个世界音乐之都安身立命。玻尔兹曼的父亲是当地的一名税务官。而他的母亲又是维也纳有名的富家女,其家族在维也纳当地的影响力非常大,至今维也纳都有一条街道是以他们家而命名的。玻尔兹曼的父母从小便给予了他最优质的教育环境,甚至还把当时著名的钢琴大师安东·布鲁克纳请了过来给他教授钢琴,这也让玻尔兹曼终其一生都将钢琴当成了自己的业余爱好。

19岁那年,玻尔兹曼进入了维也纳大学的物理学院,他的学习生涯可以用两个字来形容:“飞升”。你猜玻尔兹曼从大学入学到毕业用了几年?仅仅三年。你可能会觉得,这算什么?不是有很多天才都是仅用了一两年的时间就把大学读完了吗?人家朗道还能仅用两年时间学完三个大学专业呢。这个三年读完大学有啥厉害的?诶,注意,玻尔兹曼可不是用了三年时间大学毕业,而是只用了三年时间就从大学入学到博士毕业了。

而且,你猜猜玻尔兹曼是以怎样的方式在三年内完成了从大学入学到博士毕业这一飞跃的?这就得讲讲维也纳大学院长斯特潘独特的教育方法了。斯特潘不管玻尔兹曼之前有没有什么物理基础,一见面就扔给了玻尔兹曼一篇麦克斯韦的顶级学术论文,叫他自己回家慢慢研究去,全研究明白了再回来找我。

可是,玻尔兹曼连英语都不会,这篇论文根本一个字都看不懂啊!斯特潘表示:这简单!又啪一下扔给他一本英语辞典,不会英语?那正好顺道把英语学了。当玻尔兹曼能够将这篇论文的内容完全吃透之后,无论是在学术上还是外语上,都已经有了一个博士生的水平了,于是直接就拿着博士学位回家了。当然,这种独特的教育方式能够在玻尔兹曼身上获得成功,与他自身的努力是分不开的。这段时间,玻尔兹曼一直都将大量的时间用在对麦克斯韦理论的研究上,甚至让他给自己的晚年落下了眼疾。玻尔兹曼博士毕业时,年仅22岁。

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巨人肩膀上的巨人

玻尔兹曼的学习生涯相比于其他人而言确实是太短了点了,这个仅用三年就拿到的博士学位,究竟有含金量吗?玻尔兹曼刚刚毕业没多久就用他的实际成果证明了,自己这个博士学位拿的是一点毛病都没有,而且比大多数人的博士学位都更有含金量。

三年后,玻尔兹曼博士就对麦克斯韦的理论进行了大幅推广,在“麦克斯韦分布律”的基础上推出了玻尔兹曼分布律,也就是气体中不同速度的分子概率分布的方程,属于是活学活用了。1872年,玻尔兹曼又紧接着发表了《关于气体分子热平衡状态的进一步研究》,提出玻尔兹曼输运方程,这个方程可以成功描述气体从非平衡态向平衡态过渡的过程,对于其后气体物理的研究有着举足轻重的作用。

而玻尔兹曼的大招是在五年后1877年,玻尔兹曼发表了《论热理论的概率基础》,用宏观的概率把熵解释为了对无序的度量,而且还给出了著名的玻尔兹曼熵公式。

S=k log W

这个公式学过物理的同学应该都比较熟悉,它后来被选为了物理学最美十大公式之一。凭借这个公式,玻尔兹曼将物理学当中“熵”的增加解释为了分子秩序的减少、或者说一个系统偶然性的减少。但是有了玻尔兹曼的这个公式,我们可以非常轻松的把熵的概念运用到信息学、生物学当中去。玻尔兹曼一跃成为了物理学界当中重要的人物。

玻尔兹曼认为:一切的自发过程,总是由概率小的状态向概率大的状态变化,而在我们的自然界之中,无序的状态比有序的状态出现的概率更大,所以事物总是会从有序朝着无序变化。而无序的东西自发变得有序,那几乎是不可能的。就比如说牛奶和咖啡倒在一起总是会混溶在一起,形成一杯咖啡牛奶,而已经混溶出的咖啡牛奶却无法重新分离成咖啡和牛奶。我们的宇宙也是这样,它也在不断地朝着无序的方向发展,按照玻尔兹曼等科学家的看法,宇宙最终会走向一个结局:热寂。那个时候,整个宇宙的混乱程度将会达到最大,如今肉眼所能见到的所有物体,到那时都会变成无数的微观粒子,宇宙也将会就从此停留在这一状态。就如同一杯已经混合完成的咖啡牛奶一样,无论再把它放置多久,都不会再有什么大的改变了。

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在玻尔兹曼理论的基础上,人们提出了更加惊悚的“玻尔兹曼大脑假说”,或许,这个宇宙早就已经走向了热寂,我们如今所看到的这个世界并不是真实存在的。只是热寂宇宙当中偶然形成的一个大脑罢了,我们实际上都是这个大脑当中的信息,我们感受到的一切,也都是这个大脑让我们看到、听到、触摸到的。我们就像是处在一个梦境中一样。当然,“玻尔兹曼大脑”只是一个基于玻尔兹曼学术理论的假说,就目前来看也仅仅只是存在这么一种可能性罢了。科学这东西,最终还是要靠着实验所得的结论说话的。

玻尔兹曼凭着他的众多科学理论,让自己的学术地位在那个时代登峰造极。可是,再高的地位也改变不了玻尔兹曼那颗敏感的内心。他提出的理论为他带来的辉煌,但也正是这些理论,将他一步一步的逼上了绝路。这究竟是怎么回事呢?

对立的声音

一些如今我们视为理所当然的概念,在20世纪前其实都曾受到非常大的争议,就比方说原子的存在,现在这是连小孩都知晓的常识,但是在当时就连许多科学家都对此存疑。而“原子论”恰好是玻尔兹曼所有理论的基础,看到身边的许多人包括他以往的朋友都对自己的理论提出了异议,这令内心敏感的玻尔兹曼感到无比失落。

然而,能加倒霉的事情还在后头。

1894年,玻尔兹曼回到了母校维也纳大学任教,在这里遇到了他在学术上的劲敌——哲学家马赫。在物理学观念上,马赫是一个唯能论者,所谓的唯能论,就是认为物质的本质实际上是能量,能量也是一切自然社会思维现象的基础,他们主张要把物质的概念从科学当中排除出去,只需要用能量的概念来建设宇宙观就足够了,完全不需要“原子”这种东西。

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马赫

这种想法乍一听很荒谬,但放在现代科学来看并非完全错误,因为质能之间确实是可以相互转化的,可当时唯能论学者的看法都太过于激进了,例如被称为“唯能论”开山鼻祖的化学家奥斯特瓦尔德,他干脆旗帜鲜明的表示:“原子不存在,世界的本质都是能量”,一个化学家居然反对原子的存在,这是不是有点魔幻了?而维也纳大学的马赫,也是一个对原子学说存疑的人,如果有人在马赫的面前提起了原子,他便会大骂道:“请问您看见原子了吗?”。

如果说原子并不存在,那玻尔兹曼一生所有成果就全都要推倒重来,这玻尔兹曼能忍吗?在玻尔兹曼来到了维也纳大学后,他与马赫展开了针锋相对的辩论。

在当时,“原子论”是科学的主流,唯能论的bug实在是太多了,很难令人信服。按理说,一个支持唯能论的人和支持原子论的人辩论,那基本是没有任何胜算的。可是,马赫偏偏是一个辩论天才,玻尔兹曼则恰恰相反,对于思考物理他非常擅长,但就是不擅长和人辩论。他们俩辩论的场面经常是:马赫列举出原子论的众多缺点,接着就把问题抛给了玻尔兹曼,然而,玻尔兹曼却一时半会给不出来解答。最后,马赫留下一句:“玻尔兹曼先生其实是好人,只是他的幼稚和不慎重令人难以置信,他简直就是分不清东西南北。”属实是把嘲讽拉满了,让玻尔兹曼非常没面子。马赫有时候甚至会把玻尔兹曼气得在台上发抖。

毫无意义的辩论让玻尔兹曼后悔当初自己为什么要回到维也纳大学,1900年,玻尔兹曼决定从维也纳大学逃出去,以此躲避马赫的攻击。结果他不幸的跳槽到了德国的莱比锡大学——这所大学恰好就是“唯能论”的学术中心,顶头上司正是那位旗帜鲜明反对原子论的化学家——奥斯特瓦尔德,这位更是重量级。玻尔兹曼刚来到新单位报到,就又陷入到了无休止的争论当中。

步入深渊

辩论这种东西是为了更加逼近真理而存在的,就算在辩论当中输了,那也不能说明自己的理论一定是错的,但在玻尔兹曼的眼中,辩论席上对方的反驳好像就是对自己价值的否定。不仅仅是奥斯特瓦尔德与自己思想观念完全对立,整个莱比锡大学的环境都充斥着对原子论的反对,令他过得十分压抑。也是在这段时间,玻尔兹曼尝试了自己的第一次自杀,但幸好没有成功。

1902年,或许是玻尔兹曼认为这所大学并不适合自己,于是匆忙跑回了维也纳大学,然而,他又不得不再次面对自己的老对手马赫,祸不单行,奥地利政府因为玻尔兹曼频繁跳槽,让他写了一份保证书,确保他不会再离开维也纳大学,相当于是把玻尔兹曼从此“禁足”在了自己的对手身边。

这换谁谁受得了啊?往后的一段时间,玻尔兹曼的心理健康状态逐渐恶化,与此同时,哮喘、失眠等老年疾病也找上了门来,他内心的失落感越来越强。痛苦也与日俱增,在很长的一段时间里,玻尔兹曼陷入了自我怀疑的状态,甚至开始怀疑起了自己这一生所做的事业究竟有没有价值,这是很正常的,即使是一位科学家,在面临周遭环境长时间的打压后,也很难说不会陷入自我怀疑的深渊。

1906年,玻尔兹曼一家去往了意大利度假,离开了学术前线的他终于有了一个安心疗养的机会,但谁也不曾料到,玻尔兹曼居然会在回程的前一天做出这样的决定,那天,他的妻子带着女儿去往了意大利的海边游玩,而玻尔兹曼独自留在了旅馆当中,当妻子和女儿返回旅馆后,只看到了玻尔兹曼悬挂着的尸体——一代物理学大师玻尔兹曼,选择了以上吊的方式结束自己的生命,终年61岁。

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有许多人说,玻尔兹曼的死是非常戏剧化的,人们也很难给玻尔兹曼的自杀原因下一个明确定论。但这无疑与他长时间的郁郁不得志以及过于敏感的内心有所关联。

在科学领域,一个新理论的建立往往要伴随着众多质疑与谩骂,那些在如今看来无比重要的定律和公式,在刚刚提出时往往都不受人们待见。经过一段时间的沉淀之后,人们才会重新发现他的价值。现如今,玻尔兹曼的理论已经成为了物理学体系当中的重要一环,是人们理解宇宙的重要工具,我想,玻尔兹曼这个孤独的灵魂,应当可以安息了。