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从统计学家的贡献看统计学在科学研究中的重要作用(4)

已有 5290 次阅读 2007-11-13 18:05 |个人分类:学术论文

           四.以玻尔兹曼为代表的统计物理学家群体

路德维希·玻尔兹曼(Ludwig Boltzmann18441906)是奥地利最伟大的物理学家之一,他在气体分子运动理论、统计力学和热力学方面都做出了卓越的贡献。作为哲学家,他反对实证论和现象论,坚决捍卫了量子理论。玻尔兹曼出生于维也纳,年仅22岁便获得博士学位,曾先后在格拉茨大学、维也纳大学、慕尼黑大学以及莱比锡大学等地多年任教。在玻尔兹曼时代,热力学理论并未得到广泛传播。他在促进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。由于他和麦克斯韦共同构建了气体动力学理论(例如分子速率的麦克斯韦分布理论,等等),事实最终证明了玻尔兹曼等人所创立的统计物理学的一系列理论的正确性,他被后人公认为是统计力学和统计物理学的奠基人,为了纪念这位伟大科学家的不朽功绩,后人以最独特的方式,在其没有墓志铭的墓碑上,只镌刻了代表其不朽功绩的著名公式: 。这就是玻尔兹曼熵关系式,其中 表示热力学熵,而 代表了某一宏观态的微观状态数(即配容数),而 就是著名的玻尔兹曼常数。玻尔兹曼得不偿失这一不朽之作,至今仍为科学界应用并获得了不断的推广。然而,玻尔兹曼的学术生涯却是十分坎坷,除有不少社会因素外,更多地应该与他个人的性格有关。玻尔兹曼与恩斯特·马赫及奥斯特瓦尔德之间所发生的原子论唯能论的一场论战,在科学史上留下了一段著名的佳话。由于马赫在科学界的巨大影响,当时有许多著名的科学家一直满足于热力学理论而拒绝承认原子的实在性。他们认为,原子和分子既然不能直接观测到,研究分子运动论就是空想,因而提出所谓“唯能论”的观点,坚持认为,物理学的任务就是研究能量及其转化规律,再从微观角度研究分子运动论是多余的。玻尔兹曼与唯能论者在学术上曾一度陷入孤军奋战,多年抗争,直到后来由于不断涌现的一大批年轻学者包括大名鼎鼎的普朗克站在了玻尔兹曼一边,最终使得以玻尔兹曼为代表的`“原子论学派获胜,1908年,终于在玻尔兹曼辞世两年后,“唯能论”学派的主将奥斯特瓦尔德不得不承认“原子假说已经成为一种基础巩固的科学理论”。这场科学论战,最终促进了原子物理、量子力学、核子物理、固体物理等一大批现代物理学的巨大发展,从而以统计物理学为代表的微观科学领域与宏观科学领域在20世纪不断进步,成为科学主流。

如今统计力学已成为现代物理学的重要分支,在统计力学中,能量和熵这两个在热力学乃至整个自然科学中最普遍和深刻的概念得以被真正理解,并由概率而密切地联系在一起。宇宙中的一切实际过程无一例外地增加着总体的熵值,而能量作为对抗熵增加的力量,绝望地做着局部的抵抗,虽然通过耗散结构,时而可以创造和维持高度有序状态,但终究无法阻止宇宙滑向最后的混乱和无序,一切结构和组织的寂灭。这幅令人抑郁的图景,肯定是萦绕在波尔兹曼和其他统计物理学家心头的幽灵。不幸的是,由于认识的局限性,他们无法让自己忘却这个幽灵,而注定需要用自己的生命和情感来探究、诠释它,为它增添生动的细节。加州理工学院的古德斯坦对这种尴尬处境做了如下的抱怨:一生中大部分时间花在统计力学上的路德维希-波尔兹曼,1906年自杀身亡。艾伦菲斯特继续了这项研究,但也以类似方式而死。现在轮到我们了…”如海德格尔所言:行伟大之思者,致伟大之迷误,真诚思想者的无法完全摆脱深刻而有价值的思想所造成的情感和理智迷误,这是波尔兹曼的宿命和不朽。 如前所述,波尔兹曼的工作在其死后不久旋即被主流物理学家所认同。这种认同 不仅是某种观念的复活,还是思想交融和传承过程中的不朽。波尔兹曼的洞察已超越统计物理范畴,深刻影响着整个科学和哲学共同体。例如,对于信息科学这样的新兴学科而言,一大类统计推断、约束优化和纠错码解码问题可以在源于统计力学的模型和算法之下得到更有效的解决。在这里,信息代替了能量,成为与熵相抗衡的力量。基于统计力学的自组织算法,问题求解的过程精确地同构于特定的吉布斯自由能水平下熵最大化的过程,波尔兹曼的思想以深刻的洞察力诠释了宇宙整体在毁败之路上演化的非单调过程。(未完待续)



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