物理史话之怎么测定那个常数洛希密脱

科普君在之前的《物理史话之分子的个数阿伏伽德罗》一篇中讲到了阿伏伽德罗常数这个超级巨大的数值,但是这个数值的名字虽然叫"阿伏伽德罗常数",却并不是阿伏伽德罗搞出来的,当然了,它也不是一个原子一个原子数出来的,它实际上是由好几个物理学家在相当长的一段时间内慢慢修正出来的。其中第一个就是本文的主角--奥地利物理学家洛希密脱。

物理史话之怎么测定那个常数洛希密脱

约翰·约瑟夫·洛希密脱

约翰·约瑟夫·洛希密脱于1821年出生在奥地利波西米亚王国的卡尔斯巴德下面的一个小镇,他家世代是农民。洛希密脱从小就在田间劳作,以分担他的贫困的父母的压力。当地的一位牧师发现了洛希密脱不同于常人的天赋,因此常常资助他进行学习。在经过了必要的初级教育之后,洛希密脱于1837年进入了布拉格查理大学学习哲学和自然科学。当时在查理大学教授哲学的弗朗茨·塞里芬·埃克斯纳教授被这个聪明的年轻人吸引住了,经常邀请他参加自己的讲座。当时埃克斯纳教授的视力急剧退化,已经看不清书本上的文字了,因此,他需要一个能够为他阅读的私人秘书。埃克斯纳教授让洛希密脱担当了这一重任。

物理史话之怎么测定那个常数洛希密脱

查理大学

然而哲学对于洛希密脱来说实在没有太大吸引力,他对化学更感兴趣。因此,在1842年,洛希密脱跟随埃克斯纳教授来到了维也纳。在那里,他开始在施罗特的实验室工作。洛希密脱和同事一起做实验,发明了一种能够从钠盐中制备硝酸钾的方法。以此为基础,他们开始在维亚纳的郊区开设工厂,制造硝酸钾,并因此而获得了丰厚的利润。然而好景不长,1849年,奥地利和匈牙利开战,作为他们制备硝酸钾的原料之一苛性钾的价格飙升,而且还没有稳定的供应,洛希密脱的工厂只好关闭了。洛希密脱随后成了一家造纸厂的董事,还发明了从废物中制备草酸的方法。

然而工厂的单调的生活跟他化学家的活跃的思维并不相符,而且他当时的健康状况也不太好,因此洛希密脱回到了维也纳。只不过他当时身无分文,而且病得很重。一开始他通过当家教来勉强维生,后来到1856年,他终于在一个中学找到了一份稳定的工作,教授物理。洛希密脱的物理课讲得风趣幽默,又十分的让人容易接受。

1866年,当选为维也纳大学物理系实验室主任的约瑟夫·斯蒂芬和洛希密脱成为了密友,虽然他们之间相差了14岁,但这并不妨碍他们的友情。洛希密脱成为了实验室的常客,他的课外科学活动的能力很快就得到了最高当局的认可。同年,他成为了维也纳大学的无薪教员(这个名词我们在数学史话中经常提及,当时的大学教员都要经历过这个阶段,他们的薪水并不由大学支出,而是由他们所教的学生的学费中支出。所以他们薪水的高低完全取决于他们教授学生的多少)。1868年,洛希密脱当上了副教授,并在4年后成为正教授。

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维也纳大学

当时,对于阿伏伽德罗提出的定律已经普遍被人接受了,但是阿伏伽德罗在定律中只是说同温同压下,相同体积的任何气体含有相同的分子数,并没有说这个分子数的具体值。因此测量这个数值就成了很多科学家的工作。1865年,洛希密脱通过研究气体/液体中粒子的自由程来提出分子的个数。所谓的自由程是指随机运动的一个粒子,和另一个粒子碰撞两次,在这之间走过的距离。就像在越拥挤的地铁里,我们越容易被别人撞到一样,这个数字是和一个容器里粒子的数量

反比的。当知道一定体积气体粒子的平均自由程后,洛希密脱估算了一立方米气体中粒子的数目,他得到的答案是:2.6867773×10^25个。这是一个无论从数值上还是在思想上都非常接近阿伏伽德罗常数的一个值,当然,这并不是最终的值,后面还要经过好几个人的加工,比如著名的爱因斯坦大神。洛希密脱还估算了空气分子的直径是1×10^-6mm。

洛希密脱还对热力学极其感兴趣。当时玻尔兹曼(一个大神,我们以后会讲到他)提出了热力学第二定律,亦即熵增定律。其表述是这样的:不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响,或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响,或不可逆热力过程中熵的微增量总是大于零。对此,洛希密脱提出了一个著名的悖论:如果对符合具有时间反演性的动力学规律的微观粒子进行反演,那么系统将产生熵减的结果,这是明显有悖于熵增加原理的。对此,玻尔兹曼给出了自己的解释,我们将在玻尔兹曼那章给出。

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玻尔兹曼

1891年,洛希密脱从大学退休,并于4年后在维也纳去世,享年74岁。

预告一下,下期人物:克劳修斯


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