物理史話之物理學的評價者埃倫費斯特

理論物理學是一門廣博而艱深、思維力強的學科,特別是在經歷了19世紀末統計力學和20世紀初量子理論的發展後,漸漸失去了它的表面上的可理解性和表述上的清晰性。所以,到了20世紀以後,一位理論物理學家可研究的範圍越來越大,而真正能作出的成就卻可能很小。20世紀之前的一個物理學家可能對於物理的每個方面都很精通,而到了20世紀以後,一個理論物理學家可能窮盡一生而只能解決一兩個問題。而本文的主角則反其道而行之,他並沒有提出什麼驚人的理論,他只是喜歡去揭示一個理論觀念的本質,剝去它的數學外衣,直到簡單的基本思想明顯地暴露出來為止。他就是奧地利物理學家--埃倫費斯特。

物理史話之物理學的評價者埃倫費斯特

保羅·埃倫費斯特

保羅·埃倫費斯特於1880年出生在奧地利維也納的一個窮人聚居區費伏利頓,他的父母都是猶太人。在埃倫費斯特出生的時候,他的父母已經通過自己的努力,創建了一個生意興隆的商行。埃倫費斯特是家中5個孩子中最小的一個,他的長兄比他大17歲,他的童年其實是在哥哥們,特別是長兄的培養下成長起來的。1886年,埃倫費斯特上了小學,直接從2年級開始學起。1899年,埃倫費斯特以優異的成績進入維也納工業大學學習化學,當然他也選修了力學、礦物學、數學等一些課程。在工業大學學習期間,埃倫費斯特經常跑到隔壁的維也納大學旁聽玻爾茲曼的課程。當時玻爾茲曼已經在理論物理的許多領域贏得了世界範圍的聲譽,他將力學深入運用到原子理論中,試圖用力學原理解釋熱力學第二定律。埃倫費斯特在玻爾茲曼那裡接受了理論物理學的啟蒙教育,學到了理論物理的精神實質,並且在幾年之後他自己的教學和研究工作中也充分體現出了玻爾茲曼的那種精神(不過很悲劇的是,埃倫費斯特在結局上也步了玻爾茲曼的後塵)。當埃倫費斯特上完大一的時候,玻爾茲曼離開了維也納,去了萊比錫,他的學生海森歐諾接替了他的位置。埃倫費斯特又跟隨海森歐諾學習了一段時間。

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玻爾茲曼

1901年,由於當時奧地利教育的特點,學生可以隨意到任何大學去求學,所以那年埃倫費斯特去了數學聖地--哥廷根。由高斯、狄利克雷、黎曼等人創立的數學傳統在哥廷根經久不衰,而在20世紀初,哥廷根的數學領頭人是克萊因,而不到40歲的希爾伯特也已經在哥廷根頗有名氣了,他在上一年的巴黎國際數學會議上提出的著名的23個數學問題,在數學史上被稱為"希爾伯特問題"。埃倫費斯特來到哥廷根之後,報了克萊因的力學和數學討論課、希爾伯特的勢能理論課、弗格脫的電學和晶體光學課、阿伯拉罕的光的電磁理論課、斯塔克的電離現象課等等一長串的課表。他和能斯特(著名物理學家,科普君之間已經講過他)一起上課、和史瓦西(著名天文物理學家,黑洞史瓦西半徑理論的提出者)一起工作。在哥廷根的一年半時間裡,埃倫費斯特經常用裝在口袋裡的小本子有系統地記錄他自己的想法,其實他終生都保持著這樣的習慣,隨時記下想到的問題,而這些問題也成為他後來發表論文時的很多學術思想的起源。

物理史話之物理學的評價者埃倫費斯特

哥廷根大學

1903年,埃倫費斯特離開哥廷根,去了萊頓大學聽洛倫茲的理論物理課。在那裡,他研讀了克勞修斯、麥克斯韋、玻爾茲曼的經典論文,還有包括當時還不知名的愛因斯坦的幾篇論文。埃倫費斯特在荷蘭呆了兩個月,然後回到了維也納,並以《液體中的剛體運動和赫茲力學》一文在1904年取得了博士學位。

1906年,埃倫費斯特離開維也納,前往哥廷根。就在這年,他的恩師玻爾茲曼自殺了,這對埃倫費斯特影響非常大。埃倫費斯特繼續他老師的對熱力學第二定律的解釋問題,他發現:無論是洛希密脫用可逆性來反對或者策爾密落用再現性來反對玻爾茲曼的H定理,都不足以表明玻爾茲曼概念內部存在的不一致。於是,埃倫費斯特提出了一個他稱之為"狗-跳蚤模型"(後人稱之為"埃倫費斯特"甕"模型")的理論,這個理論傾向於平衡態,使系統走向平衡態比離開平衡態的路要多很多,用這個模型可以使玻爾茲曼理論的本質特徵明確而又簡潔地突出出來。埃倫費斯特的模型在哥廷根玻爾茲曼研討會上博得了同行們的一致好評。

1907年,埃倫費斯特離開哥廷根,前往俄羅斯聖彼得堡。在那裡,他認識了約飛。他們經常組織聚會,討論物理學當前的有興趣的話題,後來這個研討會成為約飛創立俄羅斯和蘇聯物理學學派的基礎。埃倫費斯特在聖彼得堡呆了5年,但並沒有一個固定的大學職位,儘管1910年的時候,他曾開設過一門數學物理微分方程的特殊課程,並且他也講得很好。但是由於他的猶太人身份以及當時新上臺的教育大臣對大學的鐵腕統治,他在俄國的前景非常的不被看好,於是從1912年起,埃倫費斯特離開了俄羅斯。不過在俄羅斯期間,埃倫費斯特應克萊因的邀請,編寫了《數學百科全書》中統計力學的評論性文章--《力學的統計方法概念之基礎》。在該文中,他明確地提出了這個理論的邏輯結構,闡明瞭當時統計力學中還存在著的若干概念上的模糊和矛盾,清晰地指出各態歷經假說在闡釋時間平均和系綜平均之間的關係中的作用。

1912年,萊頓大學的洛倫茲在讀過埃倫費斯特的《力學的統計方法概念之基礎》一文後,力邀他來萊頓大學當自己的接班人,埃倫費斯特接受了邀請,來到了萊頓。為了掌握普朗克1900年將能量子引入物理學的全部意義,他整整奮鬥了10年,他是最先試圖釐清這些含蓄假說的人之一,也是最早領悟到其中包含了重大問題的人之一。埃倫費斯特證明對一個諧振子來說,唯一可以量子化的變量是能量與頻率之比E/v。當足夠緩慢也就是"浸漸"地改變決定頻率的那些參數,只有E/v不變。1916年,埃倫費斯特用更為簡潔明確的語言對"浸漸"假設作出了清晰的表達:參量的浸漸變化將某些允許的路徑變換成另一些允許的路徑,這樣就有可能從一個已知系統的量子化推導出另一些系統的量子化。在埃倫費斯特的"浸漸"假說的幫助下,玻爾於1918年得到了對應原理的量子論。1914年,埃倫費斯特在研究普朗克關於輻射中的熵的早期論文中,發現了輻射能量單元在組合分配時的一個因子的錯誤,他用自己獨特的方案給出了透徹明確的思路,從而導致得到正確的容易理解的組合公式。1933年,埃倫費斯特根據有關超導體和液氮中比熱不連續的現象,首次提出熱力學中二級相變的概念,並得到了在二級平衡相變中,系統的壓強隨溫度變化的公式,這個公式後來被稱為"埃倫費斯特方程"。

物理史話之物理學的評價者埃倫費斯特

埃倫費斯特定理

埃倫費斯特還是一個成功的教育者,他在萊頓大學第一年就開設了數學物理微分方程課程,他在課程中儘可能使數學的演算簡化,讓學生能夠深入理解數學、物理的觀點。同樣是一代教育大師的索末菲就非常喜歡埃倫費斯特的課。

隨著理論物理學的迅猛發展,埃倫費斯特也和其他一些理論物理學家們一樣無法完全接受最新的思想。儘管他的學生們都一致認為他是一個難得的學識淵博而又循循善誘的老師,但他自己卻從未擺脫對自己要求過於嚴格所導致的自卑心理。1933年,納粹上臺,身為猶太人的埃倫費斯特面對嚴峻和惡劣的政治氣候,開始變得非常消沉。當年的9月,埃倫費斯特在安排好他的其他子女後,開槍射殺了他的患有唐氏綜合症的小兒子,然後自殺了。享年53歲。


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