新時代(也就是20世紀)漸漸地走近了，當鏡頭拉近，我們可以在巴黎街頭車水馬龍的流轉(zhuǎn)中看到隱藏的時代背景: 經(jīng)過拿破侖的攻伐和普法戰(zhàn)爭的失利，一貫喜歡鬧事的巴黎人民建立了曇花一現(xiàn)的巴黎公社，隨即被撲滅……德國的一個鐵血的人物，他就是大名鼎鼎的俾斯麥(Otto von Bismarck，1815—1898)已經(jīng)定型，他統(tǒng)一德意志并把德國帶進了全面的軍事化，這為第一次世界大戰(zhàn)埋下了伏筆。這是一個漸變的亂糟糟的時代。這個時代的物理學也在發(fā)生靜悄悄的變化，在這變化中有一個歷史的橫截面，那是1879年，這一年，愛因斯坦在德國的一個小城誕生。

當時的學術(shù)圈里，其實還是有幾個高手的，這幾個高手相互較量，他們想要得到一個關(guān)于原子的基礎(chǔ)理論。這也暗示著，新時代應該有一套關(guān)于微觀世界的完整的學術(shù)理論。

這其中一個高手就是玻耳茲曼(Ludwig Edward Boltzmann 1844—1906)，玻耳茲曼是奧地利的物理學家，專攻統(tǒng)計力學。統(tǒng)計物理好像物理學中的宏觀經(jīng)濟學，研究的是大量原子的集體行為，所以很有一點難度。玻耳茲曼研究這個學問的時候有一個單純的信仰，他相信原子的存在，雖然他從來沒有觀測到過原子——就是在現(xiàn)在這個時代，要想看到原子或者離子也是非常困難的，需要使用掃描隧道顯微鏡或者通過致冷型的熒光CCD攝像機才可以看到，這類典型的產(chǎn)品可以參考美國PI儀器公司的產(chǎn)品。

那是19世紀晚期的奧地利首都——維也納，有著寫下《一個陌生女人的來信》的茨威格和新年音樂會的金色大廳，這些也許代表了大部分中國人對這個城市的所有認識，這也是這個城市的靈魂之所在。其實單就音樂而言，奧地利還有天才鋼琴家莫扎特。但是很多人也許并不知道，奧地利也是一個物理英雄輩出的國度。玻耳茲曼，以及本書后面將寫到的薛定諤和泡利，他們便是來自維也納的三劍客。依據(jù)他們的秉性，我們大概可以分別稱呼他們?nèi)藶閼n郁哥、多情哥和犀利哥。

玻耳茲曼堅定地相信原子的存在。

什么是原子呢?

古希臘時代的哲人認為原子是萬物組成的最小單元，若用一把無比鋒利的小刀去切割一塊橡皮，小刀切下去直到橡皮不能再分，剩下的東西就是原子——這種最樸素的原子觀念。而在古希臘時代的哲人的心目中，一個蘋果和一塊橡皮的本質(zhì)區(qū)別僅僅在于相同的原子的不同排列——當時還有哲學家發(fā)現(xiàn)原子在空間能排列出來的正多面體只有5種，優(yōu)美的空間排列結(jié)構(gòu)非常稀少?，F(xiàn)在看來這種關(guān)于原子的說法無比簡陋且不夠嚴謹，門捷列夫在19世紀中葉就開始得到元素周期表，說明元素其實是分門別類的，但古希臘哲學家們關(guān)于正多面體的結(jié)構(gòu)研究則意味深長——這與三維歐氏空間中的離散群論有關(guān)。

到了后來，原子的觀念有了一些變化，其被分為不同的品種，但不是因為它們構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)不同，而在于它們的化學性質(zhì)不同(主要是起源于核外電子總數(shù)與最外層的電子數(shù))，它們共同構(gòu)成了一張元素周期表。

但是，在19世紀晚期20世紀初這個新舊時代的分水嶺，還是沒有人能夠通過各種物理實驗或者化學實驗直接用人的眼睛去看見原子。所以學術(shù)圈對玻耳茲曼所篤信的原子觀念有一種天然的排斥。關(guān)于原子的概念，與之相關(guān)的典型物理問題是比熱問題，在初中物理課本中也是最早講的吸收熱量與比熱容的那個Q=CMΔT這個公式，其中C是比熱，M是質(zhì)量，ΔT是溫度的變化，這個是關(guān)于熱量與溫度之間的第一個典型公式。早在1819年，原是化學家的杜隆(P.L.Dulong，1785—1838)和物理學家珀替(A.T.Petit，1790—1820)進行了一系列測量物體的比熱實驗。他們選擇的對象是各種固體，比如金子、銀子、銅塊和鉆石。他們在室溫下做了大量實驗，積累了大量數(shù)據(jù)，對于許多物質(zhì)總結(jié)出一條經(jīng)驗規(guī)律:“所有簡單物體都精確地具有相同的比熱，每摩爾(注意不是每千克！)的物質(zhì)溫度升高一度需要大約25焦耳(大約是6卡，因為1卡等于4.2焦耳)的熱量，金子、銀子和銅塊差不多一樣，但是，鉆石不是這樣的……”當時他們無法解釋為什么鉆石的原子比熱和大部分貴金屬的原子比熱差異那么大。當然，那時候的鉆石還不值錢，女人們在結(jié)婚的時候也不要求男方送上鉆戒。原子比熱問題的最終結(jié)果，需要量子力學完善以后才能得到徹底解決，這是物理上懸疑的一方面。

1863年，這個叫玻耳茲曼的大學生進入維也納大學學習物理學和數(shù)學專業(yè)。物理學院的斯特番(J.Stefan)是一個不錯的物理學家。當時，斯特番是物理學院院長、數(shù)學和物理學教授，在斯特番的悉心指導下，玻耳茲曼學到了氣體和輻射方面的基礎(chǔ)知識，他們兩人后來一起創(chuàng)建了黑體輻射理論的積分表達: 斯特番　玻耳茲曼定律。這個定律說的是，一個黑體的輻射功率與溫度的四次方成正比——所謂黑體，就是那些與外界處在熱平衡狀態(tài)下發(fā)出輻射的物體，比如太陽、鋼水，甚至以后我們會講到的宇宙微波背景輻射，都是典型的黑體輻射。

舉一個例子，太陽的溫度是由于太陽上的氫彈爆炸產(chǎn)生的，它的溫度大概是5000℃。假設(shè)太陽上每秒鐘內(nèi)有2顆氫彈爆炸。那么，我們可以估計出，另外一個同樣大小的恒星，如果其溫度是10000℃，那么根據(jù)斯特番玻耳茲曼定律這個恒星上每秒鐘差不多有24，也就是每秒有16顆同樣大小的氫彈發(fā)生爆炸。

玻耳茲曼大學畢業(yè)后成了斯特番的助手，同時繼續(xù)讀博士，最后自然也成了教授。在得到斯特番玻耳茲曼定律以后，玻耳茲曼開始想建立一個關(guān)于統(tǒng)計物理的完整的理論，他的理論模型中，最核心的觀念就是原子的存在性。玻耳茲曼相信原子存在——這成為他基本的人生信仰。也恰恰是因為這個信仰，導致他一直都很憂郁。那時的他在大學里做物理教授，就如同每個江湖故事中的高手都有一個對手一樣。與他PK的對手是馬赫(Ernst Mach，1838—1916)——他的同事，此人被青年時代愛因斯坦視為偶像和精神導師。

馬赫認為，原子既然肉眼看不見，也不能用實驗檢測出來，那么所謂原子就根本不存在。馬赫的觀點現(xiàn)在看來也是不無道理的。在現(xiàn)在的量子理論中，也非常重視可觀察的物理量，不能被觀測到的，那就不是物理量，如果是理論要求不得不存在的，那就只能稱之為“鬼量”或者“鬼場”。單就馬赫的觀念——一個不能被探測到的東西，就是不存在的。這種說法無疑是非常符合現(xiàn)代的物理學理念的。但這里面其實有2個層次的問題，一種是原則上不可以被測量到，比如說一個量子的疊加態(tài)——以后我們會說的薛定鍔的貓態(tài)——你一測量，就會被破壞。還有一種就是因為儀器與技術(shù)的局限，使得暫時不能被測量到的，比如說原子，三聚氰胺分子——這些東西隨著技術(shù)的進步，通過特定科學儀器，最終是可以被測量到的。因此，馬赫把這2個層次的問題打包到一起，拋給了玻耳茲曼。(作者注: 可觀測與不可觀測還有第3層的概念，那與時空的結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如因為宇宙大爆炸以來的時間是有限的，光的速度也是有限的，所以我們只能看到有限的宇宙，看不見的那部分被稱為不可觀測的宇宙，在我們的視界之外。)

文源：《日出:量子力學與相對論》