物理史话之物理学的评价者埃伦费斯特

理论物理学是一门广博而艰深、思维力强的学科,特别是在经历了19世纪末统计力学和20世纪初量子理论的发展后,渐渐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世纪以后,一位理论物理学家可研究的范围越来越大,而真正能作出的成就却可能很小。20世纪之前的一个物理学家可能对于物理的每个方面都很精通,而到了20世纪以后,一个理论物理学家可能穷尽一生而只能解决一两个问题。而本文的主角则反其道而行之,他并没有提出什么惊人的理论,他只是喜欢去揭示一个理论观念的本质,剥去它的数学外衣,直到简单的基本思想明显地暴露出来为止。他就是奥地利物理学家--埃伦费斯特。

物理史话之物理学的评价者埃伦费斯特

保罗·埃伦费斯特

保罗·埃伦费斯特于1880年出生在奥地利维也纳的一个穷人聚居区费伏利顿,他的父母都是犹太人。在埃伦费斯特出生的时候,他的父母已经通过自己的努力,创建了一个生意兴隆的商行。埃伦费斯特是家中5个孩子中最小的一个,他的长兄比他大17岁,他的童年其实是在哥哥们,特别是长兄的培养下成长起来的。1886年,埃伦费斯特上了小学,直接从2年级开始学起。1899年,埃伦费斯特以优异的成绩进入维也纳工业大学学习化学,当然他也选修了力学、矿物学、数学等一些课程。在工业大学学习期间,埃伦费斯特经常跑到隔壁的维也纳大学旁听玻尔兹曼的课程。当时玻尔兹曼已经在理论物理的许多领域赢得了世界范围的声誉,他将力学深入运用到原子理论中,试图用力学原理解释热力学第二定律。埃伦费斯特在玻尔兹曼那里接受了理论物理学的启蒙教育,学到了理论物理的精神实质,并且在几年之后他自己的教学和研究工作中也充分体现出了玻尔兹曼的那种精神(不过很悲剧的是,埃伦费斯特在结局上也步了玻尔兹曼的后尘)。当埃伦费斯特上完大一的时候,玻尔兹曼离开了维也纳,去了莱比锡,他的学生海森欧诺接替了他的位置。埃伦费斯特又跟随海森欧诺学习了一段时间。

物理史话之物理学的评价者埃伦费斯特

玻尔兹曼

1901年,由于当时奥地利教育的特点,学生可以随意到任何大学去求学,所以那年埃伦费斯特去了数学圣地--哥廷根。由高斯、狄利克雷、黎曼等人创立的数学传统在哥廷根经久不衰,而在20世纪初,哥廷根的数学领头人是克莱因,而不到40岁的希尔伯特也已经在哥廷根颇有名气了,他在上一年的巴黎国际数学会议上提出的著名的23个数学问题,在数学史上被称为"希尔伯特问题"。埃伦费斯特来到哥廷根之后,报了克莱因的力学和数学讨论课、希尔伯特的势能理论课、弗格脱的电学和晶体光学课、阿伯拉罕的光的电磁理论课、斯塔克的电离现象课等等一长串的课表。他和能斯特(著名物理学家,科普君之间已经讲过他)一起上课、和史瓦西(著名天文物理学家,黑洞史瓦西半径理论的提出者)一起工作。在哥廷根的一年半时间里,埃伦费斯特经常用装在口袋里的小本子有系统地记录他自己的想法,其实他终生都保持着这样的习惯,随时记下想到的问题,而这些问题也成为他后来发表论文时的很多学术思想的起源。

物理史话之物理学的评价者埃伦费斯特

哥廷根大学

1903年,埃伦费斯特离开哥廷根,去了莱顿大学听洛伦兹的理论物理课。在那里,他研读了克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼的经典论文,还有包括当时还不知名的爱因斯坦的几篇论文。埃伦费斯特在荷兰呆了两个月,然后回到了维也纳,并以《液体中的刚体运动和赫兹力学》一文在1904年取得了博士学位。

1906年,埃伦费斯特离开维也纳,前往哥廷根。就在这年,他的恩师玻尔兹曼自杀了,这对埃伦费斯特影响非常大。埃伦费斯特继续他老师的对热力学第二定律的解释问题,他发现:无论是洛希密脱用可逆性来反对或者策尔密落用再现性来反对玻尔兹曼的H定理,都不足以表明玻尔兹曼概念内部存在的不一致。于是,埃伦费斯特提出了一个他称之为"狗-跳蚤模型"(后人称之为"埃伦费斯特"瓮"模型")的理论,这个理论倾向于平衡态,使系统走向平衡态比离开平衡态的路要多很多,用这个模型可以使玻尔兹曼理论的本质特征明确而又简洁地突出出来。埃伦费斯特的模型在哥廷根玻尔兹曼研讨会上博得了同行们的一致好评。

1907年,埃伦费斯特离开哥廷根,前往俄罗斯圣彼得堡。在那里,他认识了约飞。他们经常组织聚会,讨论物理学当前的有兴趣的话题,后来这个研讨会成为约飞创立俄罗斯和苏联物理学学派的基础。埃伦费斯特在圣彼得堡呆了5年,但并没有一个固定的大学职位,尽管1910年的时候,他曾开设过一门数学物理微分方程的特殊课程,并且他也讲得很好。但是由于他的犹太人身份以及当时新上台的教育大臣对大学的铁腕统治,他在俄国的前景非常的不被看好,于是从1912年起,埃伦费斯特离开了俄罗斯。不过在俄罗斯期间,埃伦费斯特应克莱因的邀请,编写了《数学百科全书》中统计力学的评论性文章--《力学的统计方法概念之基础》。在该文中,他明确地提出了这个理论的逻辑结构,阐明了当时统计力学中还存在着的若干概念上的模糊和矛盾,清晰地指出各态历经假说在阐释时间平均和系综平均之间的关系中的作用。

1912年,莱顿大学的洛伦兹在读过埃伦费斯特的《力学的统计方法概念之基础》一文后,力邀他来莱顿大学当自己的接班人,埃伦费斯特接受了邀请,来到了莱顿。为了掌握普朗克1900年将能量子引入物理学的全部意义,他整整奋斗了10年,他是最先试图厘清这些含蓄假说的人之一,也是最早领悟到其中包含了重大问题的人之一。埃伦费斯特证明对一个谐振子来说,唯一可以量子化的变量是能量与频率之比E/v。当足够缓慢也就是"浸渐"地改变决定频率的那些参数,只有E/v不变。1916年,埃伦费斯特用更为简洁明确的语言对"浸渐"假设作出了清晰的表达:参量的浸渐变化将某些允许的路径变换成另一些允许的路径,这样就有可能从一个已知系统的量子化推导出另一些系统的量子化。在埃伦费斯特的"浸渐"假说的帮助下,玻尔于1918年得到了对应原理的量子论。1914年,埃伦费斯特在研究普朗克关于辐射中的熵的早期论文中,发现了辐射能量单元在组合分配时的一个因子的错误,他用自己独特的方案给出了透彻明确的思路,从而导致得到正确的容易理解的组合公式。1933年,埃伦费斯特根据有关超导体和液氮中比热不连续的现象,首次提出热力学中二级相变的概念,并得到了在二级平衡相变中,系统的压强随温度变化的公式,这个公式后来被称为"埃伦费斯特方程"。

物理史话之物理学的评价者埃伦费斯特

埃伦费斯特定理

埃伦费斯特还是一个成功的教育者,他在莱顿大学第一年就开设了数学物理微分方程课程,他在课程中尽可能使数学的演算简化,让学生能够深入理解数学、物理的观点。同样是一代教育大师的索末菲就非常喜欢埃伦费斯特的课。

随着理论物理学的迅猛发展,埃伦费斯特也和其他一些理论物理学家们一样无法完全接受最新的思想。尽管他的学生们都一致认为他是一个难得的学识渊博而又循循善诱的老师,但他自己却从未摆脱对自己要求过于严格所导致的自卑心理。1933年,纳粹上台,身为犹太人的埃伦费斯特面对严峻和恶劣的政治气候,开始变得非常消沉。当年的9月,埃伦费斯特在安排好他的其他子女后,开枪射杀了他的患有唐氏综合症的小儿子,然后自杀了。享年53岁。


分享到:


相關文章: