自然科學論文選讀
實際上,牛頓的著作中也隱含著重要的統計思想,雖然在牛頓生活的18世紀沒有人注意到這一點。任何物理學測量都不是完全精確的,所以在考慮機器或其他動力學系統的時候,我們應當期望的實際上并不是在給定完全精確(這永遠也不可能辦到)的初始位置和初始動量的條件下所得到的結果,而只是在這些初始狀態以所能達到的精確度給出之后所得到的結果。這只是表明,我們并不完全知道初始狀態,而只知道它們的某些分布。也就是說,實用物理學不能不考慮事件的不確定性和偶然性。吉布斯的功勞在于,他最早指出了研究這種偶然性的一種明確的科學方法。
研究科學史的人,如果只看一條發展線索,那是徒勞無益的。吉布斯的工作雖然想法很好,但做得很差。因此他所開創的工作還有待其他人來完成。他的研究是建立在這樣的直觀基礎上的,即一般來說,如果有某一類物理系統能持續地保持它的特點不變,那么幾乎在任何情況下,其中每一個物理系統最終都會重復實現這類物理系統在任意給定時刻所具有的分布。也就是說,在一定的場合下,經過足夠長的時間,一個系統就會遍歷能量與其相一致的位置和動量的所有分布。
但是,最后這個結論既是錯誤的,又是不可能的,除非是毫無意義的系統。不過支持吉布斯的假說,還有另一條途徑。巴黎有人非常成功地開辟了這條途徑,而那時吉布斯還在紐黑文進行研究, 這真是個歷史的諷刺。直到1920年,巴黎和紐黑文兩方面的工作才富有成果地結合起來;在幫助這種結合取得第一個成效的過程中,我也有幸地作出了我的一部分貢獻。
吉布斯當時不得不研究測度論和概率論。雖然這些理論至少已有25年的歷史,但完全不能滿足他的需要。與此同時,巴黎的波雷爾和勒貝格正在研究積分理論,后來證明這種積分理論和吉布斯的想法是相符合的。波雷爾是一位已經在概率論方面負有盛名的數學家,并且在物理學方面有出色的理解力。他開創了測度理論的研究,但是沒有達到完備的地步。這一地步是他的學生勒貝格——一個性格完全不同的人——完成的。勒貝格對物理學既無理解力,又無興趣。可是勒貝格解決了波雷爾所提出的問題,他認為這個問題只不過是研究傅立葉級數和其他純粹數學分支的一種工具。當他們二人都被提名為法國科學院院士候選人時,他們之間發生了爭吵。經過多次互相辱罵之后,他們才一起獲得了這一榮譽。波雷爾堅持認為,勒貝格和他自己的工作是物理學的重要工具,而我相信,是我在1920年第一個把勒貝格積分用到一個專門的物理學問題即布朗運動問題的。
這些都是在吉布斯死后很久發生的事情。20年來,他的工作一直是一個科學之謎,看上去似乎毫無用處,但實際上卻是可行的。很多人的直覺遠遠超越了他們的時代,在數學物理方面也確實如此。當吉布斯把概率引進物理學的時候,他所需要的概率理論還遠未出現。不過,盡管有這種種不足的情況,我還是認為,應當把20世紀物理學的第一次大革命首先歸功于吉布斯,而不是歸功于愛因斯坦、海森堡或普朗克。
這次革命的結果,使得今天的物理學已不再處理那些必然發生的事情,而是處理那些最可能發生的事情了。最初吉布斯本人的工作,是把偶然性觀點疊加在牛頓體系上的,他只研究服從全部牛頓定律的那些系統的概率。吉布斯的理論實質上是新的,但其相應的一些考慮同牛頓卻是一樣的。在這以后,物理學中就破除了或者修改了牛頓體系的嚴格基礎,而吉布斯的偶然性就極其明顯地成了物理學的全部基礎。誠然,不少著作中還在繼續進行這場爭論,愛因斯坦和德•布羅意(在某些方面)仍然堅持,一個嚴格的決定論世界要比一個偶然性的世界更能被人們接受,但是這些大科學家在同占壓倒優勢的年輕一代的斗爭中只能勉強守住陣腳了。