Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия. - Eduardo Perez

Удача, которая сопутствовала ему с момента поступления в Венский университет в 1863 году, продолжала улыбаться и после получения права на преподавание. Его слава распространялась с момента публикации статьи 1868 года, кроме того, его поддерживал Стефан. В 1869 году освободилась кафедра математической физики в Грацском университете, очень престижном в ту пору. Кафедру экспериментальной физики тогда занимал Август Теплер (1836-1912), который был знаком с работой Больцмана и высоко ее оценивал. Несмотря на то что имелись два других кандидата на должность, шансы которых сперва были выше, чем у Больцмана, благодаря давлению Стефана и Теплера кафедру в итоге получил он.

В Граце Больцман оправдал надежды. Он сдружился с Теллером, физиком-экспериментатором, энтузиазм которого в науке соответствовал его собственному. Они оба работали в новом здании (Больцман позже называл его "маленьким Эрдбергом") и даже совместно подписывали статьи. Это был один из самых плодотворных периодов Людвига.

Университет был доволен его отдачей и поддержал ученого значительной прибавкой к жалованью и постоянными разрешениями на посещение других исследовательских центров. Больцману они пошли на пользу. В 1871-м он съездил в Гейдельберг, где познакомился с Густавом Кирхгофом (1824-1887) и Робертом Бунзеном (1811-1899); позже он отправился в Берлин, где подружился с Германом фон Гельмгольцем (1821-1894), которого потом долгие годы считал единственным, кто его понимал.

В Гейдельберге он произвел большое впечатление. Математик Лео Кёнигсбергер (1837-1921), один из преподавателей университета, в автобиографии рассказывает, что Больцман, присутствовавший на одном из его семинаров, с удивительной легкостью решил задачу, когда никто другой не мог найти ее решение. Кёнигсбергер поговорил с Больцманом и предложил ему навестить Кирхгофа, который тогда считался одним из главных интеллектуалов Германии, поскольку был убежден, что эти двое хорошо поладят. Больцман не заставил себя упрашивать, запросто предстал перед Кирхгофом и, едва увидев его, выпалил, что обнаружил ошибку в одной из его статей. Немец рассердился, но был вынужден признать, что Больцман прав, и это стало началом многолетней дружбы.

Через год он нанес визит Гельмгольцу в Берлине и нашел в нем того, кто не только был способен понять его математические выкладки, но и исследователя, с кем он мог обсудить их как с равным. Больцман, всегда любивший научные споры, ощутил огромное удовлетворение от этой "находки". Однако Гельмгольц был чрезвычайно холодным и закрытым человеком, с которым Больцман никогда не чувствовал себя абсолютно комфортно, не мог вести себя с ним естественно, считая поведение немцев слишком натянутым. Некоторые биографы объясняют холодностью Гельмгольца отказ Больцмана от кафедры математики в Берлинском университете, что произошло спустя несколько лет. Этот эпизод поверг австрийца в глубокую депрессию, от которой он так и не оправился.

Сравнивая поведение немцев с тем, к чему он привык в Эрдберге, Больцман комментировал: "Я тогда не догадывался, что мне как ученику не следовало выбирать (...) такой тон. Когда в ходе своего последующего визита в Берлин я неосмотрительно воспользовался им в первый же день, одного взгляда Гельмгольца было достаточно, чтобы мне это стало ясно".

Густав Кирхгоф был одним из великих ученых того времени и совместно со своим коллегой Бунзеном изобрел спектрографию. Эта технология нацелена на то, чтобы разделить свет, исходящий от какого-то вещества, и определить полосы различных цветов, характерных для каждого элемента. Рождение спектрографии не только позволило определить большое число неизвестных до этого элементов, но и обеспечило базу астрофизике, поскольку стало возможным разложить свет звезд, чтобы выяснить, из каких элементов они состоят. Кирхгоф также известен тем, что обобщил закон Ома, позволяющий вычислить силу тока в цепи, если известны сопротивление и напряжение. Роберт Бунзен (1811-1899), в свою очередь, прославился как изобретатель "горелки Бунзена", часто используемой в лабораториях из-за ее очень горячего пламени.

Спектроскоп, разработанный Кирхгофом совместно с Бунзеном, гравюра 1895 года.

Поездки в Германию стали очередным стимулом в и без того активной деятельности Больцмана. Он часто посещал вечеринки и вел разгульный образ жизни, что может себе позволить только юноша, у которого все впереди. Не одну бессонную ночь он провел не за научной работой, а распивая пиво в огромных количествах. Больцман жил полной жизнью, возможно, зная, что скоро начнется его самая главная работа. Она обрела форму в 1872 году и имела загадочное название "Новые исследования о тепловом равновесии молекул газов". Больцман наконец-то достиг цели, которая ускользала от него с 1866 года, он доказал второе начало термодинамики на основе принципов механики. Статья принесла ему международную научную славу и ознаменовала рождение статистической физики.

В работе 1872 года содержались два больших новшества: с одной стороны, то, что сегодня называют "уравнением Больцмана", описывающим поведение газа в абсолютно разнообразных ситуациях; с другой стороны, его первое доказательство того, что второе начало есть следствие из атомной теории и вероятности, сегодня это известно как "Н-теорема".

Множественные случайные воздействия порождают нулевую силу.

Статья начиналась с ярой защиты кинетической теории, что сопровождалось ясным изложением ее постулатов. До этого объяснялось, что газ представляет собой огромное множество молекул, движущихся во всех направлениях, охватывая огромный диапазон скоростей, которые обычно очень высоки. Причина того, что человек не падает под ударами молекул, состоит в том, что их воздействие на его тело взаимно уничтожается, порождая нулевую силу. Когда средняя скорость не равна нулю, а направлена в определенную сторону, говорят, что "дует ветер". Однако скорость ветра всегда намного меньше, чем скорость любой отдельной молекулы газа. Больцман объяснял это следующим образом:

"Тот факт, что мы можем [...] наблюдать окончательно определенные законы в теплых телах, обязан тому обстоятельству, что самые случайные события, происходящие в одной и той же пропорции, дают одно и то же среднее значение. [...] Молекулы тела так многочисленны и движение их настолько быстрое, что мы можем воспринимать только их средние значения".

Больцман исходил из классической модели кинетической теории и вновь воспользовался предложенной Максвеллом идеей о функции распределения. Она давала вероятность того, что случайно выбранная молекула будет находиться в определенном диапазоне скоростей. Более детальный анализ понятия функции распределения не только поможет лучше понять статью Больцмана, но и даст представление о том, какими инструментами пользуются физики при подходе к проблеме, которая вначале кажется непригодной. Больцман оперировал двумя упрощающими гипотезами, которые можно обобщить так.

1. Газ однороден в пространстве.

2. Скорости в каждом направлении равновероятны.

Понять мотивацию этих двух гипотез нам поможет объяснение этапов, которые должен преодолеть физик при вычислении функции распределения. Сначала нужно выяснить, от каких переменных она зависит, то есть какие факторы влияют на вероятность того, что молекула будет двигаться с определенной скоростью? Одна возможность — положение внутри газа. Однако если газ однородный (с одинаковой плотностью и давлением везде), то в этом немного смысла. Молекулы в правом нижнем углу будут двигаться в среднем точно так же, как и молекулы в левом верхнем углу. Если бы дело обстояло не так, можно было заметить турбулентности газа, и, следовательно, он бы не был однородным. Это соотносится с первой гипотезой: если газ однороден в пространстве, то функция распределения не зависит от положения.

Так Больцман (и до этого Максвелл) пришел к выводу, что функция распределения может зависеть только от скорости. Однако чтобы выразить скорость частицы, обычно нужно три числа, по одному для каждого направления, что усложняет вычисления. Больцману понадобилась другая упрощающая гипотеза: предположить, что скорости не зависят от направления; то есть что скорость 20 м/с равновероятно направлена влево так же, как и вверх. Отсюда следовало, что функция распределения может зависеть только от величины скорости, а не от ее направления, что обосновывалось второй гипотезой.

Было и третье предположение, которое в научной литературе обычно обозначают как Stofizahlansatz, или "молекулярный хаос", понятие, оказавшееся ключевым в последующей полемике с Лошмидтом о парадоксе обратимости. Здесь скрывается предрассудок об оси времени, который привел к тому, что Больцман получил в результате второе начало.