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

Сферой, в которой ему, как ученому и как философу науки, пришлось бороться наиболее усердно, стала защита атомной теории. Несмотря на успех ее методов, в конце XIX века возникло течение под названием «энергетика» (идеологом которого был Эрнст Мах, ярый соперник Больцмана в области философии), утверждающее, что вся физика может быть объяснена с позиции взаимодействия энергии. Энергетики отрицали существование атомов и считали последователей атомной теории старомодными, обвиняли их в том, что те держатся за устаревшие идеи. Больцман как никто страдал от нападок Маха, что сказалось на его депрессивной личности и, согласно многим историкам, подтолкнуло к самоубийству.

Больцман даже не сомневался в существовании атомов. Это не слепая вера, как думали его соперники, а строгая приверженность учению о научном методе: теория с наибольшей объяснительной силой — именно та, которая должна быть принята. Он настаивал, что атомная теория одерживает верх над энергетической гипотезой, которая неспособна объяснить даже движение материальной точки.

Взгляды Больцмана получили подтверждение в начале XX века, когда ряд экспериментов доказал: материя, несомненно, состоит из атомов. К сожалению, победа пришла слишком поздно. В 1906 году Больцман повесился у себя дома на летнем отдыхе в Дуино, в Италии. Хотя причин самоубийства может быть много и, скорее всего, они мало связаны с атомной теорией, но коллективное воображение представило это как акт разочарования ученого, работа всей жизни которого оказалась под угрозой.

Хотя жизнь Больцмана прервалась в тот роковой год, его влияние только начиналось и распространилось на весь XX век. Невозможно представить современную науку без его вклада, помогшего осветить квантовую механику и теорию относительности — две теории, в значительной степени определившие наше видение космоса, на которых основывается практически вся современная технология.

1844 20 февраля в Вене появляется на свет Людвиг Эдуард Больцман. Вскоре семья переезжает в Вельс, затем в Линц.

1859 Умирает его отец.

1883 Сдает вступительный экзамен в Венский университет, его мать переезжает в столицу, чтобы помогать сыну, обучающемуся физике. Умирает его брат Альберт.

1887 Получает должность приват-доцента, за год до этого — степень доктора.

1889 Назначается профессором математической физики в Грацском университете.

1872 Публикует уравнение, носящее его имя, и дает математическое обоснование распределения Максвелла, которое получает название распределения Максвелла — Больцмана. Доказывает, что второе начало термодинамики — следствие из атомной теории и теории вероятностей, что позже станет известно как Н-теорема.

1873 Принимает кафедру математики Венского университета.

1878 Заключает брак с Генриеттой фон Айгентлер и возвращается в Грац; у супругов будет пятеро детей.

1877 Публикует статью о парадоксе обратимости, а также еще одну работу, в которой анализирует связь между энтропией и теорией вероятностей. Выводит формулу 5 - k logW, которую потом выгравируют на его могиле.

1878 Назначается деканом Грацского университета, а через три года ректором.

1884 Публикует вывод закона Стефана — Больцмана. Через год умирает его мать.

1888 Сначала принимает кафедру, которую ему предлагают в Берлинском университете, а затем отказывается от нее. Первые признаки маниакально-депрессивного расстройства.

1889 Умирают его сын Людвиг Хуго и его сестра Хедвиг.

1890 Принимает кафедру теоретической физики в Мюнхенском университете.

1894 Занимает кафедру Йозефа Стефана в Венском университете.

1895 Больцман и Оствальд участвуют в публичных дебатах в Любеке на тему энергетического и атомного течений.

1897 Отвечает на возражения против его статистического подхода ко второму началу термодинамики, опубликованные годом ранее Цермело.

1900 Читает курс теоретической физики в Лейпцигском университете. Через два года возвращается в Вену, а в 1903 году начинает вести курс по философии.

1905 Третья, последняя, поездка в США.

1906 5 сентября кончает жизнь самоубийством, находясь на отдыхе в Дуино, Италия.

ГЛАВА 1

Рождение термодинамики

Паровая машина изменила мир еще до того, как был понят механизм ее работы. В середине XIX века необходимость строить более эффективные машины привела к развитию теории двигателей, которая, в свою очередь, породила новую науку, термодинамику. Вскоре та миновала изначальную цель и превратилась в науку о тепле — единственную способную объяснить, почему время движется от прошлого к будущему.

Людвиг Больцман был ученым, придавшим ей ее нынешнюю выразительность.

Людвиг Эдуард Больцман родился 20 февраля 1844 года в Вене, за четыре года до того, как всю Европу накрыла волна революций. Однако детство будущего ученого прошло в защищенной обстановке, во многом благодаря состоятельности семьи его матери, Катарины Пауэрнфайнд. Фамилию этой семьи до сих пор носит улица в Зальцбурге, где прадед и дед Больцмана были бургомистрами. Его отец, Людвиг Георг Больцман, был сборщиком налогов и в итоге получил должность главного инспектора Имперской налоговой службы в городе Линце. Дед со стороны отца родился в Берлине, затем переехал в Вену и был часовщиком. У Больцмана имелись младший брат и сестра: Альберт (1845-1863) и Хедвиг( 1848-1890). Брат умер еще в молодости от респираторного заболевания, сестра большую часть жизни провела в одном доме с Людвигом, даже после того как тот женился.

Как и другие великие ученые, ребенком Больцман подавал надежды. Он всегда был первым в классе, с ранней юности выказывая большой интерес и способности к физике и математике, но не ограничиваясь ими. Он подробно изучал философию и историю и на всю жизнь сохранил страсть к ботанике и зоологии, а также к музыке. У него часто случались пылкие философские споры с братом, который смеялся над его стремлением давать строгое определение каждому слову. Сам Больцман вспоминал следующую историю. Услышав о Дэвиде Юме (1711-1776), он попросил в библиотеке одну из его книг, но там был только экземпляр на английском языке. «Это неважно,— съязвил брат. — Если все слова хорошо определены, у него не возникнет проблем с пониманием книги». Отец купил словарь, который не только позволил мальчику перевести Юма, но и стал ключевым в его научном развитии, поскольку затем помог понять статьи Джеймса Клерка Максвелла (1831 -1879), его непосредственного интеллектуального предшественника.

Маленький Людвиг провел детство в Вене, Линце и Вельсе (города в Верхней Австрии) из-за работы своего отца. Поначалу он не ходил в школу, и дома его воспитывал наставник. Он также брал уроки фортепиано у уже известного композитора Антона Брукнера (1824-1896). Однако эти уроки резко закончились, когда учитель случайно оставил мокрый пиджак на кровати — мать Больцмана в мгновение ока его уволила. Будущий ученый несмотря ни на что никогда не переставал играть на пианино, и это увлечение доставило ему много удовольствия в жизни. Он сам комментировал свою интерпретацию серенады Шуберта после ужина в доме магната Уильяма Рэндольфа Херста (1863-1951), на который был приглашен в 1905 году в ходе своей последней поездки в США.

В то время как Людвиг наслаждался занятиями музыкой, мир переживал чреду потрясений. В 1848 году в Лондоне был издан «Манифест коммунистической партии», написанный Карлом Марксом (1818-1883) и Фридрихом Энгельсом (1820-1895), в котором они изложили свой взгляд на историю и борьбу рабочего класса. Но это был не единственный социальный фактор, который беспокоил Европу после Реставрации, пришедшей на смену наполеоновским войнам: на всем континенте закипало неприятие абсолютизма, вылившееся в волну народных революций. В Австрии они имели национальный характер и были связаны с попытками некоторых провинций (польских, итальянских и венгерских среди прочих) отколоться от империи. Для революционеров результат был плачевным: Австро-Венгрия воспользовалась отсутствием связи между повстанцами, столкнула их друг с другом и быстро подавила остальных. Однако мятежи вынудили императора Фердинанда I отказаться от престола в пользу эрцгерцога Франца Иосифа, а также повлияли на отставку премьер-министра Меттерниха. В социальном плане это привело к отмене крепостной зависимости крестьян.

Политические встряски шли бок о бок с изменениями в обществе, вызванными промышленной революцией, которая устремилась вперед под влиянием научно-технического прогресса. В индустриальном климате новые технологии радикально изменили социальную структуру: возник новый класс работников, рабочий класс, города стали разрастаться, а деревни приходить в запустение. Заводы пожирали уголь и производили деньги с колоссальной скоростью.