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

• Название: Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия.
• Автор: Eduardo Perez
• Жанр: Физика

Людвиг Больцман - одна из главных фигур в современной физике. Развив активную деятельность в Вене конца XIX века, он произвел революцию в изучении материи, включив в него вероятность, и всеми силами отстаивал существование атомов в то время, когда многие философы и даже влиятельные ученые отрицали его. Несмотря на то что обновленное ученым понятие энтропии и основывающееся на нем начало термодинамики заложили основы квантовой и релятивистской революции в последующем веке, категоричные взгляды Больцмана не всегда встречали поддержку коллег, и это непонимание, возможно, было причиной его трагического самоубийства.

---

В то время как в химии важность атомизма возрастала, в физике атомы все еще были объектом подозрения. Большинство известных явлений могли быть объяснены без обращения к атомной теории, которая, хотя и позволяла делать некоторые прогнозы (в частности, о поведении газов), проигрывала от отсутствия единой формулировки. Возможно, Клаузиус снова оказался тем, кто подготовил почву для Больцмана, взяв атомную теорию за основу для развития собственной модели газов. Модель Клаузиуса была очень подробной и включала в себя разные режимы движения молекул, в том числе вращения и колебания. Атомы Клаузиуса (а позже и атомы Максвелла и Больцмана) не возникали из метафизической позиции, а были лишь инструментом решения научной проблемы, значимость которой определялась ее прогнозами и результатами экспериментов. Итак, Клаузиус не делал каких-либо окончательных заявлений о природе атомов и ограничивался тем, что считал их частицами малого размера, которые приводят к наблюдаемому поведению в макроскопическом масштабе.

Теперь у нас есть все необходимые данные, чтобы понять тот мир, в котором сформировался Больцман. С одной стороны, тогда происходило становление науки термодинамики: открытие закона сохранения энергии, обнаружение соответствия между теплом и работой, выведение второго начала, касающегося энтропии, значение которого было прояснено и пересмотрено самим Больцманом. С другой стороны, шло развитие атомной теории, вылившееся в достижения органической химии и первые попытки построить теорию газов, в которой работа Клаузиуса стала первым опытом в этой области.

Есть еще третий столп, на котором базируется исследование Больцмана: случай. Однако к нему физик пришел не через науку, а на основании личного опыта. У Больцмана было типичное по тем временам детство в обеспеченной семье, с домашним учителем и уроками фортепиано. Несмотря на то что мир вокруг казался охваченным вихрем войн и революций, его жизнь протекала спокойно, в нее не проникала жестокость, царившая снаружи. Все изменилось со смертью его отца, которого унес туберкулез и который был очень близок Больцману. Пятнадцатилетний Людвиг не был готов к подобному удару. Вся смута реального мира внезапно постучала в его дверь. Эмоциональная и материальная стабильность детства мгновенно рухнула. Как сила, которая движет миром и властвует над судьбами людей, явился случай. За смертью отца четырьмя годами позже последовала смерть брата Альберта.

Несчастья отрочества Больцмана осложнялись его склонностью к перепадам настроения, что сегодня мы можем приписать маниакально-депрессивному синдрому. С ранней юности он с удивительной легкостью переходил от эйфории к депрессии, по поводу чего сам шутил, что должен был родиться в ночь с веселого праздника Марди Гра на Пепельную среду. Как бы то ни было, состояния души Больцмана резко колебались, и их было сложно предсказать.

После смерти отца семья переехала из Линца в Вену. Теперь нельзя было рассчитывать на отцовское жалованье, и богатое приданое матери ушло на покрытие расходов по учебе Людвига. И хотя это означало заложить свое будущее, Катарина не сомневалась и поставила всё на блестящий ум своего первенца.

ГЛАВА 2 Тепло атомов

Обучение Больцмана на факультете физики было головокружительным преддверием его последующей карьеры. Первые статьи, опубликованные до получения докторской степени, были полностью посвящены теме, которой он занимался всю оставшуюся жизнь: выведению законов тепла на основе атомной гипотезы. В 1872 году, уже будучи профессором, он получил свой первый великий научный результат, доказав второе начало термодинамики, используя только принципы механики.

Жизнь Больцмана можно рассматривать как хаотический маятник, этот образ применим и к его изменчивым состояниям духа, и к его судьбе, которая могла вести его от огромного профессионального успеха к упадку продолжительностью в несколько месяцев. В 1859-м скончался его отец, а в 1863-м Больцман снова пережил горе в связи со смертью брата. Однако череда несчастий внезапно закончилась в том же году, и началась эпоха счастья, которая длилась больше двух десятилетий. В течение первого, в 1872 году, ученый опубликовал одну из самых важных статей в своей карьере под названием "Новые исследования о тепловом равновесии в молекулах газа", в которой ему удалось наконец-то доказать, что второе начало термодинамики есть неизбежное следствие из атомной теории. До этого он уже опубликовал другие менее крупные, но значимые работы; одну, под названием "Механический смысл второго принципа термодинамики", в 1866 году, и вторую, "Исследования о равновесии энергии между подвижными материальными точками", в 1868 году.

1863 год начался с переезда семьи Больцманов из Линца, где Людвиг ходил в школу, в Вену. Все ради того, чтобы юноша мог изучать физику в престижном университете столицы, где, как выяснилось позже, находился один из самых динамичных в мире центров этой дисциплины.

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ НА УЛИЦЕ ЭРДБЕРГ

В то время дисциплину, которую желал изучать Больцман, преподавали в Институте физики, расположенном на улице Эрдберг. Это было маленькое скромно оборудованное помещение, через которое прошла значительная часть великих австрийских физиков того времени. Центр был основан в 1849 году Кристианом Доплером (1803-1853), ученым, известным описанием эффекта, носящего его имя, который сегодня используется для вычисления скоростей как далеких галактик, так и автомобилей на шоссе. Доплер был директором, пока его не сменил Андреас фон Эттингсгаузен (1796-1893), несколькими годами позже передавший должность Йозефу Стефану (1835-1893), будущему наставнику Больцмана.

Институт на улице Эрдберг был кипучим центром. Физики, которые работали там, компенсировали отсутствие средств энтузиазмом и творчеством, подстегиваемые рьяным желанием понять этот мир. Напыщенность и формальности уступили место хорошему настроению и открытым отношениям; научный поиск считался приоритетным, а все остальное — незначительным. Больцман идеально вписался в эту динамичную атмосферу института благодаря Стефану, который быстро признал талант нового студента и поддержал его развитие. Этап на улице Эрдберг остался в памяти Больцмана как что-то вроде золотого века в сравнении с остальной его жизнью. В своей надгробной речи на похоронах Стефана он говорил о знаменитом центре следующими словами:

"Так, институт, располагавшийся тогда на улице Эрдберг, стал доказательством того, что значительные достижения возможны и в скромных помещениях. Действительно, всю мою жизнь Эрдберг был для меня символом серьезной и находчивой экспериментальной деятельности. Когда мне удалось вдохнуть немного жизни в Институт физики в Граце, я называл его "маленьким Эрдбергом*. Он был не таким уж и маленьким, потому что в два раза превосходил Эрдберг времен Стефана, но мне все еще не удалось насадить там дух Эрдберга".

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

Эффект Доплера был впервые предложен в 1842 году Кристианом Доплером, который использовал его для объяснения особенного света, испускаемого бинарными звездными системами. Он утверждал, что на частоту волны (света или звука) влияет движение источника относительно приемника. Пример эффекта Доплера — машина "скорой помощи", которая приближается к наблюдателю, а затем удаляется: звук сирены внезапно кажется глуше. Объяснение этого явления проясняется, если посмотреть на прилагаемый рисунок: волны сжимаются перед с источником и становятся более разреженными позади него. Это происходит потому, что, двигаясь вперед, излучатель преследует свои собственные волны и "убегает" от распространяющихся назад. В случае со звуком более сжатые волны соответствуют более высокому звуку; в случае со светом они соответствуют цвету, приближающемуся к синему. Эффект Доплера, примененный к галактикам, привел к открытию расширения Вселенной.

-------------------конец врезки-----------

Фигура, которая передает дух Эрдберга как никто, — это Йозеф Лошмидт (1821 -1895), принятый в институт Стефаном и вскоре ставший большим другом как директора, так и Больцмана. Он был воплощением рассеянного ученого, для которого поиск знания оставался единственной достойной целью. Прочая светская суета, от политики до кулинарии, были лишь развлечениями, которые уводили его в сторону от преследования истины.

В некрологе насмерть Лошмидта Больцман вспоминал, как однажды он пришел к нему и с гордостью продемонстрировал прерыватель Фуко, который ему удалось почистить. Лошмидт внимательно осмотрел его и сказал, что не видит никаких изменений. "Но я же убрал всю грязь!" — возмутился Больцман, и Лошмидт ответил: "Я стараюсь от этого абстрагироваться", что показывает, каким человеком он был.