Больцман Людвиг (20.2.1844, Вена, - 5.9.1906, Дуино, близ Триеста), австрийский физик, один из основоположников статистической физики и физической кинетики. Член Венской АН (1895) и многих академий мира.
В 1866 Больцман окончил Венский университет. В 1867 приват-доцент этого университета. Профессор теоретической физики университета в Граце (1869-73), профессор математики в Венском университете (1873-1876), профессор экспериментальной физики университета в Граце (1876-89). В 1889-94 занимал кафедру теоретической физики в Мюнхене, в 1894-1900 в Вене, в 1900-02 в Лейпциге, а затем снова в Вене.
Научные интересы Больцмана охватывали почти все области физики (и ряд областей математики). Автор работ по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике и кинетической теории газов. Однако наибольшее значение имеют работы по кинетической теории газов и статистическому обоснованию термодинамики.
Применяя статистические методы к кинетической теории идеальных газов, Больцман вывел основное кинетическое уравнение газов, являющееся основой физической кинетики. Важнейшая его заслуга - исследование необратимых процессов и статистическая трактовка второго начала термодинамики.
Больцман был ревностным последователем электромагнитной теории Максвелла. Ему принадлежат первые экспериментальные работы по проверке справедливости выводов максвелловской теории электромагнитного поля. Он провёл измерения диэлектрической проницаемости газов и твёрдых тел и установил её связь с оптическим показателем преломления. Свои взгляды на теорию Максвелла он изложил в «Лекциях о максвелловской теории электричества и света» (1891-93).
В 1884 Больцман теоретически вывел закон излучения абсолютно чёрного тела, ранее установленный Й. Стефаном экспериментально. Эта работа сыграла большую роль в развитии современной теории излучения.
Больцману приходилось вести напряжённую идейную борьбу, чтобы отстоять право молекулярно-атомистической теории на существование; его труды не были приняты рядом его соотечественников. Возможно, это сыграло известную роль в трагическом конце: больной и подавленный, он покончил жизнь самоубийством.
(1844-1906) австрийский физик-теоретик
Людвиг Больцман родился в 1844 году в австрийской столице. Он блестяще закончил гимназию и поступил в Венский университет. Людвиг учился также в университетах Гейдельберга и Берлина. Еще студентом он публикует в Beне две работы: в 1865 году «О движении электричества» и через год «О механическом истолковании второго начала теории тепла».
В 1866 году Людвиг окончил Венский университет и получил здесь место ассистента на физическом факультете. В том же году он вывел закон распределения газовых молекул по скоростям, получивший название статистики Больцмана. Формула равновесного больцмановского распределения легла в основу классической статистической физики. В 1867 году ученый публикует работу «О числе атомов в молекуле газа и внутренней работе в газе», в 1868 году - «Исследования равновесия живых сил движущихся материальных точек». В этих работах Больцмана ясно выразился талант крупного теоретика. В 1869 году двадцатипятилетнего Людвига приглашают на должность профессора теоретической физики в университет города Грац, где уже была создана прекрасная физическая лаборатория, оборудованная всем необходимым как для студенческого практикума, так и для научных исследований. Самыми важными работами Больцмана являются классические исследования по кинетической теории газов и статистическому истолкованию второго начала термодинамики.
В 1872 году он вывел основное кинетическое уравнение газов, которое явилось основой физической кинетики. В этом же году Больцман доказал статистический характер второго начала термодинамики и в Н-теореме привел доказательство этого закона в применении к идеальному газу. Эта теорема явилась основой теории необратимых процессов.
В 1873 году Людвиг Больцман занимает кафедру математики в Венском университете. В 1876 году он вновь возвращается в Грац, где остается до 1889 года. В этот период он выполняет свои важнейшие работы по теории излучения. Больцман впервые применил к излучению принципы термодинамики, что в дальнейшем привело к появлению теории квантов. Еще в 1884 году, используя гипотезу английского физика Джеймса Максвелла о световом давлении, австрийский ученый теоретически вывел закон теплового излучения для интенсивного излучения абсолютно черного тела. Этот закон экспериментально был установлен в 1879 году его университетским учителем, австрийским физиком Иозефом Стефаном, и получил название закона Стефана-Больцмана. В 1884 году Больцман выводит существование давления света.
Ученый был не только физиком-теоретиком, но и замечательным экспериментатором. Будучи убежденным сторонником и пропагандистом электромагнитной теории Максвелла, он стремился продемонстрировать справедливость уравнений Максвелла и их плодотворность для научного исследования. Из экспериментальных работ известны его опыты по определению диэлектрических постоянных газов и кристаллических твердых тел, по термоэлектрическим явлениям, электромагнитным волнам и т. д.
Людвига Больцмана отличали редкостная мягкость, простота, бескорыстие, добросердечие. Он был счастлив тем, что мог оказать кому-либо услугу. Ему были чужды предубеждения, слепое следование предписаниям и традициям как в науке, так и в обыденной жизни. Может быть, поэтому его не всегда понимали окружающие. Он приобрел репутацию человека с беспокойным, неуживчивым характером. Образ человека, забывающего о собственных интересах, был его идеалом. О своих нравственных устоях он говорил следующее: «Величайшее счастье заключается в том, чтобы сделать добро другому человеку так, чтобы он не имел никакой возможности отплатить тем же».
С 1889 по 1894 год Больцман работал профессором в Мюнхене, с 1894 по 1900 год - живет в Вене, откуда уезжает на два года в Лейпциг. В 1902 году Людвиг Больцман возвращается в Вену с намерением больше оттуда не уезжать. Он активно работал в области математики, механики, оптики и т. д. Вместе с этим ученый интересовался и вопросами естествознания.
Научный авторитет Больцмана подтверждало то, что с 1895 года он был членом Австрийской академии наук, а с 1899 года членом-корреспондентом Петербургской Академии наук. Тем не менее его работы не находили полного признания, кинетическая теория газов не принималась, о нем говорили как о физике старой школы. У Больцмана появилась мания преследования и состояние глубокой депрессии. Возможно, это сыграло свою роль в его трагическом конце. 5 сентября 1906 года он покончил жизнь самоубийством.
На постаменте надгробного памятника Больцману высечена выведенная им формула, выражающая статистический смысл второго начала термодинамики, - выражение соотношения между энтропией и вероятностью. В этой надписи - суть его научного подвига. В речи на открытии памятника было сказано, что даже тогда, когда все памятники будут погребены под мусором тысячелетий, короткая простая формула Больцмана сохранит свое величие и силу.
Людвиг Больцман, вне всякого сомнения, является блестящим учёным и достоянием австрийской науки. Однако последние годы его деятельности представляли собой непрерывную борьбу за собственную правоту и достоинство учёного, в этой непростой борьбе присутствовали и победы, и поражения.
Датой рождения Людвига Эдуарда Больцмана считается 20 февраля 1844 года. Родился он ночью, сопровождающейся переходом масленицы в пост. Сам Людвиг шутил - мол, дата его появления на свет повлияла на его характер, и именно поэтому ему присущи резкие перепады настроения.
Его отец - Людвиг Георг Больцман, служил в министерстве финансов, но рано ушёл из жизни. Причиной послужила страшная в то время болезнь - туберкулёз. Сыну исполнилось 15 лет, когда отца не стало. Мальчик с детства отличался стремлением к знаниям, отлично учился и параллельно увлекался музыкой. Известный композитор Антон Брукнер обучал его игре на фортепиано, мало-помалу Людвиг стал устраивать собственные домашние концерты, приглашая в гости друзей и приятелей. С уверенностью можно сказать, что юноша получил хорошее воспитание.
Начиная с 1863 года, он зачислен в Венский университет, в котором обучался математике и физике. За годы учёбы Больцман опубликовал несколько своих статей, посвящённых электродинамике. Талантливого юношу заметили и осенью 1886 года зачислили в Институт физики, не просто как слушателя, а в качестве ассистента профессора. А уже пару месяцев спустя он получил докторскую степень.
Поработав ассистентом, Людвиг набрался опыта общения со студентами и через 2 года получил возможность читать лекции. Ещё через год он стал профессором математики в университете Граца. Всё это время молодой учёный занимается разработкой своих теорий, ставит эксперименты и изучает теорию Максвелла.
Для этого ему даже пришлось брать отпуск в университете, чтобы иметь возможность поработать в лабораториях Гейдельберга, Берлина и Кенигсберга. Итоги экспериментов увидели свет в 1873 и 1874 годах.
Параллельно с научной деятельностью Людвиг занимается планированием новейшей лаборатории в Граце, которую впоследствии и возглавил.
Этот период можно отнести к расцвету научной деятельности австрийского математика. Создаётся впечатление, что ему не хватало размаха и простора для его деятельности. Людвиг хотел не просто обучать студентов, но и горел желанием делиться перспективными идеями с коллегами, такими же учёными, как он сам. Но Грац - небольшой городок, и в нём Больцман, пожалуй, достиг всего, что может дать провинциальный город. По этой причине в 1873 году он вновь приезжает в Вену и занимает должность профессора математики. Перед отъездом он знакомится с Генриеттой фон Айгентлер, которая вскоре стала его супругой.
В столице Австрии Людвиг стал очень популярным, его энтузиазм был оценён по достоинству. На лекциях талантливого профессора всегда было много слушателей, залы были заполнены до отказа, тем не менее не все желающие могли попасть на занятия к молодому учёному.
Как и в детские годы, Больцман продолжал увлекаться музыкой. Всё так же играл по вечерам на рояле и посвящал свои выступления супруге. А в Венском оперном театре за семьёй профессора была закреплена ложа, и он не пропускал ни одного значимого концерта.
Свою работу Людвиг любил и с увлечением занимался научной деятельностью. Большое внимание привлекла его работа «О теории упругости при внешних воздействиях», появившаяся в печати в 1874 году. Автор в данной статье представил теорию линейной вязкоупругости. Основу исследования составляли интегральные уравнения. Революционная работа стала достоянием теоретической реологии.
К сожалению, с переездом в Вену учёный получил значительную нагрузку по ведению документации, ему ежедневно требовалось заполнять большое количество бумаг.
Отчасти, он заскучал. С тоской вспоминал Больцман былые времена - небольшой городок Грац, ставший практически родным и кафедру экспериментальной физики с её хорошо оснащённой лабораторией. Там было намного меньше бюрократизма, да и невеста учёного являлась уроженкой Граца. И тогда австрийский физик снова решился на переезд. В 1886 году он получает должность директора в институте физики в Граце и занимает её на протяжение 14 лет.
Несколькими годами ранее (в 1871-м) Больцман доказал - второй закон термодинамики можно получить из механики лишь опираясь на теорию вероятности. Свои предположения автор представил в заметке, взбудоражившей в 1877 году весь исследовательский мир. Работа «Венские сообщения о физике» стала практически самой известной статьёй автора, показавшей взаимодействие энтропии и термодинамического состояния, а именно - что энтропия термодинамического состояния прямо пропорциональна вероятности этого состояния, и вероятности состояний вычисляются из отношения между числовыми значениями соответствующих данным состояниям распределений молекул.
Процессы перехода в более вероятные состояния из менее вероятных - необратимый природный закон, так считал Больцман. При этом обратимость переходов не абсолютно невозможна, но маловероятна. Посему энтропия имеет связь с вероятностью состояния системы. Больцман сформулировал эту связь в известной Н-теореме, гласящей, что исходная величина (средний логарифм функции распределения) со временем должна изменяться в прямом направлении.
Связав Н-функцию со статистическим весом состояния, учёный показал, что ожидаемым состоянием будет тепловое равновесие, и рассчитал связь энтропии с вероятностью макроскопического состояния. Фактически, H-теорема Больцмана заложила основы представлений о необратимых процессах и теории информации и считается вершиной учения австрийского деятеля об устройстве мира. В определённом смысле она, подобно учению Дарвина, иллюстрирует зарождение и течение жизни физической вселенной. Автор считал, что конец света никогда не настанет, а вселенная существует сама по себе, и она вечна, так как состоит не из энергии, а из молекул и атомов.
Н-теорема вызвала множество споров, её практически «под микроскопом» изучали критики и философы, которые нашли в ней серьёзные несоответствия. Согласно гипотезе Больцмана, во вселенной должны проходить процессы в противоположном второму началу направлении, а значит, тепло обязано перемещаться от холодного тела к более горячему - а это кажется абсурдом.
Людвиг не сдавался и защищал свою теорию как мог. Кульминацией дискуссий стал съезд научных деятелей в Любеке в 1895 году, на котором физик-естествоиспытатель вопреки всему отстоял свою правоту, но потерял после этого всех соратников. В 1896 году он написал работу «О неизбежности атомистики в физических науках» и опроверг оствальдовский энергетизм.
С 1890-го он заведует кафедрой теоретической физики высшей школы Мюнхена и одновременно преподаёт. На лекции по экспериментальной физике приезжали студенты даже из других городов, чтобы послушать рассуждения знаменитого профессора.
А Людвига всё больше беспокоило зрение, которое ухудшалось с каждым месяцем. От этого у него окончательно испортился характер. Больцман не принимал критику и не терпел возражений. Даже в общении с друзьями он позволял себе всё более резкие, обидные высказывания, не идя на компромиссы, и вскоре у него совсем не осталось приятелей. Не лучше обстояло дело и с работой. Из-за всё той же неуступчивости он более не задерживался надолго ни на одном рабочем месте.
Из Мюнхена он снова вернулся в Вену, затем в Лейпциг, а оттуда в 1902 году снова прибыл в столицу Австрии. В 1904 году учёный уже практически не видел, и жена пригласила к нему помощницу, которая перепечатывала для него рукописи и читала вслух газеты и журналы. Любимым делом, которому были отданы годы жизни и здоровье, Больцман заниматься больше не мог и 5 сентября 1906 года покончил с собой.
Трудно сказать, что послужило причиной добровольного ухода из жизни - депрессия, ощущение беспомощности или тот факт, что последнее его открытие не было признано современниками. Но и по сей день Людвиг Больцман считается основоположником молекулярно-кинетической теории и статистической механики. Выведенную им формулу для расчёта энтропии S=k ln W (где энтропия «S» термодинамического состояния увязана с числом соответствующих микросостояний «W», а коэффициент «k», известный как «постоянная Больцмана», равен 1,3806488(13) x 10 в минус двадцать третьей степени Дж К) - как дань памяти и признание заслуг - посетители видят на надгробии учёного.
БОЛЬЦМАН (Boltzmann), Людвиг
Австрийский физик Людвиг Больцман родился в Вене в семье служащего. По окончании гимназии в Линце он поступил в Венский университет, где учился у Й. Стефана и Й. Лошмидта. В 1866 г. Больцман защитил докторскую диссертацию, работал ассистентом у Стефана, затем стал приват-доцентом Венского университета. Профессор теоретической физики университета в Граце (1869–1873), профессор математики в Венском университете (1873–1876), профессор экспериментальной физики университета в Граце (1876–1889). В 1889–1894 гг. занимал кафедру теоретической физики в Мюнхене, в 1894–1900 гг. в Вене, в 1900–1902 гг. в Лейпциге, а затем снова в Вене.
Научные интересы Больцман охватывали почти все области физики (и ряд областей математики). Автор работ по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике и кинетической теории газов. Однако наибольшее значение имеют работы Больцман по кинетической теории газов и статистическому обоснованию термодинамики. В 1886–1872 гг. он провёл важнейшие исследования в области кинетической теории газов, вывел закон распределения молекул газа по скоростям, обобщив распределения Дж. К. Максвелла на случай, когда на газ действуют внешние силы (статистика Больцмана). Формула равновесного больцмановского распределения послужила основой классической статистической физики. В 1872 г., применив статистические методы к кинетической теории газов, вывел основное кинетическое уравнение газов. Установил фундаментальное соотношение между энтропией физической системы и вероятностью её состояния, доказал статистический характер второго начала термодинамики, что указало на несостоятельность гипотезы «тепловой смерти» Вселенной. В том же году доказал так называемую Н-теорему, утверждавшую, что Н-функция, характеризующая состояние замкнутой системы, не может возрастать во времени. Эти исследования Больцмана заложили основу термодинамики необратимых процессов.
Больцман впервые применил законы термодинамики к процессам излучения и в 1884 г. теоретически вывел закон теплового излучения, согласно которому энергия, излучаемая абсолютно чёрным телом, пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры. В 1879 г. этот закон был экспериментально установлен Й. Стефаном и известен теперь как закон Стефана – Больцмана.
Больцман был не только теоретиком, но и экспериментатором. Он провёл первые опыты по проверке справедливости максвелловской теории электромагнетизма, измерил диэлектрические постоянные различных веществ, исследовал поляризацию диэлектриков. Он измерил диэлектрическую проницаемость газов и твёрдых тел и установил её связь с оптическим показателем преломления.
Основные результаты исследований ученого представлены в его фундаментальных лекционных курсах – «Лекции о максвелловской теории электричества и света» (тт. 1–2, 1891–1893); «Лекции по теории газов» (тт. 1–2, 1896–1898); «Лекции о принципах механики» (тт. 1–3, 1897–1920).
Знаете ли Вы,
что такое мысленный эксперимент, gedanken experiment?
Это несуществующая практика, потусторонний опыт, воображение того, чего нет на самом деле. Мысленные эксперименты подобны снам наяву. Они рождают чудовищ. В отличие от физического эксперимента, который является опытной проверкой гипотез, "мысленный эксперимент" фокуснически подменяет экспериментальную проверку желаемыми, не проверенными на практике выводами, манипулируя логикообразными построениями, реально нарушающими саму логику путем использования недоказанных посылок в качестве доказанных, то есть путем подмены. Таким образом, основной задачей заявителей "мысленных экспериментов" является обман слушателя или читателя путем замены настоящего физического эксперимента его "куклой" - фиктивными рассуждениями под честное слово без самой физической проверки.
Заполнение физики воображаемыми, "мысленными экспериментами" привело к возникновению абсурдной сюрреалистической, спутанно-запутанной картины мира. Настоящий исследователь должен отличать такие "фантики" от настоящих ценностей.
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
