Людвиг Больцман
Людвиг Больцман (полное имя Людвиг Эдуард) (1844-1906) — австрийский физик, один из величайших физиков-теоретиков конца 19 — начала 20 века, и один из основателей статистической физики и физической кинетики, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1899). Вывел функцию распределения, названную его именем, и основное кинетическое уравнение газов. Дал статистическое обоснование второго начала термодинамики в 1872 году. Вывел один из законов теплового излучения (закон Стефана — Больцмана).
Людвиг Больцман родился 20 февраля 1844, Вена, Австрия. Скончался 5 сентября 1906, Дуино, близ Триеста, Австро-Венгрия, ныне Италия).
Семья и образование
Деду Людвига, переселившемуся из Германии в Австрию, принадлежала часовая фабрика, и поэтому семья была состоятельной. Отец Людвига был акцизным чиновником. По роду его службы семья переехала сначала из Вены в Вельс, а затем в Линц, где Людвиг поступил в школу. Пятнадцати лет он потерял отца.
По воспоминаниям современников, родители, особенно мать, оказали на Людвига огромное благотворное воспитательное воздействие.
Людвиг учился прекрасно, был прилежен, аккуратен и (по собственным его воспоминаниям) имел тот недостаток, что был несколько избыточно честолюбив и даже склонен к карьеризму. Но это мнение следует отнести к исключительной самокритичности Больцмана, одному из проявлений высочайшего уровня его моральных принципов.
Уже в детские годы обнаружилась трепетная любовь Людвига к природе, его увлечение музыкой и поэзией. Он говорил впоследствии, что Шиллер оказал на него решающее влияние. После окончания школы его обучение продолжилось в Венском университете. В числе его учителей нужно, в первую очередь, назвать Йозефа Стефана, с которым его впоследствии связала большая дружба.
Научная карьера Людвига Больцмана
В 1866 Л. Больцман защитил диссертацию и получил ученую степень, а через год он стал приват-доцентом. В течение двух лет он был ассистентом Стефана, включившись в исследования теплового излучения: итогом этих работ явился впоследствии известный закон Стефана-Больцмана.
Закон Стефана-Больцмана — закон излучения, устанавливает зависимость полной (по всем частотам излучения) испускательной способности абсолютно черного тела от абсолютной температуры T: u = T4. Открыт Й. Стефаном (1879), теоретически обоснован Л. Больцманом (1884).
В 1868 двадцатичетырехлетний Больцман получил должность профессора математической физики в Граце. Последующие два года принесли Больцману много ярких впечатлений. Он познакомился с рядом крупнейших немецких ученых того времени, общался в Гейдельберге с Робертом Бунзеном, потом — с Густавом Кирхгофом и Германом Гельмгольцем в Берлине.
Видимо, в Германии Больцману понравилось не все. Берлин раздражал его своей прусской чопорностью и строгостью. Он писал друзьям: «Взгляд, обращенный Гельмгольцем, дал мне понять, что учащемуся не пристало веселье и юмор».
Людвиг Больцман — преподаватель
В 1869-76 Л. Больцман много времени посвящал преподаванию в Венском университете, читал лекции по «механической теории теплоты», по теории упругости, по акустике и капиллярности. Позже к этому добавились дифференциальное и интегральное исчисление, математический анализ, теория чисел, аналитическая геометрия. Потом — теория газов, гидродинамика, электричество, магнетизм, а в последние годы еще курс «Избранные главы из натурфилософии».
Уже этот перечень показывает, насколько широк был охват педагогической работы.
По воспоминаниям учеников Больцмана, лектором он был превосходным. К студентам относился со всем известной симпатией, был счастлив, если мог оказать услугу. Когда будущий известный теоретик, тогда еще студент, Пауль Эренфест, сделал доклад об одной из работ Больцмана, тот воскликнул: «Если бы я сам так хорошо знал свои работы!»
Обычно на лекции Людвиг Больцман пользовался тремя досками, сначала выписывая на одной из них те основные формулы, которые были выведены на предыдущем занятии, а затем и новые, так что к концу лекции весь материал был на глазах у студентов.
После Вены Больцман перешел в Грац профессором на кафедру экспериментальной физики (1869-73). Зaслуживший всемирную известность как теоретик, Больцман был и весьма талантливым и увлеченным экспериментатором («вряд ли имеющим себе равного» — были и такие мнения), но, конечно, теория была на первом плане.
В 1890 Людвигу Больцману предложили кафедру теоретической физики в Мюнхене. Там он проработал около четырех лет, а в 1894, после кончины Стефана, стал его преемником на кафедре теоретической физики в Венском университете, где он и проработал до дня своей трагической кончины. Перерыв в этой работе был в 1901-1902, когда Больцман читал лекции в университете в Лейпциге. Для чтения же отдельных лекций и небольших курсов его многократно приглашали в университеты ряда стран мира, среди которых были и университеты Америки (он побывал там трижды и потом с большим юмором описал свои впечатления в небольшой книжке «Путешествие одного немецкого профессора в Эльдорадо»).
Больцман как личность
Академии наук многих стран, в том числе и России, избрали его своим членом, ему было присвоено почетное звание доктора наук Оксфордского университета, Людвиг Больцман был награжден многими орденами. Но душой и сердцем он всегда оставался предан своей родной Австрии, особенно Грацу. Он горячо любил природу (даже приобрел домик в горной деревне и — к некоторому изумлению соседей — самолично привел туда на веревке корову).
Вообще, рассказывая о Больцмане, часто приходится повторять: «любил». Он был жизнерадостным, очень любил детей, они с женой (он женился на студентке математического факультета Генриетте фон Айгентлер) устраивали для них праздники, и отец организовывал на них танцы. Говорил: «То, чем я стал, я обязан Шиллеру», любил музыку, преклонялся перед Волфгангом Моцартом и Людвигом Бетховеном, устраивал дома музыкальные вечера и сам играл на рояле, любил своих учеников и преподавание, любил путешествовать, был общителен и остроумен. И, конечно, главной его любовью была наука.
Основные научные достижения Людвига Больцмана
Основной темой научных исследований Больцмана была молекулярно-кинетическая теория. Наибольшие достижения связаны с работами по кинетической теории газов и статистическому обоснованию термодинамики.
Кинетическая теория газов - объясняет неравновесные свойства газов (явления переноса энергии, массы, импульса) на основе законов движения и взаимодействия молекул.
Конечно, эта проблематика появилась в физике и до Больцмана. Так, Джеймс Клерк Максвелл еще в 1859 установил закон распределения молекул по скоростям, а в 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики. Больцман был одним из немногих, вполне осознавших значение работ Максвелла. Он обобщил закон распределения скоростей молекул газов на газы, находящиеся во внешнем силовом поле, и установил формулу Больцмана распределения (1868-71).
Больцмана распределение (Максвелла — Больцмана распределение) — равновесное распределение частиц идеального газа по энергиям (E) во внешнем силовом поле (например, в поле тяготения); определяется функцией распределения f ~ e-E/kT, где E — сумма кинетической и потенциальной энергий частицы, T — абсолютная температура, k — постоянная Больцмана; является обобщением Л. Больцманом (1868-71) максвелловского распределения частиц по скоростям.
Применяя статистические методы к кинетической теории идеальных газов, Больцман вывел кинетическое уравнение газов.
Кинетическое уравнение:
1) в статистической физике — уравнение для одночастичной функции распределения системы многих частиц (дающей среднее число частиц с определенными значениями импульсов и координат), описывающее эволюцию системы во времени. Кинетическое уравнение для газа было впервые предложено в 1872 Л. Больцманом и носит его имя.
2) В кинетике химической — математическое выражение, устанавливающее зависимость скорости химической реакции от концентраций веществ в реагирующей системе.
Главнейшей заслугой Людвига Больцмана является исследование необратимых процессов и статистическая трактовка второго начала термодинамики. В 1872 Больцман ввел понятие H-функции, характеризующее состояние замкнутой макроскопической системы, и доказал, что с течением времени H-функция не может возрастать ( H-теорема). Отождествив H-функцию с энтропией S (с обратным знаком), Больцман связал энтропию с W — термодинамической вероятностью: S= klnW.
Это соотношение дало статистическое обоснование второму началу термодинамики и является основой статистической физики. Универсальная постоянная kв честь ученого называется Больцмана постоянной. Приведенное уравнение выгравировано на памятнике Больцману в Вене.
Больцмана постоянная — физическая постоянная k, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA: k = R/NA = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени Л. Больцмана.
Людвиг Больцман был верным последователем и приверженцем идей Максвелла и в области электромагнитной теории. Ему принадлежат первые экспериментальные работы по проверке достоверности выводов максвелловской теории электромагнитного поля. Он провел измерения диэлектрической проницаемости газов и твердых тел и установил ее связь с оптическим показателем преломления. Эти результаты были изложены в «Лекциях о максвелловской теории электричества и света» (1891-93). (Преклонение Больцмана перед гением Максвелла было безгранично. Об его уравнениях он писал: «Не божество ли начертало эти законы?…»).
Больцману принадлежат труды по изучению поляризации диэлектриков, теории термоэлектричества, диамагнетизма и др. Больцман, в частности, разработал теорию эффекта Холла.
Эффекта Холла — возникновение в проводнике с током плотностью j, помещенном в магнитное поле H__j, электрического поля (поля Холла), направленного перпендикулярно H и j, напряженность которого Eх = RjH, где R — постоянная Холла, зависящая главным образом от знака и концентрации носителей заряда. Холла эффект используется главным образом для исследования свойств твердых тел и в измерительной технике.
Людвиг Больцман внесен существеннейший вклад в теорию флуктуаций, предложен принципиально новый подход к теории необратимых процессов, впервые применены принципы термодинамики к описанию электромагнитного излучения, теоретически выведено выражение для давления света. Хендрик Антон Лоренц, один из крупнейших физиков-теоретиков, которого по справедливости называют отцом электронной теории, назвал работу Больцмана о зависимости теплового излучения от температуры «настоящей жемчужиной теоретической физики».
Интересы Больцмана охватывали почти все области физики и частично математики.
Последние годы Людвига Эдуарда Больцмана
Работы Больцмана внесли важнейший вклад в объяснения наблюдаемых явлений на базе представлений о молекулярном строении тел. Но росло не только число сторонников этих представлений, но и ожесточение их оппонентов. В числе последних нужно прежде всего назвать Вильгельма Фридриха Оствальда и Эрнста Маха, яростных научных противников как Больцмана (который, однако, считал их своими личными друзьями), так и вообще самого представления о существовании молекул, которому они противопоставляли базировавшуюся на беспочвенных философских идеях концепцию «энергетизма». И тот, и другой к концу жизни отошли от своих прежних агрессивно-антинаучных позиций, но, к сожалению, Больцман уже не мог узнать этого.
Последние годы жизни Больцмана были, возможно, самыми продуктивными, но в то же время самыми для него тяжелыми. Он признавался, что "…последние, самые серьезные работы, как ему кажется, вообще никем не поняты…». Угнетаемый напором врагов атомистики (их доводы типа «а кто-нибудь эти атомы видел?» представляются теперь в лучшем случае убогими и смешными).
Людвиг Больцман все чаще впадал в депрессию и покончил с собой, так и не узнав, что еще в 1828 английский ботаник Роберт Броун открыл явление, которое можно назвать первым экспериментальным подтверждением реалистичности молекулярно-кинетических представлений.