БОЛЬЦМАН ЛЮДВИГ (1844 г. – 1906 г.)

БОЛЬЦМАН ЛЮДВИГ

(1844 г. – 1906 г.)

Людвиг Больцман – выходец из хорошо обеспеченной семьи, его дед, иммигрант из Германии, владел в Австрии часовой фирмой, а отец был налоговым чиновником. Родился Людвиг 20 февраля 1844 года в Вене. Но вскоре семья переехала сначала в Вельс, а затем в Линц. В Линце мальчик получил начальное и среднее образование. Затем Людвиг поступил в Венский университет, который закончил в 1866 году. И в школе, и в университете Людвиг зарекомендовал себя как прилежный, аккуратный и талантливый юноша. Правда, сам Больцман вспоминал, что был избыточно честолюбив, и его поведением во многом руководили соображения карьеристского характера, однако надо сказать, что подобные наблюдения встречаются исключительно в его воспоминаниях. Возможно, знаменитый ученый просто очень самокритично относился к себе и особенностям своего характера.

Неудивительно, что особенно впечатляющими были успехи юноши в физике и математике. Но ему не были чужды и другие интересы. Людвиг любил природу, музыку, хорошо играл на рояле, был большим любителем поэзии. Одним из университетских преподавателей Людвига был Йозеф Стефан – выдающийся ученый, основатель австрийской физической школы. Знаменитый преподаватель оказал большое влияние на научное мировоззрение Больцмана. Впоследствии ученых объединяла дружба и сотрудничество.

После окончания университета Больцман сменил немало мест работы. Описания его карьеры просто пестрят датами, названиями городов, кафедр. Защитив диссертацию и получив научную степень, Людвиг остался в Венском университете на должности ассистента Стефана. Вместе учитель и ученик занимались исследованиями теплового излучения. В 1867 году Больцман получил должность приват-доцента, а еще через год место профессора математической физики в Граце. Работая в Граце, Больцман посещал Германию (Гейдельберг и Берлин), где на него произвело большое впечатление знакомство со знаменитыми учеными Бунзеном, Кирхгофом, Гельмгольцем. В 1873 году молодой ученый вернулся в Вену, где возглавил кафедру математики. 1876 год – опять Грац и должность профессора экспериментальной физики. В 1889–1894 годах ученый возглавлял кафедру теоретической физики в Мюнхенском университете. После смерти Стефана (в 1893 году) Больцман получил предложение занять освободившуюся кафедру теоретической физики в Вене. Успел Людвиг поработать и в Лейпциге (1900–1902 годы), но затем вновь вернулся в Вену.

Многочисленные переезды были связаны отнюдь не только с тем, что ученый приобретал все большую известность и получал все более заманчивые предложения. Очень часто научные взгляды Больцмана расходились с взглядами его коллег. Учитывая принципиальность и непримиримость, с которой ученый отстаивал свои воззрения, не удивительно, что часто его взаимоотношения с другими преподавателями становились, по меньшей мере, натянутыми. Так в 1900 году он покинул Венский университет из-за нежелания работать с Эрнстом Махом, который возглавил кафедру истории и теории индуктивных наук. Мах, основатель эмпириокритицизма[95], в частности, не признавал атомизма. В Лейпциге же Больцман не смог сотрудничать с Вильгельмом Оствальдом, который разделял те же идеи. Поэтому после того, как Мах по болезни оставил кафедру, Больцман вернулся в Вену. Все это удивительно, если учесть, что Людвиг с большим уважением относился лично к Маху и был дружен с Оствальдом. Здесь, наверное, уместным будет вспомнить легендарные слова, приписываемые Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Больцман был прекрасным преподавателем, его лекции пользовались большой популярностью. Он всегда с вниманием относился к студентам и был рад их достижениям не меньше, чем собственным. Когда имя Больцмана стало всемирно известным, он стал получать множество просьб о чтении лекций от учебных заведений из разных стран. Только в Америке ученый побывал трижды. Свои заметки об этих поездках он опубликовал в книге (очень, кстати, легкой по стилю и манере изложения) «Путешествие одного немецкого профессора в Эльдорадо».

Научная деятельность Людвига Больцмана охватывала чрезвычайно широкий круг проблем. Ему принадлежат работы по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике, кинетической теории газов. Со времени обучения в университете Больцман был убежденным последователем теории Максвелла, например, об уравнениях Максвелла он отзывался, цитируя «Фауста»: «Не Богом ли начертаны эти знаки?» Работая в 1867–1871 годах над развитием идей Максвелла, Больцман обобщил распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла) и вывел распределение, названное в его честь. Формула распределения Больцмана, распределения частиц идеального газа по энергиям во внешнем силовом поле, стала важным обобщением статистической физики.

А в 1872 году Людвиг Больцман совершил открытие, которое часто называют его главным научным достижением. Вслед за Максвеллом он стал всесторонне использовать статистические методы в физике. Считается, что к открытию статистической интерпретации второго закона термодинамики (закона неубывания энтропии в замкнутой системе)[96] Больцмана подтолкнул мыслительный эксперимент с «демоном Максвелла».

В 1872 году Больцман ввел так называемую Н-функцию, характеризующую состояние замкнутой макроскопической системы. Следующим шагом он доказал, что функция эта не может возрастать (Н-теорема). Для случая идеального газа Больцман показал, что Н-функция и энтропия S обратно пропорциональны, и вывел формулу, в которой связал энтропию с термодинамической вероятностью W: S = kln W, где k – постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной к числу Авогадро.

Это соотношение получило название принцип Больцмана. Словами его можно выразить следующим образом: термодинамическая система стремится перейти из менее вероятных состояний в более вероятные (при которых W и S максимальны).

Принцип Больцмана лег в основу статистической физики. Используя его, Макс Планк вывел свой закон излучения. Также на принципе Больцмана основана и современная теория информации. О важности открытия Больцмана говорит хотя бы тот факт, что формула S = kln W выгравирована на памятнике ученому в Вене. Опубликованный в 1896–1898 годах курс «Лекции по теории газов» Больцмана стал фундаментальным трудом по статистической физике.

Принесло свои плоды и сотрудничество ученого с его учителем и другом Стефаном. Еще одним важным достижением Людвига Больцмана стало теоретическое обоснование закона излучения абсолютно черного тела, эмпирически открытого Стефаном в 1879 году. Согласно ему, общая энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Для того чтобы теоретически обосновать это утверждение, Больцман блестяще соединил термодинамику и теорию электромагнитного поля Максвелла. Известный немецкий физик Макс фон Лауэ (нобелевский лауреат 1914 года) назвал этот закон «ожерельем теоретической физики». Сейчас он носит название закона Стефана – Больцмана.

Будучи, как мы уже говорили, убежденным последователем Максвелла, Больцман провел немало исследований, целью которых было подтверждение его теории электромагнитного поля. Например, он произвел измерения диэлектрической проницаемости различных веществ и установил, что она связана с показателем преломления света. Эти результаты стали одним из первых подтверждений теории света Максвелла. Результаты своих исследований и теоретические выводы Больцман изложил в «Лекциях о максвелловской теории света» (1891–1893). Много внимания австрийский ученый также уделял и изучению термоэлектричества, диамагнетизма (свойства вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению поля), в частности, разработал теорию эффекта Холла[97].

Что же касается личных качеств Людвига Больцмана, то знакомые и друзья описывали его как веселого, общительного и жизнерадостного человека. Он в 1876 году женился на студентке математического факультета Генриетте фон Айгентлер, очень любил жену и детей, постоянно устраивал у себя в доме праздники, музыкальные и танцевальные вечера. Неподалеку от Граца ученый, который очень любил природу, приобрел домик в горах и даже завел корову.

Но в последние годы жизни здоровье ученого сильно ухудшилось. Зрение так ослабло, что он уже не мог самостоятельно читать и был вынужден нанять секретаршу, читавшую ему вслух. Многие рукописи под диктовку Больцмана писала его жена. По ночам его преследовали мучительные приступы астмы и стенокардии, днем – головная боль. Кроме того, ученый очень тяжело воспринимал непонимание и неприятие его идей многими коллегами. Из-за этого или из-за проблем со здоровьем, а скорее всего, по обеим причинам, у Больцмана все чаще и чаще случались тяжелые приступы депрессии. Говорят, что он очень боялся из-за болезней потерять свой творческий потенциал, возможность успешно заниматься наукой. В 1901 году, возможно, выведенный из состояния душевного равновесия очередной полемикой с Оствальдом, Больцман попытался покончить с собой, правда, неудачно. А в конце лета 1906 года ученый с семьей поехал на отдых в небольшой курортный городок Дуино близ Триеста. 5 сентября 1906 года, во время очередного приступа депрессии, Людвиг Больцман повесился.