Людвиг Больцман

Людвиг Эдвард Больцман — 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). Людвиг Больцман, без сомнения, был величайшим ученым и мыслителем, которого дала миру Австрия.

Еще при жизни Больцман, несмотря на положение изгоя в научных кругах, был признан великим ученым, его приглашали читать лекции во многие страны. И, тем не менее, некоторые его идеи остаются загадкой даже в наше время. Сам Больцман писал о себе: «Идеей, заполняющей мой разум и деятельность, является развитие теории». А Макс Лауэ позднее эту мысль уточнит так: «Его идеал заключался в том, чтобы соединить все физические теории в единой картине мира».

Людвиг Эдуард Больцман родился в Вене 20 февраля 1844 года, как раз в ночь с последнего дня масленицы на среду, с которой начинался великий пост. Больцман обычно в шутку говорил, что из-за даты своего рождения он и получил характер, которому присущи резкие переходы от ликования к скорби. Отец его, Людвиг Георг Больцман, работал в Имперском министерстве финансов.

Он умер от туберкулеза, когда Людвигу было всего пятнадцать лет. Людвиг Больцман учился блестяще, а мать поощряла его разнообразные интересы, дав ему всестороннее воспитание Так, в Линце Больцман брал уроки игры на фортепиано у знаменитого композитора Антона Брукнера. Всю жизнь он любил музыку и часто устраивал в своем доме с друзьями домашние концерты. В 1863 году Больцман поступил в Венский университет, где изучал математику и физику.

Тогда максвелловская электродинамика представляла собой новейшее достижение теоретической физики. Не удивительно, что и первая статья Людвига была посвящена электродинамике. Однако уже во второй своей работе, опубликованной в 1866 году в статье «О механическом значении второго начала термодинамики», где он показал, что температура соответствует средней кинетической энергии молекул газа, определились научные интересы Больцмана.

Осенью 1866 года, за два месяца до получения докторской степени, Больцман был принят в Институт физики на должность профессораассистента. В 1868 году Больцману было присвоено право чтения лекций в университетах, а годом позже он стал ординарным профессором математической физики в университете в Граце.

В этот период он помимо разработки своих теоретических идей занимался и экспериментальными исследованиями связи между диэлектрической постоянной и показателем преломления с целью получить подтверждение максвелловской единой теории электродинамики и оптики.

Для своих экспериментов он дважды брал в университете краткий отпуск, чтобы поработать в лабораториях Бунзена и Кенигсбергера в Гейдельберге и Гельмгольца и Кирхгофа в Берлине. Результаты этих исследований были опубликованы в 1873-1874 годах.

Больцман принимал также активное участие в планировании новой физической лаборатории в Граце, директором которой он позже стал. Это был расцвет научной деятельности Больцмана. Однако ему не хватало широкой аудитории, он чувствовал потребность делиться своими идеями не только со студентами, жадно внимавшими молодому блестящему профессору, но и со своими коллегами-учеными.

А Грац для этого был слишком маленьким городком. Вот почему в 1873 году Людвиг Больцман возвращается в Вену в качестве профессора математики. Незадолго до отъезда он познакомился с будущей женой Генриеттой фон Айгентлер.

Популярность Больцмана в Вене была невероятной. Для его лекций всегда выбирали самые большие аудитории, чаще всего актовые залы. И все равно все желающие попасть не могли. Перед началом лекции служители вносили три черные доски. Самую большую ставили в центре, а две поменьше — по бокам.

И выходил Больцман. Высокого роста, с массивной головой, увенчанной мелко вьющимися каштановыми волосами, широкоскулый, с жесткой, упрямой бородой, с глубоко спрятанными под толстыми круглыми очками глазами — смеющимися и печальными одновременно, он выходил на кафедру, сутулясь и смущаясь своей внешности, своего огромного, вечно красного носа. Он не отвечал на аплодисменты никак.

Стоял к аудитории спиной и ждал, когда в зале наступит тишина. И в этой тишине он с трудом выдавливал из себя ординарные, скучные и обязательные слова: «Итак, в прошлый раз мы остановились…» И пятнадцать минут громким голосом объяснял содержание предыдущей лекции, красивым, четким почерком выписывая на левой доске итоговые формулы. А читал он четырехгодичный курс, охватывающий механику, гидромеханику, учение об упругости, электричество, магнетизм, кинетическую теорию газов и… философию.

Покончив с прошлой лекцией, он возвращался на кафедру, снимал очки и несколько секунд стоял в молчании, склонив голову. И вдруг в мертвой тишине раздавались слова, похожие на молитву: «Простите меня, если, прежде чем приступить к чтению лекций, я буду вас просить кое-что для себя лично, что мне важнее всего, — ваше доверие, ваше расположение вашу любовь, одним словом, самое большое, что вы способны дать, — вас самих…» И начинал читать лекцию. Его имя было окружено легендами.

Да он и сам, своей детской непосредственностью и восторженностью перед самыми прозаическими вещами давал обильную пищу этим анекдотическим легендам. Вдруг однажды весь Грац был взбудоражен невероятной новостью: господин профессор экспериментальной физики лично купил на рынке корову и торжественно за веревку через весь городок провел ее в свою виллу.

Затем, разместив «священное животное» с подобающими почестями, профессор физики направился к профессору зоологии, у которой очень долго консультировался по процессу доения. Или вдруг рано утром зимой весь Грац сходился к катку, на котором Больцман вместе с детьми осваивал катание на коньках. Но самым неизменным увлечением профессора физики была музыка. В Венском театре оперы за Больцманом и его семьей была постоянно закреплена ложа; а дома профессор физики ежедневно устраивал вечера камерной музыки, причем сам неизменно исполнял партию на рояле.

Из работ, выполненных Больцманом в Вене, особого внимания заслуживает статья «О теории упругости при внешних воздействиях» (1874), где он сформулировал теорию линейной вязкоупругости. Он описал это явление с помощью интегральных уравнений, представляющих собой важный вклад в теоретическую реологию. Увы, административная работа, которой в Вене было куда больше, чем в Граце, была для ученого тяжелым грузом.

Его манила кафедра экспериментальной физики в Граце. Здесь он мог бы располагать собственной лабораторией и читать лекции по физике, а не по математике, как в Вене. Бюрократизма в Граце было меньше. Но, кроме того, Больцман собирался жениться. В Вене найти подходящую квартиру было очень трудно, а его будущая жена была из Граца. В 1876 году Больцман занял пост директора Физического института в Граце и оставался на этой должности четырнадцать лет.

Еще в 1871 году Больцман указал, что второй закон термодинамики может быть выведен из классической механики только с помощью теории вероятности. В 1877 году в «Венских сообщениях о физике» появилась знаменитая статья Больцмана о соотношении между энтропией и вероятностью термодинамического состояния.

Ученый показал, что энтропия термодинамического состояния пропорциональна вероятности этого состояния и что вероятности состояний могут быть рассчитаны на основании отношения между численными характеристиками соответствующих этим состояниям распределений молекул. То есть, если достаточно большую систему оставить без внешнего вмешательства на достаточно долгое время, то вероятность того, что мы найдем ее по истечении этого времени в равновесном состоянии, несравненно больше, чем вероятность того, что она будет в каком угодно неравновесном состоянии.

Эта так называемая «аш-теорема» стала вершиной учения Больцмана о мироздании. Формула этого начала была позднее высечена в качестве эпитафии на памятнике над его могилой. Эта формула очень схожа по своей сути с законом естественного отбора Чарльза Дарвина. Только «Аш-теорема» Больцмана показывает, как зарождается и протекает «жизнь» самой Вселенной.

Немецкий физик Р. Клаузиус, давший в 1850 году формулировку второго закона термодинамики, позднее, в 1865 году, введший понятие энтропии, одно время был весьма популярной фигурой. Выводы, сделанные им из второго начала о неизбежности тепловой смерти, были взяты на вооружение не только многими физиками.

Главным образом к ним обратились философы, получившие мощные, казалось, неоспоримые аргументы в пользу идеалистических концепций о начале и конце мира, в том числе и в пользу эмпириокритицизма, учения Э. Маха и «энергетического» учения В. Оствальда. Своей «аш-теоремой» неукротимый Людвиг Больцман заявил: «Тепловая смерть — блеф. Никакого конца света не предвидится.

Вселенная существовала и будет существовать вечно, ибо она состоит не из наших «чувственных представлений», как полагают эмпириокритики, и не из разного рода энергий, как полагают оствальдовцы, а из атомов и молекул, и второе начало термодинамики надо применять не по отношению к какому-то «эфиру», духу или энергетической субстанции, а к конкретным атомам и молекулам».

Вокруг «аш-теоремы» Людвига Больцмана мгновенно разгорелись не меньшие по накалу дискуссии, чем по тепловой смерти. «Аш-теорема» и выдвинутая на ее основе флуктуационная гипотеза были препарированы со всей тщательностью и скрупулезностью и, как и следовало ждать, обнаружили в себе зияющие, непростительные, казалось бы, для такого великого ученого, как Больцман, изъяны.

Оказалось, что если принять за истину гипотезу Больцмана, то надо принять за веру и такое чудовищное, не укладывающееся ни в какие рамки здравого смысла допущение: рано или поздно, а точнее, уже сейчас, где-то во Вселенной должны идти процессы в обратном второму началу направлении, то есть тепло должно переходить от более холодных тел к более горячим! Это ли не абсурд.

Больцман этот «абсурд» отстаивал, он был глубоко убежден, что такой ход развития Вселенной наиболее естественный, ибо он является неизбежным следствием ее атомного строения. Вряд ли «аш-теорема» получила бы такую известность, если бы была выдвинута каким-нибудь другим ученым.

Но ее выдвинул Больцман, умевший не только увидеть за занавесом скрытый от других мир, но умевший защищать его со всей страстью гения, вооруженного фундаментальными знаниями как физики, так и философии. Кульминацией драматических коллизий между физиком-материалистом и махистами, видимо, следует считать съезд естествоиспытателей в Любеке в 1895 году, где Людвиг Больцман своим друзьям-врагам дал генеральное сражение.

Он одержал победу, но в результате после съезда ощутил еще большую пустоту вокруг себя. В 1896 году Больцман написал статью «О неизбежности атомистики в физических науках», где выдвинул математические возражения против оствальдовского энергетизма.

Вплоть до 1910 года само существование атомистики все время оставалось под угрозой. Больцман боролся в одиночку и боялся, что дело всей его жизни окажется в забвении. В предисловии ко второй части своих лекций по теории газов он писал в 1898 году: «По моему мнению, большой трагедией для науки будет, если (подобно тому, как это случилось с волновой теорией света из-за авторитета Ньютона) хотя бы на время теория газов окажется позабытой из-за того враждебного отношения к ней, которое воцарилось в данный момент.

Я сознаю, что сейчас являюсь единственным, кто, хотя и слабо, пытается плыть против течения. И, тем не менее, я могу способствовать тому, чтобы, когда теория газов снова будет возвращена к жизни, не пришлось делать слишком много повторных открытий».

В 1890 году Больцман принял предложение занять кафедру теоретической физики в Мюнхенском университете и мог, наконец, заняться преподаванием своего любимого предмета. В течение того времени, что он преподавал здесь экспериментальную физику, он использовал для иллюстрации теоретических концепций наиболее наглядные механические модели.

Множество студентов со всех концов мира приезжали в Мюнхен, чтобы пройти курс обучения под руководством Больцмана. Единственная слабость его позиции заключалась в том, что баварское правительство в то время не выплачивало пенсии университетским профессорам; между тем у Больцмана все более ухудшалось зрение, и его беспокоило будущее семьи.

Своими блестящими, отнюдь не корректными, как это было принято в те время, выступлениями в научных дискуссиях Больцман быстро при обрел репутацию человека с беспокойным, трудным характером; он не умел быть снисходительным даже к друзьям, когда видел их заблуждения хотя и страдал от своей резкости.

В науке для Больцмана компромиссов не существовало. И если у него отнимали возможность честной борьбы он без сожалений расставался с самыми почетными должностями. Из Мюнхена Больцман возвращается в Венский университет, а через несколько лет переезжает в Лейпциг.

Осенью 1902 года Больцман вернулся Вену. И везде, во всех университетах он вел изматывающую борьбу за материалистическую физику, за атомистику. Это была, особенно в последний период его жизни, по сути дела, борьба ученого-одиночки с крупнейшими физиками того времени, главами самых влиятельных научных школ.

В феврале 1904 года жена писала дочери Иде, которая оставалась в Лейпциге и заканчивала там гимназию: «Отцу все хуже с каждым днем. Я потеряла веру в будущее. Я надеялась, в Вене наша жизнь будет лучше». Здоровье Больцмана страдало от постоянных споров с противниками.

Зрение его ухудшилось до такой степени, что ему трудно стало читать; пришлось нанять сотрудницу, которая читала ему научные статьи; жена готовила его рукописи к печати. Его слабое здоровье не могло в течение долгого времени выдерживать такую огромную преподавательскую нагрузку, которая сочеталась с научной работой. Даже отдых в Дуино, под Триестом, не принес ему облегчения в его мучительном заболевании. Больцман впал в глубокую депрессию и 5 сентября 1906 года покончил жизнь самоубийством.