Больцман. Термодинамика и энтропия

Eduardo Arroyo Perez Наука. Величайшие теории: выпуск 21: Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия.

Пер. с исп. — М.: Де Агостини, 2015. — 160 с.

Еженедельное издание

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.

ISSN 2409-0069

Иллюстрации предоставлены:

Age Fotostock: 83,92; Album: 110,137b; Archivo RBA: 2lad, 25,28,31,55,70,89,105,106,113ai, 113Ы, 113bd, 137ai; Getty Images: 21Ы, 21bd, 145; Metropolitan Museum, Nueva York: 21ai; NASA: 143; Universidad de California: 128; Universidad de Viena; 137ad;Joan Pejoan.

© Eduardo Arroyo Perez, 2012 (текст)

© RBA Collecionables S.A., 2012

© ООО «Де Агостини», 2014-2015

Введение

Если и есть человек, который как никто олицетворяет понятие случая, то это Людвиг Больцман. Его жизнь состояла из непредвиденной череды удач и невезений, и последние привели его к самоубийству в 1906 году. Он обладал широким международным авторитетом не только в научных кругах, но и в обществе (которое почитало его как ученого), и в то же время на него беспощадно нападало немалое число интеллектуальных соперников. Большой вклад Больцмана заключается в его объяснении основ термодинамики — науки о тепле, описанной терминами механики.

Термодинамика, как и Больцман, родилась в эпоху промышленной революции, когда прогресс, ставший возможным благодаря развитию технологий, наделил ученых статусом публичных людей. Неудивительно, что многим из них был предоставлен дворянский титул, как в случае с Уильямом Томсоном, первым бароном Кельвином, или с Бенджамином Томпсоном, известным как граф Румфорд. Больцман отклонил подобную честь, аргументируя свой отказ тем, что эта фамилия служила его родителям и послужит его детям. В данном жесте можно разглядеть характер человека, который не делал различий между социальными рангами и которому никогда не было уютно среди роскоши в высшем обществе.

Однако случай сыграл ключевую роль не только в жизни Больцмана, но и в его работе. Австрийский исследователь был одним из первых, кто применил теорию вероятностей к изучению физики, что вызвало столкновение с другими членами научного сообщества. В этом смысле Больцмана можно считать предтечей квантовой механики, теории, которая возникла спустя некоторое время после его смерти и произвела революцию в естественной науке и философии XX века, когда вероятность заняла центральную позицию в физике. Больцману было комфортно трудиться в этой сфере знаний: вдохновленный его работой Макс Планк создал то, что расценивается как первая статья новой теории.

Работа Больцмана так повлияла на современный мир, что нашла свое отражение даже в массовой культуре. Ученый рассматривал энтропию как меру беспорядка, и этот факт присутствует в любой программе популяризации науки. Понятие энтропии, введенное Рудольфом Клаузиусом, сначала было связано с представлением о «полезной работе»: предполагалось, что энтропия системы (например, двигателя) повышается, когда количество полезной работы, которую система способна произвести, снижается. Клаузиус также доказал, что эта мера будет увеличиваться в замкнутой системе, где нет обмена материей и энергией с внешней средой. Больцман полностью перевернул понятие энтропии, прибегнув к тому, что тогда еще было яблоком раздора — к атомной теории, согласно которой мир состоит из атомов, маленьких неделимых частиц, придающих материи ее свойства. Понятие вероятности тесно связано с этой теорией: из-за малого размера атомов и их огромного числа единственный способ понять совокупность этих частиц — сделать вывод на основе статистического анализа их поведения. Именно так и поступил Больцман, он решил, что газы образованы движущимися атомами и, воспользовавшись инструментами теории вероятностей, вывел макроскопические свойства тела — температуру и энтропию.