Вселенная погибнет от холода. 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.

Сложно недооценить влияние Больцмана как на физику своего времени, так и на современную науку. Вся статистическая физика, прямо или опосредованно, основывается на его работе. Несмотря на то что не ему принадлежит сам термин, именно он был основателем этой дисциплины, поскольку открыл методы, которые используются и поныне. В отличие от других непонятых гениев, Больцман обладал большим авторитетом при жизни. Например, его часто приглашали во дворец императора Австро-Венгрии Франца Иосифа, так что можно представить, насколько он был прославлен. Аудитории на его лекциях заполнялись до отказа, где бы ни выступал Больцман, послушать ученого приезжали молодые люди со всего мира. Влияние Больцмана было общепризнано в Англии, он даже получил степень почетного доктора в Оксфордском университете. Также он тесно общался с другими значительными фигурами того времени, такими как Джеймс Клерк Максвелл и Герман фон Гельмгольц. Некоторые его ученики стали нобелевскими лауреатами, среди которых следует отметить шведского ученого Сванте Аррениуса, получившего премию по химии.

По тому, каким Больцман был преподавателем, можно представить, насколько он повлиял на будущее науки. Он всегда следил за последними достижениями в области физики и математики и передавал эту информацию своим ученикам страстно и скрупулезно. Он яро защищал неевклидовы геометрии, развитые Лобачевским, Бойяи и Риманом в первой половине столетия, которые оказались ключевыми для Альберта Эйнштейна в разработке общей теории относительности. Он также успешно трудился над тем, чтобы идеи Максвелла прижились в континентальной Европе.

С другой стороны, Больцман являлся большим поклонником Чарльза Дарвина, до такой степени, что даже называл XIX век «веком Дарвина». Отчасти его почитание объясняется тем фактом, что англичанину удалось сделать широкомасштабные выводы, исследуя столь незначимую область, как разведение голубей. Больцман взял за основу похожую модель, переходя от малого к большому с помощью логических рассуждений. На основе атомной теории и теории вероятностей ему удалось вывести свойства газов; он смог доказать, что таинственная величина под названием «энтропия» есть всего лишь мера молекулярного беспорядка тела, которая увеличивается всегда в связи с тем, что беспорядочные сочетания — это также наиболее вероятные сочетания. Так то, что казалось загадкой, превратилось почти в тавтологию.

Закон о возрастании энтропии, или «второе начало термодинамики», мог применяться не только к двигателям, в связи с которыми он был сформулирован. Вскоре научное сообщество осознало, что закон предсказывает ужасающий сценарий гибели Вселенной, получивший название «тепловой смерти». Энтропия космоса, приводились аргументы, может только возрастать, пока не дойдет до максимума, когда будет невозможно производить какую-либо полезную работу. В это мгновение Вселенная перестанет существовать.

Статистическое объяснение энтропии пролило свет на столь безрадостную картину. Поскольку второе начало — всего лишь статистическая истина, едва наступит состояние тепловой смерти, возникнут флуктуации, которые вызовут увеличение энтропии. Эти флуктуации в целом будут маленькими, но по истечении времени станут достаточно большими для того, чтобы позволить возникнуть другой упорядоченной вселенной. Так наименьшее перейдет в наибольшее, дав некоторую надежду будущему космоса.

Другая область, в которой работа Больцмана произвела революцию, связана с изучением так называемой «стрелы времени», направления от прошлого к будущему. Законы, известные в ту пору, основанные на механике Ньютона, не могли прояснить ситуацию, поскольку давали одинаковые прогнозы независимо от того, движется время назад или вперед. Второе начало термодинамики истолковало это явление так: будущее — область, в которой энтропия увеличивается, процесс идет в одном-единственном направлении, поскольку, как было сказано, это отражает тенденцию системы занимать самые вероятные состояния.