Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия.

1863 год начался с переезда семьи Больцманов из Линца, где Людвиг ходил в школу, в Вену. Все ради того, чтобы юноша мог изучать физику в престижном университете столицы, где, как выяснилось позже, находился один из самых динамичных в мире центров этой дисциплины.

В то время дисциплину, которую желал изучать Больцман, преподавали в Институте физики, расположенном на улице Эрдберг. Это было маленькое скромно оборудованное помещение, через которое прошла значительная часть великих австрийских физиков того времени. Центр был основан в 1849 году Кристианом Доплером (1803-1853), ученым, известным описанием эффекта, носящего его имя, который сегодня используется для вычисления скоростей как далеких галактик, так и автомобилей на шоссе. Доплер был директором, пока его не сменил Андреас фон Эттингсгаузен (1796-1893), несколькими годами позже передавший должность Йозефу Стефану (1835-1893), будущему наставнику Больцмана.

Институт на улице Эрдберг был кипучим центром. Физики, которые работали там, компенсировали отсутствие средств энтузиазмом и творчеством, подстегиваемые рьяным желанием понять этот мир. Напыщенность и формальности уступили место хорошему настроению и открытым отношениям; научный поиск считался приоритетным, а все остальное — незначительным. Больцман идеально вписался в эту динамичную атмосферу института благодаря Стефану, который быстро признал талант нового студента и поддержал его развитие. Этап на улице Эрдберг остался в памяти Больцмана как что-то вроде золотого века в сравнении с остальной его жизнью. В своей надгробной речи на похоронах Стефана он говорил о знаменитом центре следующими словами:

"Так, институт, располагавшийся тогда на улице Эрдберг, стал доказательством того, что значительные достижения возможны и в скромных помещениях. Действительно, всю мою жизнь Эрдберг был для меня символом серьезной и находчивой экспериментальной деятельности. Когда мне удалось вдохнуть немного жизни в Институт физики в Граце, я называл его "маленьким Эрдбергом*. Он был не таким уж и маленьким, потому что в два раза превосходил Эрдберг времен Стефана, но мне все еще не удалось насадить там дух Эрдберга".

Эффект Доплера был впервые предложен в 1842 году Кристианом Доплером, который использовал его для объяснения особенного света, испускаемого бинарными звездными системами. Он утверждал, что на частоту волны (света или звука) влияет движение источника относительно приемника. Пример эффекта Доплера — машина "скорой помощи", которая приближается к наблюдателю, а затем удаляется: звук сирены внезапно кажется глуше. Объяснение этого явления проясняется, если посмотреть на прилагаемый рисунок: волны сжимаются перед с источником и становятся более разреженными позади него. Это происходит потому, что, двигаясь вперед, излучатель преследует свои собственные волны и "убегает" от распространяющихся назад. В случае со звуком более сжатые волны соответствуют более высокому звуку; в случае со светом они соответствуют цвету, приближающемуся к синему. Эффект Доплера, примененный к галактикам, привел к открытию расширения Вселенной.

-------------------конец врезки-----------

Фигура, которая передает дух Эрдберга как никто, — это Йозеф Лошмидт (1821 -1895), принятый в институт Стефаном и вскоре ставший большим другом как директора, так и Больцмана. Он был воплощением рассеянного ученого, для которого поиск знания оставался единственной достойной целью. Прочая светская суета, от политики до кулинарии, были лишь развлечениями, которые уводили его в сторону от преследования истины.

В некрологе насмерть Лошмидта Больцман вспоминал, как однажды он пришел к нему и с гордостью продемонстрировал прерыватель Фуко, который ему удалось почистить. Лошмидт внимательно осмотрел его и сказал, что не видит никаких изменений. "Но я же убрал всю грязь!" — возмутился Больцман, и Лошмидт ответил: "Я стараюсь от этого абстрагироваться", что показывает, каким человеком он был.

Оставлять в стороне второстепенное так же важно, как и придерживаться главного.

Йозеф Лошмидт

Лошмидт не только был дорогим другом Больцмана, но и сыграл ключевую роль в укреплении атомной теории. Как выдающийся химик он предложил молекулярные структуры для сотен веществ; некоторые авторы утверждают, что он предсказал циклическую форму бензола до Августа Кекуле (1829- 1896). Лошмидт также сформулировал один из двух парадоксов, с которыми пришлось бороться Больцману, парадокс обратимости сегодня все еще вызывает полемику среди ученых.

Другим человеком, оказавшим большое влияние на Больцмана, был Йозеф Стефан: не только потому что был его наставником в Эрдберге, но и потому что познакомил с работами британских ученых (в частности, Максвелла), которые Больцман затем расширил и получил статистическую формулировку термодинамики. Стефан, значимый физик-теоретик, занимался разнообразными темами, от электромагнетизма до термодинамики; также он был успешным экспериментатором, до такой степени, что изобрел инструмент, диатермометр, в свое время имевший некоторую популярность и использовавшийся для измерения способности газа к теплопередаче. Однако открытие, благодаря которому он известен сегодня,— закон излучения черного тела (излучения, которое испускает абсолютно черное тело); один из столпов, на которые опирался Макс Планк, чтобы дать стартовый сигнал квантовой механике. Закон Стефана был доказан Больцманом благодаря его особому подходу к статистическим проблемам.

О Стефане и Лошмидте (и об особенностях работы Эрдберга в целом) Больцман говорил следующее:

"В чем они полностью совпадали, так это в отсутствии претензий, простоте и скромности. Они никогда не стремились демонстрировать свое духовное превосходство. Хотя я провел с ними много лет, сначала как студент, а затем как ассистент, я никогда не слышал других слов, кроме тех, что говорятся друзьями. Олимпийское спокойствие и утонченный юмор, которые превращали самую ярую дискуссию в забавную игру, произвели на меня такое впечатление, что в какой-то степени стали частью моего образа жизни".

В 1864 году Больцман получил грант. На следующий год он опубликовал свою первую статью, подсказанную Стефаном и Лошмидтом, озаглавленную "Движение электричества в кррвых поверхностях". Однако первая значимая публикация появилась в 1866 году под заголовком "Механический смысл второго принципа термодинамики".

Первая статья Больцмана считается незначительной работой, но она имеет определенную важность: с одной стороны, в ней обозначена тема, к которой физик обращался снова и снова в 1870-е годы и которой посвящены его весомые публикации, связанные с механической интерпретацией второго начала; с другой стороны, Больцман обращался к кинетической теории газов как к обоснованию того, что было определяющим для всех последующих его работ. Прежде чем говорить о стратегии Больцмана, нужно кратко проанализировать понятия энтропии и кинетической теории.

Вспомним, что второе начало получило свою окончательную формулировку за год до этого, благодаря Клаузиусу, высказавшему мнение, что "энтропия Вселенной стремится к максимуму". Понятие энтропии было не очень понятным, и, действительно, пришлось ждать статьи Больцмана 1877 года, чтобы получить очевидное объяснение этому явлению. До той поры в распоряжении ученых была только последовательность верных догадок и несколько смутных определений. Единственное, что не вызывало сомнений, — это математическое выражение величины, обозначенное как пропорция между теплом и температурой. Было известно, что энтропия постоянна в цикле Карно, то есть в процессе, в котором участвовала идеализированная паровая машина, в которой пар нагревался, приводил в движение поршень и снова охлаждался. Также было известно, что поскольку машина Карно идеальна, ее нельзя сконструировать, и, следовательно, в любом реальном процессе энтропия должна возрастать.