Лудвиг Болцман

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Лудвиг Едуард Болцман
Boltzmann2.jpg
Роден 20 февруари 1844
Виена, Австрийска империя
Починал 5 септември 1906
Дуино до Триест (Трст), Австрийска империя
Местожителство Австрия, Германия
Националност австриец
Професия физик
Работил в Университет на Грац
Виенски университет
Мюнхенски университет
Лайпцигски университет
Алма матер Виенски университет
Научен ръководител Йозеф Стефан
Известни студенти Паул Еренфест
Известен с Константа на Болцман
Уравнение на Болцман
Разпределение на Болцман
Закон на Стефан-Болцман
Подпис Лудвиг Едуард Болцман

Лудвиг Болцман (20 февруари 1844 – 5 септември 1906) е австрийски физик, смятан за основоположник на статистическата механика. Той е и един от видните поддръжници на атомната теория, от времето, когато тази теория не е била широко приета от съвременниците му.

Биография[редактиране | edit source]

Детство и Образование[редактиране | edit source]

Болцман е роден във Виена. Градът по това време бил столица на Австрийската империя. Семейството на баща му идва от Берлин, където дядо му е имал фабрика за часовници. Майка му, Катарина Пауернфейнд, била родена в Залцбург. Лудвиг Болцман получил начално образование при частен учител в дома на родителите си. Той се записал в гимназията в Линц, Горна Австрия. На 15 годишна възраст баща му починал.

Болцман записал физика в Университета във Виена (1863). Негови професори били Лошмид, Йозеф Стефан. Той получава докторска степен през 1866 под ръководството на Стефан. Дисертацията му била върху кинетичната теория на газовете. През 1867 той бил избран за доцент след като работил още две години като асистент на Стефан, който го запознал с работите на Джеймс Максуел.

Научна кариера[редактиране | edit source]

През 1869 на 25 годишна възраст, благодарение на препоръката на Стефан,[1] Болцман бил избран за професор по математическа физика в Университета в Грац. През 1869 година той прекарал няколко месеца в Хайделберг работейки с Роберт Бунзен and Лео Кьонигсбергер, а през 1871 в Берлин с Густав Кирхоф и Херман Хелмхолц. През 1873 година Болцман се преместил във Виенския университет като професор по математика и останал там до 1876.

Лудвиг Болцман с колеги в Грац, 1887. (стоящи от ляво) Нернст, Стейнтц, Арениус, Хейке, (седящи от ляво) Аулингер, Етингшаузен, Болцман, Клеменчич, Хаузманингер

През 1872, много преди момичетата да бъдат допуснати в австрийските университети Болцман срещнал Хенриете фон Айгентлер, амбициозна учителка по математика и физика в Грац. Тя не можела да посещава лекциите дори като слушател. Болцман я посъветвал да изпрати официална молба, която била удовлетворена. На 17 юли 1876 Лудвих Болцман и Хенриета се оженили. Те имали три дъщери и двама сина. Болцман се върнал в Грац за да заеме катедрата по Експериментална физика. Негови студенти в Грац били Сванте Арениус and Валтер Нернст.[2][3] Той прекарал 14 щастливи години в Грац. Тук той развил своята статистическа концепция за природата. През 1885 Болцман бил избран за член на Кралската Австрийска Академия на Науките, през 1887 бил Ректор на Университета в Грац, а през 1888 година станал член на Кралската Шведска Академия на Науките.

Болцман бил избран за ръководител на катедрата по теоретична физика в Университета в Мюнхен (Бавария) и заминал за Германия през 1890 г. През 1893 година той заел местото на своя учител Йозеф Стефан като професор по теоретична физика във Виенския университет.

Последни години[редактиране | edit source]

Болцман положил много усилия през последните години от живота си за да докаже стоите теории. Той срещнал остра съпротива сред своите колеги във Виена особено след като Ернст Мах, който не вярвал в реалното съществуване на атомите, станал професор по философия и история на науката през 1895 година. През същата година Георг Хелм и Вилхелм Оствалд представили своето виждане, че енергията а не материята е водещ компонент във вселената. Започналият дебат върху атомните теории бил трърде неприятен за Болцман.[4] По тази причина през 1900 година той се преместил в Университета в Лайпциг по покана на Вилхелм Оствалд. Оствалд предложил на Болцман ръководството на катедрата по физика, която била овакантена поради смърта на Густав Хенрих Видеман. След пенсионирането по болест на Мах Болцман се върнал във Виена през 1902 година.[5] През 1903 година Болцман бил един от инициаторите и основателите на Австрийското математическо дружество. Негови възпитаници са били Карл Пшибрам, Паул Еренфест и Лизе Майтнер.

Във Виена Болцман преподавал не само физика, но и философия. Лекциите му били много популярни и били посещавани от значителен брой слушатели. Неговата първа лекция имала огромен успех. Въпреки че била проведена в най-голямата лекционна зала, слушателите имало и по стълбището. Заради големият успех на Болцмановите философски лекции Австрийският император дал прием в негова чест в двореца.

През 1906, по време на лятна ваканция в Диуно, близо до Триест, в пристъп на депресия, Болцман се самоубива.[6] Майтнер разказва, че Болцман и друг път е имал тежки пристъпи на депресия.[7] Погребан е във Виена, а на надгробната му плоча е изписано S = kB ln W. След смъртта на Болцман наследник на катедрата по физика във Виена става Фридрих Хазеньохрл.

Философия[редактиране | edit source]

Болцмановата кинетична теория за газовете предполага съществуването на атоми и молекули, но повечето германски философи и много учени като Ернст Мах и физико-химика Вилхелм Оствалд не вярвали в тяхното съществуване. През 1890-те Болцман се опитал да намери компромисно решение, което да даде възможност на атомисти и неатомисти да работят във физиката без да спорят върху атомите. Неговото решение било да се използва теорията на Херц. Така атомистите ще могат да мислят, че картините са реални атоми, докато анти-атомистите биха могли да ги разглеждат като добър, но нереален модел. Но това не могло напълно да сближи двете групи. След това Оствалд и защитниците на “чистата термодинамика” положили много усилия да опровергаят кинетичната теория за газовете и статистическата механика заради Болцмановото допускане за съществуването на атоми и молекули и специално статистическата интерпретация на втория закон.

Около началото на 20 век Болцмановата теория била атакувана с други философски възражения. Някои физици в това число студентът на Мах, Густав Йоуман, интерпретирали Херц в смисъл че цялото електромагнитно поведение е непрекъснато. Все едно че няма атоми и молекули и като че ли цялото физическо поведение е в основата си електромагнитно. Това философско течение дълбоко депресирало Болцман около 1900 тъй като можело да означава край на неговата кинетична теория и статистическа интерпретация на втория закон на термодинамиката.

След оставката на Мах във Виена през 1901 година, Болцман се върнал и решил да стане философ за да може сам да опровергае философските възражения на неговата физика. Скоро обаче той отново бил обезкуражен. През 1904 година на физическа конференция в Свети Луис повечето физици изглеждало като че ли отхвърлят атомите и той дори не бил поканен от физическата секция. Болцман отишъл в секция, наречена "приложна математика" от където атакувал философията.

През 1905 година Болцман си кореспондирал обширно с австро-германският философ Франц Брентано с надеждата да усвои по-добре философията, но отново бил разочарован. През следващата година 1906 неговото умствено състояние толкова се влошило, че той се отказал от заемания пост. Той се самоубива през септември същата година по време на почивка със съпругата и дъщеря си близо до Триест, Италия.[8]

Приноси във физиката[редактиране | edit source]

Най-важните приноси на Болцман са в областта на кинетичната теория на газовете - разпределението на Максуел-Болцман за скоростите на молекулите в даден обем газ. Статистиката на Максуел-Болцман е в основата на класическата статистическа механика. Тя е валидна за всички явления, за които квантовите ефекти могат да бъдат пренебрегнати, и дава забележително ясно разбиране за понятието температура.

Boltzmann’s 1898 I2 molecule diagram showing atomic “sensitive region” (α, β) overlap.

По онова време, малко физици - сред които, все пак са Максуел и Гибс - са вярвали в атомната теория. Болцман спори дълги години с редактора на престижно немско физично списание, който отказвал на Болцман правото да се позовава на атомната теория, по-точно да ѝ придава физичен смисъл, неуточнявайки, че това трябвало да бъде само удобен теоретичен модел. Само няколко години след смъртта на Болцман, изследванията на Жан Перен на колоидални суспензии потвърждават стойността на числото на Авогадро и константата на Болцман, убеждавайки съвременните физици в правилността на атомната теория.

Според Макс Планк, "Логаритмичната връзка между ентропия и вероятности е изказана за пръв път от Л. Болцман в неговата кинетична теория на газовете"[9]. Знаменитата формула за ентропията S гласи (с означенията на Болцман):

 S = k \, \log W

където k = 1.3806505(24) × 10−23 J K−1 е константата на Болцман. W идва от немското Wahrscheinlichkeit, честотата, с която термодинамична система е в дадено състояние. [10] или, по-точно, броят възможни микросъстояние, в които може да бъде система с дадено макросъстояние.

Уравнение на Болцман[редактиране | edit source]

Болцман въвежда своето уравнение, за да опише динамиката на идеалния газ:

 \frac{\partial f}{\partial t}+ v \frac{\partial f}{\partial x}+ \frac{F}{m} \frac{\partial f}{\partial v} = \frac{\partial f}{\partial t}\left.{\!\!\frac{}{}}\right|_\mathrm{collision}

Където f е плътността на вероятността дадена частица да има определени положение и импулс (виж Разпределение на Максуел-Болцман), F е сила, m масата на една частица, t е времето, а v е средната скорост на частиците. Това уравнение точно описва динамиката на газовите частици, при дадени гранични условия. Давид Хилберт се опитва да даде аналитично решение на уравнението в продължение на много години, но без сериозен успех.

Източници[редактиране | edit source]

  1. Južnič, Stanislav. Ludwig Boltzmann in prva študentka fizike in matematike slovenskega rodu. // {{{journal}}} (12). December 2001.
  2. "Paul Ehrenfest (1880–1933) along with Nernst[,] Arrhenius, and Meitner must be considered among Boltzmann’s most outstanding students."—Jäger, Gustav. Three Assistants on Boltzmann. // Synthese 119 (1–2). April 1999. DOI:10.1023/A:1005239104047. с. 69–84.
  3. "Walther Hermann Nernst visited lectures by Ludwig Boltzmann"
  4. Max Planck. Gegen die neure Energetik. // Annalen der Physik 57. 1896. с. 72–78.
  5. Upon Boltzmann's resignation, Theodor des Coudres became his successor in the professorial chair at Leipzig.
  6. Boltzmann, Ludwig. Conclusions. // Ludwig Boltzmann: His Later Life and Philosophy, 1900-1906. Springer, 1995. ISBN 978-0-7923-3464-4. с. 206–207.
  7. Ruth Lewin Sime. Lise Meitner, A Life in Physics. // Washington Post, May 13, 1997. Посетен на 2009-02-06.
  8. "Eureka! Science's greatest thinkers and their key breakthroughs", Hazel Muir, p.152, ISBN 1780873255
  9. * Планк, Мах. The Theory of Heat Radiation. P. Blakiston Son & Co, 1914 ISBN=0-486-66811-8.
  10. Паули, Волфганг. Statistical Mechanics. Cambridge, MIT Press, 1973. ISBN 0-262-66035-0., p. 21

Литература[редактиране | edit source]

  • Roman Sexl & John Blackmore (eds.), "Ludwig Boltzmann – Ausgewahlte Abhandlungen", (Ludwig Boltzmann Gesamtausgabe, Band 8), Vieweg, Braunschweig, 1982.
  • John Blackmore (ed.), "Ludwig Boltzmann – His Later Life and Philosophy, 1900–1906, Book One: A Documentary History", Kluwer, 1995. ISBN 978-0-7923-3231-2
  • John Blackmore, "Ludwig Boltzmann – His Later Life and Philosophy, 1900–1906, Book Two: The Philosopher", Kluwer, Dordrecht, Netherlands, 1995. ISBN 978-0-7923-3464-4
  • John Blackmore (ed.), "Ludwig Boltzmann – Troubled Genius as Philosopher", in Synthese, Volume 119, Nos. 1 & 2, 1999, pp. 1–232.
  • Brush, Stephen G. (ed. & tr.), Boltzmann, Lectures on Gas Theory, Berkeley, CA: U. of California Press, 1964
  • Brush, Stephen G. (ed.), Kinetic Theory, New York: Pergamon Press, 1965
  • Cercignani, Carlo. Ludwig Boltzmann: The Man Who Trusted Atoms. Oxford, Oxford University Press, 1998. ISBN 978-0-19-857064-6.
  • Boltzmann, Ludwig Boltzmann – Leben und Briefe, ed., Walter Hoeflechner, Akademische Druck- u. Verlagsanstalt. Graz, Oesterreich, 1994
  • Brush, Stephen G.. Boltzmann. // Dictionary of Scientific Biography. New York, Scribner, 1970. ISBN 0-684-16962-2.
  • Brush, Stephen G.. The Kind of Motion We Call Heat: A History of the Kinetic Theory of Gases. Amsterdam, North-Holland, 1986. ISBN 0-7204-0370-7.
  • Everdell, William R. The Problem of Continuity and the Origins of Modernism: 1870–1913. // History of European Ideas 9 (5). 1988. DOI:10.1016/0191-6599(88)90001-0. с. 531–552.
  • Everdell, William R. The First Moderns. Chicago, University of Chicago Press, 1997.
  • P. Ehrenfest & T. Ehrenfest (1911) "Begriffliche Grundlagen der statistischen Auffassung in der Mechanik", in Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften mit Einschluß ihrer Anwendungen Band IV, 2. Teil ( F. Klein and C. Müller (eds.). Leipzig: Teubner, pp. 3–90. Translated as The Conceptual Foundations of the Statistical Approach in Mechanics. New York: Cornell University Press, 1959. ISBN 0-486-49504-3
  • Fasol-Boltzmann, Ilse Maria и др. Ludwig Boltzmann (1844–1906) Zum hundertsten Todestag. Wien New York, Springer Verlag, 1996. ISBN 3-211-33140-9.
  • Klein, Martin J.. The Development of Boltzmann’s Statistical Ideas. // The Boltzmann Equation: Theory and Applications. Wien, Springer, 1973. ISBN 0-387-81137-0. с. 53–106.
  • Tolman, Richard C.. The Principles of Statistical Mechanics. Oxford University Press, 1938. Reprinted: Dover (1979). ISBN 0-486-63896-0
  • Gibbs, J. Willard. Elementary Principles in Statistical Mechanics. Ox Bow Press (1981), 1901. ISBN 0-918024-19-6.
  • Lindley, David. Boltzmann's Atom: The Great Debate That Launched A Revolution In Physics. New York, Free Press, 2001. ISBN 0-684-85186-5.
  • Lotka, A. J.. Contribution to the Energetics of Evolution. // Proc Nat Acad Sci USA 8 (6). 1922. DOI:10.1073/pnas.8.6.147. с. 147–51.
  • Bronowski, Jacob. World Within World. // The Ascent Of Man. Little Brown & Co, 1974. ISBN 978-0-316-10930-7.
  • Meyer, Stefan. Festschrift Ludwig Boltzmann gewidmet zum sechzigsten Geburtstage 20. Februar 1904. J. A. Barth, 1904.
  • Planck, Max. The Theory of Heat Radiation. P. Blakiston Son & Co, 1914. English translation by Morton Masius of the 2nd ed. of Waermestrahlung. Reprinted by Dover (1959) & (1991). ISBN 0-486-66811-8

Връзки[редактиране | edit source]