Александр Фомин - 100 знаменитых ученых

После окончания университета Больцман сменил немало мест работы. Описания его карьеры просто пестрят датами, названиями городов, кафедр. Защитив диссертацию и получив научную степень, Людвиг остался в Венском университете на должности ассистента Стефана. Вместе учитель и ученик занимались исследованиями теплового излучения. В 1867 году Больцман получил должность приват-доцента, а еще через год место профессора математической физики в Граце. Работая в Граце, Больцман посещал Германию (Гейдельберг и Берлин), где на него произвело большое впечатление знакомство со знаменитыми учеными Бунзеном, Кирхгофом, Гельмгольцем. В 1873 году молодой ученый вернулся в Вену, где возглавил кафедру математики. 1876 год – опять Грац и должность профессора экспериментальной физики. В 1889–1894 годах ученый возглавлял кафедру теоретической физики в Мюнхенском университете. После смерти Стефана (в 1893 году) Больцман получил предложение занять освободившуюся кафедру теоретической физики в Вене. Успел Людвиг поработать и в Лейпциге (1900–1902 годы), но затем вновь вернулся в Вену.

Многочисленные переезды были связаны отнюдь не только с тем, что ученый приобретал все большую известность и получал все более заманчивые предложения. Очень часто научные взгляды Больцмана расходились с взглядами его коллег. Учитывая принципиальность и непримиримость, с которой ученый отстаивал свои воззрения, не удивительно, что часто его взаимоотношения с другими преподавателями становились, по меньшей мере, натянутыми. Так в 1900 году он покинул Венский университет из-за нежелания работать с Эрнстом Махом, который возглавил кафедру истории и теории индуктивных наук. Мах, основатель эмпириокритицизма [95] Эмпириокритицизм (махизм) – философское направление, согласно которому отправным пунктом познания является не мышление или субъект, не материя или объект, а чистый опыт в том виде, как он непосредственно познается людьми. , в частности, не признавал атомизма. В Лейпциге же Больцман не смог сотрудничать с Вильгельмом Оствальдом, который разделял те же идеи. Поэтому после того, как Мах по болезни оставил кафедру, Больцман вернулся в Вену. Все это удивительно, если учесть, что Людвиг с большим уважением относился лично к Маху и был дружен с Оствальдом. Здесь, наверное, уместным будет вспомнить легендарные слова, приписываемые Аристотелю: «Платон мне друг, но истина дороже».

Больцман был прекрасным преподавателем, его лекции пользовались большой популярностью. Он всегда с вниманием относился к студентам и был рад их достижениям не меньше, чем собственным. Когда имя Больцмана стало всемирно известным, он стал получать множество просьб о чтении лекций от учебных заведений из разных стран. Только в Америке ученый побывал трижды. Свои заметки об этих поездках он опубликовал в книге (очень, кстати, легкой по стилю и манере изложения) «Путешествие одного немецкого профессора в Эльдорадо».

Научная деятельность Людвига Больцмана охватывала чрезвычайно широкий круг проблем. Ему принадлежат работы по математике, механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике, кинетической теории газов. Со времени обучения в университете Больцман был убежденным последователем теории Максвелла, например, об уравнениях Максвелла он отзывался, цитируя «Фауста»: «Не Богом ли начертаны эти знаки?» Работая в 1867–1871 годах над развитием идей Максвелла, Больцман обобщил распределение частиц по скоростям (распределение Максвелла) и вывел распределение, названное в его честь. Формула распределения Больцмана, распределения частиц идеального газа по энергиям во внешнем силовом поле, стала важным обобщением статистической физики.

А в 1872 году Людвиг Больцман совершил открытие, которое часто называют его главным научным достижением. Вслед за Максвеллом он стал всесторонне использовать статистические методы в физике. Считается, что к открытию статистической интерпретации второго закона термодинамики (закона неубывания энтропии в замкнутой системе) [96] Энтропия – одна из характеристик теплового состояния тела или системы тел: мера внутренней неупорядоченности. В одной из формулировок второе начало термодинамики гласит, что невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде. Больцмана подтолкнул мыслительный эксперимент с «демоном Максвелла».

В 1872 году Больцман ввел так называемую Н-функцию, характеризующую состояние замкнутой макроскопической системы. Следующим шагом он доказал, что функция эта не может возрастать (Н-теорема). Для случая идеального газа Больцман показал, что Н-функция и энтропия S обратно пропорциональны, и вывел формулу, в которой связал энтропию с термодинамической вероятностью W: S = k ln W , где k – постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной к числу Авогадро.

Это соотношение получило название принцип Больцмана. Словами его можно выразить следующим образом: термодинамическая система стремится перейти из менее вероятных состояний в более вероятные (при которых W и S максимальны).

Принцип Больцмана лег в основу статистической физики. Используя его, Макс Планк вывел свой закон излучения. Также на принципе Больцмана основана и современная теория информации. О важности открытия Больцмана говорит хотя бы тот факт, что формула S = k ln W выгравирована на памятнике ученому в Вене. Опубликованный в 1896–1898 годах курс «Лекции по теории газов» Больцмана стал фундаментальным трудом по статистической физике.

Принесло свои плоды и сотрудничество ученого с его учителем и другом Стефаном. Еще одним важным достижением Людвига Больцмана стало теоретическое обоснование закона излучения абсолютно черного тела, эмпирически открытого Стефаном в 1879 году. Согласно ему, общая энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Для того чтобы теоретически обосновать это утверждение, Больцман блестяще соединил термодинамику и теорию электромагнитного поля Максвелла. Известный немецкий физик Макс фон Лауэ (нобелевский лауреат 1914 года) назвал этот закон «ожерельем теоретической физики». Сейчас он носит название закона Стефана – Больцмана.

Будучи, как мы уже говорили, убежденным последователем Максвелла, Больцман провел немало исследований, целью которых было подтверждение его теории электромагнитного поля. Например, он произвел измерения диэлектрической проницаемости различных веществ и установил, что она связана с показателем преломления света. Эти результаты стали одним из первых подтверждений теории света Максвелла. Результаты своих исследований и теоретические выводы Больцман изложил в «Лекциях о максвелловской теории света» (1891–1893). Много внимания австрийский ученый также уделял и изучению термоэлектричества, диамагнетизма (свойства вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению поля), в частности, разработал теорию эффекта Холла [97] Эффект Холла – заключается в том, что в проводнике с током, помещенном в магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению тока, возникает электрическое поле в направлении, перпендикулярном направлениям тока и магнитного поля. .