Больцман, Людвиг

Людвиг Больцман
нем. Ludwig Eduard Boltzmann
Имя при рождении	нем. Ludwig Eduard Boltzmann
Дата рождения	20 февраля 1844(1844-02-20)[1][2][…]
Место рождения	Вена, Австрийская империя[5][6]
Дата смерти	5 сентября 1906(1906-09-05)[3][4][…] (62 года)
Место смерти	Дуино, Горица и Градишка, Австрийское Приморье, Цислейтания, Австро-Венгрия[6]
Страна	Австро-Венгрия
Род деятельности	физик, химик, преподаватель университета, математик, философ, физик-теоретик
Научная сфера	теоретическая физика
Место работы	Университет Граца Венский университет Мюнхенский университет Лейпцигский университет
Альма-матер	Венский университет
Учёная степень	доктор философии[7] (1866)
Научный руководитель	Й. Стефан
Ученики	П. Эренфест М. Смолуховский Ф. Хазенёрль Г. Херглотц
Известен как	основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории
Награды и премии	почётный доктор Университета Осло почётный доктор Оксфордского университета иностранный член Лондонского королевского общества (1 июня 1899)
Автограф
Медиафайлы на Викискладе

Лю́двиг Бо́льцман (нем. Ludwig Eduard Boltzmann; 20 февраля 1844, Вена — 5 сентября 1906, Дуино, Цислейтания) — австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории.

Член Венской Императорской академии наук (1885), иностранный член Лондонского королевского общества (1899)^[8], член-корреспондент Петербургской академии наук (1899)^[9], Парижской академии наук (1900)^[10] и ряда других.

Людвиг Эдуард Больцман родился 20 февраля 1844 года в городе Вене Австрийской империи, ныне город — столица Австрийской Республики. Его отец, Людвиг Георг Больцман (1802 — 22 июня 1859), работал в имперской внутренней налоговой службе, в 1837 году женился на дочери купца Марии Катарине Пауерфайнд, умер от туберкулёза. Родственники со стороны отца были протестантами, а со стороны матери — католиками.

Вскоре семья переехала в город Вельс, а затем в город Линц, где в 1863 году Больцман с отличием окончил гимназию. В 1866 году он окончил Венский университет, где учился у Йозефа Стефана и Иоганна Йозефа Лошмидта, и защитил докторскую диссертацию. В 1867 году стал приват-доцентом Венского университета и в течение двух лет являлся ассистентом профессора Йозефа Стефана. В 1868 году получил степень доктора.

В 1869 году Больцман был приглашён на должность ординарного профессора математической физики в Грацском университете с обязательством читать курс «Элементы высшей математики». В 1873 году стал ординарным профессором математики Венского университета, сменив в этой должности своего наставника Мотта. Однако вскоре (в 1876 году) вернулся в Грац, где стал профессором экспериментальной физики и директором Физического института, нового учреждения, где в своё время работали Вальтер Нернст и Сванте Аррениус.

В 1878 году стал деканом философского факультета Грацского университета. В 1887 году стал ректором Грацского университета.

Став известным теоретиком, Больцман в 1890 году стал профессором теоретической физики в Мюнхенском университете, город Мюнхен, Королевство Бавария, Германская империя. В 1895 году вернулся в Вену в качестве преемника Йозефа Стефана по должности профессора теоретической физики. Спокойно вести научную и педагогическую работу Больцману не удавалось, поскольку в это время профессором философии Венского университета был Эрнст Мах, который в своих лекциях отрицал атомистические представления, лежавшие в основе больцмановской теории.

4 декабря 1899 года избран членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской академии наук по разряду физическому физико-математического отделения. Представление сделали: князь Борис Борисович Голицын и Михаил Александрович Рыкачёв.

В 1900 году Больцман стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете, город Лейпциг, Королевство Саксония, Германская империя. Там столкнулся с сопротивлением другого анти-атомиста Вильгельма Оствальда. В 1902 году Больцман вновь вернулся в Вену, где занял (помимо кафедры теоретической физики) ещё и освобождённую Махом кафедру натурфилософии, обеспечив себе таким образом комфортные условия для работы. Больцмана многократно приглашали читать лекции в различных университетах Европы и Америки.

К 1900 году у Больцмана развилась тяжёлая форма астмы, он переживал мучительные приступы болезни и сильно страдал от болей. Напряжённая полемика вокруг молекулярно-кинетической теории сказывалась на состоянии его нервной системы.

Летом 1905 года Больцман предпринял путешествие в Соединённые Штаты Америки, где прочитал 30 лекций на английском в рамках летней школы в Калифорнийском университете в Беркли, город Беркли, штат Калифорния. О своей поездке он оставил юмористическое эссе «Путешествие немецкого профессора в Эльдорадо».

В 1906 году Больцман прервал лекции и отправился на лечение на курорт Дуино, недалеко от Триеста, вместе с женой и дочерью Эльзой.

Людвиг Эдуард Больцман покончил с собой 5 сентября 1906 года повесившись на оконном шнуре в гостиничном номере гостиницы «Ples» в курортном посёлке Дуино района Монфальконе окняженного графства Горица и Градишка коронной земли Кюнстенланд (Австрийское Приморье) Королевств и земель, представленных в Рейхсрате (Цислейтания) Австро-Венгерской монархии, ныне посёлок входит в коммуну Дуино-Ауризина провинции Триест области Фриули-Венеция-Джулия Итальянской Республики. Самоубийство Больцмана связывают с депрессией, вызванной тем, что идеи развиваемой им статистической физики в то время не находили понимания в физическом сообществе.

Изначально Людвиг Эдуард Больцман был похоронен на Дёблингском кладбище города Вены Австро-Венгерской монархии, ныне город — столица Австрийской Республики. В 1929 году был перезахоронен на Центральном кладбище того же города. На могильном камне Больцмана работы скульптора Густинуса Амбрози выбита установленная им формула

${\displaystyle S=k\log W,}$

связывающая энтропию ${\displaystyle S}$ термодинамического состояния с числом соответствующих микросостояний ${\displaystyle W}$. Коэффициент ${\displaystyle k=1{,}380\,649\times 10^{-23}}$ Дж·К⁻¹ носит название постоянной Больцмана.

Вместе с Людвигом Больцманом похоронены:

• жена Генриетта, (левый нижний угол: Henriette Boltzmann - geb. Edle von Aigentler, 1854–1938);
• сын Артур Больцман, авиатор и метролог (справа в середине: Arthur Boltzmann - Dipl. Ing. Dr. Phil. Hofrat, 1881–1952);
• Паула, жена Артура (верхний правый угол: Dr. Phil. Paula Boltzmann - geb. Chiari, 1891–1977).
• Людвиг, сын Артура и Паулы, внук и последний потомок Больцмана по мужской линии, погибший в 1943 году под Смоленском (нижний правый угол: Ludwig Boltzmann 1923–1943, Letzter Männlicher Nachkomme. Gefallen bei Smolensk).
• Ильзе, дочь Артура и Паулы, внучка Больцмана и хранитель его научного наследия (верхний левый угол: Ilse Fasol - geb. Boltzmann, 1927–2021).

Работы Больцмана касаются преимущественно кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения, а также некоторых вопросов капиллярных явлений, оптики, математики, механики, теории упругости и т. д.

В 1871 году предложил эргодическую гипотезу для обоснования закономерностей статистической физики.

В 1872 году вывел основное уравнение микроскопической теории неравновесных процессов (физической кинетики), носящее его имя, а также установил так называемую H-теорему, выражающую закон возрастания энтропии для изолированной системы. В том же году показал статистический характер второго начала термодинамики, связав энтропию замкнутой системы с числом возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние. Это стало указанием на несостоятельность представления о «тепловой смерти Вселенной».

Больцман являлся активным сторонником атомистических представлений и отстаивал их в борьбе с представителями махизма и других идеалистических учений (среди них — Э. Мах и В. Оствальд).

В 1871—1872 годах Больцман опубликовал три важные работы: «О тепловом равновесии многоатомного газа», «Аналитическое доказательство 2-го закона механической теории тепла» и «Дальнейшее исследование теплового равновесия газовых молекул». В этих исследованиях он анализировал установление теплового равновесия в газах и расширил распределение Максвелла на многоатомные молекулы и смеси газов. Полученное им больцмановское распределение стало основой для применения классической статистики во многих областях физики. В работе 1875 года «О тепловом равновесии в газе, на который действуют внешние силы» Больцман показал, что его предыдущие результаты применимы и к газам в поле внешних сил. В этой же работе он представил общее газокинетическое уравнение в форме, используемой до сих пор. Введя функцию H как средний логарифм функции распределения, он сформулировал и доказал H-теорему: эта функция с течением времени не может возрастать, что по поведению аналогично энтропии с обратным знаком. Он также показал, что только больцмановское распределение удовлетворяет условиям статистического равновесия. В 1877 году в работе «О связи между 2-м законом механической теории тепла и теорией вероятностей» Больцман указал связь H-функции со статистическим весом состояния системы, доказав, что наиболее вероятное состояние совпадает с состоянием теплового равновесия. Обобщив эти результаты на многоатомные молекулы и на системы в поле внешних сил, он вычислил функцию H для идеального одноатомного газа и обнаружил её пропорциональность энтропии. Это позволило связать энтропию с вероятностью данного макроскопического состояния через формулу S=k·lnW, ставшую одним из краеугольных камней статистической физики. В последующих работах Больцман разработал методы приближенного решения своего уравнения, вывел из него гидродинамические уравнения и исследовал возможность применения кинетической теории газов к случаям с силами притяжения между молекулами. Он также применил свой метод к изучению явлений переноса в газах, включая диффузию и внутреннее трение^[11].

Больцман был одним из первых пропагандистов теории Максвелла, которая в то время казалась многим учёным слишком сложной. Его первая крупная экспериментальная работа была посвящена доказательству справедливости максвелловского соотношения между показателем преломления и диэлектрической постоянной вещества. Сначала он исследовал твёрдые изоляторы, определив методом конденсатора диэлектрические постоянные серы и парафина. Затем, преодолев значительные технические трудности, Больцман измерил диэлектрические постоянные различных газов: воздуха, водорода, кислорода, углекислого газа и других. Больцман первым теоретически вывел зависимость диэлектрической постоянной от направления в анизотропных средах и сам проверил этот вывод экспериментально, исследуя шар из кристалла ромбической серы. Этими работами он предоставил экспериментальные доказательства правильности теории Максвелла. В 1872—1874 годах Больцман изучал поляризацию диэлектриков в электрическом поле. В частности, он показал, что изменение ёмкости конденсатора объясняется именно поляризацией диэлектрика, а не его слабой проводимостью. Теоретические работы Больцмана в этой области включали исследования движения электричества на изогнутых поверхностях и взаимодействия частей электрического контура произвольной формы^[11].

В 1884 году Больцман теоретически вывел закон Стефана о тепловом излучении. Из общих соображений он получил формулу, связывающую давление и плотность энергии чёрного излучения, а затем, применив термодинамику к тепловому излучению, вывел известную формулу закона излучения. Лоренц назвал эту работу «перлом физики». Больцман также внёс вклад в теорию термоэлектричества, диамагнетизма и эффекта Холла, где указал возможность определения знака носителей заряда. Он исследовал явления электро- и магнитострикции, влияние магнитного поля на электрический разряд в разреженных газах, капиллярные явления и теплоёмкость газов. По идее Больцмана был построен прибор, позволяющий оптическим методом анализировать акустические колебания. С помощью этого метода были исследованы периоды, амплитуды, сдвиги фаз и другие характеристики колебаний в воздушных резонаторах. Несколько работ Больцмана посвящены теории упругого последействия. Он отстаивал теорию, согласно которой упругая сила зависит не только от мгновенной, но и от предшествующей деформации, и пытался подтвердить эту теорию опытами по крутильным колебаниям металлических стержней^[11].

• Астероид главного пояса (24712) Больцман (нем. (24712) Boltzmann). Открыт 12 сентября 1991 года Фраймутом Бёрнгеном и Лутцем Дитером Шмаделем в Тюрингской обсерватории в Таутенбурге, Федеративная Республика Германия. Первоначально обозначался 1991 RP₃ (при изучении совпал с астероидом 1998 OF₁₅). 4 августа 2001 года астероиду присвоено имя Людвига Больцмана. Период обращения 1310 дней (3,59 года). Не относится к объектам, сближающимся с Землёй. Диаметр 2,27 км.
• В 1964 году Международный астрономический союз присвоил имя Больцмана ударному кратеру в южной приполярной области на видимой стороне Луны. Кратер лежит у западного лимба Луны и практически недоступен для наблюдения с Земли. Диаметр 72,3 км. Наибольшая глубина 2780 м.
• Бюст в Венском университете, установлен в 1912 году
• Мемориальная доска на здании Грацского университета
• Мемориальная доска на гостинице «Ples» в посёлке Дуино, Италия, где Людвиг Больцман покончил с собой, открыта 20 февраля 2014 года, Duino no. 76 — 45°46′29″ с. ш. 13°36′14″ в. д.^[12]

• Брат Альберт (22 апреля 1846 — 14 февраля 1863), умер от туберкулёза легких будучи еще учеником гимназии.
• Сестра Хедвига (12 мая 1848 — 1890), замужем не была и трагически умерла от помрачения разума.

17 июля 1876 года женился на Генриетте фон Айгентлер (16 ноября 1854 — 3 декабря 1938), студентке математического факультета, которая была на 10 лет младше. В доме жизнерадостного профессора устраивались музыкальные вечера, и Больцман сам садился за рояль. Любимыми его композиторами были Вольфганг Амадей Моцарт и Людвиг ван Бетховен. Пара вела светскую жизнь, часто посещала театры, организовывала пикники в окрестностях Граца.

В семье было пятеро детей:

• сын Людвиг Хьюго (1878—1889), умер от аппендицита.
• дочь Генриетта (12 мая 1880 — 8 марта 1945), учительница.
• сын Артур Людвиг (25 мая 1881 — 6 ноября 1952), начальник отдела электрических измерений в Управлении учета и геодезии Австрии. Был женат на Полина, дочери ларинголога Оттокара фон Киари (нем. Ottokar von Chiari), лечившего Больцмана. У них трое детей:
  • внук Людвиг (1923–1943), погиб под Смоленском во время Второй мировой войны;
  • внучка Ильзе-Мария Фазоль-Больцманн (22 марта 1927 — 2 сентября 2021), замужем за Карлом Хайнцем Фазолем (нем. Karl Heinz Fasol)
  • внучка Хельга Больцман, замужем за Гансом Родингером.
• дочь Ида (17 сентября 1884 — 11 апреля 1910)
• дочь Эльза (4 августа 1891 — 27 августа 1965). Вышла замуж за физика Людвига Фламма (нем. Ludwig Flamm). У них четверо детей: Мария, Вернер, Эйльхард и Дитер.

• Больцман Л. Очерки по методологии физики. — М., 1929.
• Больцман Л. Кинетическая теория материи. — М., 1939.
• Больцман Л. Лекции по теории газов. — М.: Гостехиздат, 1953.
• Больцман Л. Статьи и речи. — М.: Наука, 1970.
• Больцман Л. Избранные труды. — М.: Наука, 1984. Часть 1. (недоступная ссылка) Часть 2. (недоступная ссылка) Часть 3. (недоступная ссылка)

• Больцмановский мозг

Имя Больцмана носят ряд понятий классической статистической физики:

• постоянная Больцмана
• кинетическое уравнение Больцмана
• закон Стефана — Больцмана
• распределение Больцмана
• H-теорема Больцмана

• Л. Фламм. Памяти Людвига Больцмана // УФН. — 1957. — Т. 61, № 1.
• Н. Н. Боголюбов, Ю. В. Саночкин. Людвиг Больцман // УФН. — 1957. — Т. 61, № 1.
• Б. И. Давыдов. Великий физик (К 50-летию со дня смерти Людвига Больцмана) // УФН. — 1957. — Т. 61, № 1.
• Храмов Ю. А. Больцман, Людвиг // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн.. — М.: Наука, 1983. — С. 38—39. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)
• Полак Л. С. Людвиг Больцман 1844—1906. — М.: Наука, 1987. — 208 с.
• Больцман, Людвиг // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
• Больцман (Boltzmann) Людвиг / О. В. Кузнецова // Бари — Браслет. — М. : Советская энциклопедия, 1970. — С. 528. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 3).

• Биография Л. Больцмана на сайте piplz.ru
• Биография Л. Больцмана на сайте С. И. Левченкова Архивная копия от 4 марта 2013 на Wayback Machine
• Больцманиада: биография Больцмана, достижения, философия, наследие