Читать книгу "Больцман. Термодинамика и энтропия - Эдуардо Арройо"

В 1893 году умер Йозеф Стефан, учитель Больцмана, которого тот очень уважал. Венский университет сразу же связался с Людвигом и предложил вернуться в Австрию. Мюнхенский университет, в свою очередь, сделал ему контрпредложение, повысив жалованье и назначив ассистента; в итоге чаша весов склонилась на сторону Германии, хотя Больцман согласился остаться там всего на один год.

В 1894 году он получил степень почетного доктора Оксфордского университета. Учитывая тот авторитет, которым он пользовался в Англии, нет ничего удивительного в предоставлении ему подобной чести: его слава среди англосаксов контрастировала с ее отсутствием среди французских ученых. В том же самом году Венский университет решился на значительное усилие, чтобы материально заинтересовать Больцмана в принятии должности, для этого пришлось даже закрыть кафедру химии. Так что возвращение Больцмана в Австрию было триумфальным, и это подчеркивает репутацию, которой обладал физик в то время.

Тем не менее Вена оказалась не идиллическим местом, как на то надеялся Больцман. Одна из причин его неудовольствия заключалась в пассивности, безынициативности учеников, у которых не наблюдалось энтузиазма. Больцман жаловался другу Вильгельму Оствальду (1853-1932), с которым у него позже будет горячий спор, что иногда ему кажется, что он учитель средней школы, таково отношение его студентов к науке.

СПОРОВ ЭНЕРГЕТИКЕ

Но главным испытанием в Вене для него было противостояние Эрнсту Маху. Последний получил кафедру философии и истории в 1895 году и с первого момента очень критично высказывался по поводу идей Больцмана. Для понимания природы их столкновений нужно кратко остановиться на философии Маха, одного из самых влиятельных мыслителей: сам Эйнштейн был вдохновлен некоторыми его идеями, разрабатывая теории относительности. Философская позиция Маха была очень близка солипсизму (вере в то, что существует только та реальность, которая воспринимается через собственные ощущения), хотя его взгляды были гораздо более конструктивными и на самом деле совпадают со взглядами значительной части современного научного сообщества.

Согласно Маху, следовало ограничить число недоказуемых допущений, чтобы знание было как можно более воспринимаемым. На беду Больцмана это предполагало существование внешней реальности. Физика, говорил Мах, должна ограничиться исследованиями ощущений, которые являются единственной информацией, к которой человек имеет прямой доступ. Все отсылки к миру, лежащему в ее основе, недоказуемы и -"малоэкономичны", говоря терминами Оккама (принцип экономики Оккама устанавливает равенство условий, самое простое объяснение обычно оказывается правильным).

Так что несложно понять, почему Маха смущали атомы и, следовательно, вся работа Больцмана, который считал их само собой разумеющимися.

НЬЮТОН, МАХ И ЭЙНШТЕЙН

В ньютоновской физике пространство считалось абсолютным. То есть тела представляются движущимися в рамке (пространстве), которая находится в состоянии покоя и относительно которой измеряется все движение. Ньютон ввел понятие "абсолютного пространства", чтобы спасти закон инерции, согласно которому тело перемещается прямолинейно на постоянной скорости при отсутствии внешних сил.

Если бы пространство было относительным, было бы невозможно определить прямолинейное движение, поскольку у двух наблюдателей были бы различные представления об этом.

Так, наблюдателю, который будет стоять на земле, покажется, что поезд движется прямолинейно, но сидящему на карусели так уже не покажется. Единственный способ устранить проблему — это предположить, что наблюдатель на карусели ошибается и существует привилегированный наблюдатель, относительно которого измеряется все остальное движение. В случае с Ньютоном оно определяется по неподвижным звездам. Мах возразил против этой перспективы и сделал это раньше Эйнштейна. Мах утверждал, что инерция — это эффект распределения материи в пространстве. Один из способов понять его слова — представить, что произойдет, если внезапно все галактики подвергнутся ускорению влево. Увидит наблюдатель, парящий в космосе, как галактики движутся относительно него? Или он ничего не заметит, ускорившись вместе с остальной материей? По мнению Маха, правильным является второй ответ. Несмотря на то что специальная теория относительности Эйнштейна не согласовывалась с положениями Маха, поскольку в нее не включалось ускоренное движение, можно рассматривать общую теорию относительности как большой шаг: ускорения и гравитационные поля считаются равносильными, так что любой зритель, вне зависимости от типа движения, наблюдал бы одни и те же законы Вселенной.

Альберт Эйнштейн в 1921 году.

В атомной теории не только утверждалось существование внешнего мира, что отражало рассуждения Маха, но также предполагалось существование другого рода сущностей, еще более эфирных, атомов, которые были полностью оторваны от чувственного опыта. Под влиянием Маха родилась область физики, которая пыталась реализовать на практике принципы его философии. Она была предложена, среди прочих, большим другом Больцмана, Вильгельмом Оствальдом. Новая область получила название "энергетики" и была популярна в конце XIX века, однако потом ее забыли, когда существование атомов оказалось неоспоримо.

ВИЛЬГЕЛЬМ ОСТВАЛЬД

Вильгельм Оствальд считается одним из основоположников физической химии. Он внес значительный вклад в изучение катализа (ускорения химической реакции с помощью дополнительного соединения), химического равновесия и скорости реакции, за что получил Нобелевскую премию по химии в 1909 году. Помимо научной работы Оствальд занимался живописью и создавал собственные краски, также он поддерживал движение за внедрение международного языка, что привело его к изучению эсперанто. Он был сторонником социального дарвинизма, а также евгеники и эвтаназии.

В энергетике постулировалось, что все процессы Вселенной можно описать в виде энергетического взаимообмена. Сохранение энергии было известно уже с тех пор, как в середине XIX века о нем объявил Гельмгольц, и использовалось в качестве отправной точки Оствальдом и Георгом Фердинандом Гельмом (1851-1923) для создания новой теории. Энергетики утверждали, что масса и энергия — величины, которые сохраняются с течением времени, и предполагали, что эту дихотомию также удастся превзойти, так что в итоге останется только энергия. Преодоление различия между массой и энергией приведет, говорили они, к преодолению различия между духом и материей, поскольку оба могут быть поняты на основе одной и той же сущности. Единственное, что нужно было сделать, — это переформулировать всю механику таким образом, чтобы речь шла только об отношениях между энергией.

Эта одержимость энергией может показаться немного странной для того, кто, как Мах, скептически относился собственно к существованию мира. Разве энергия — не более призрачное понятие, чем понятие атома? Однако энергетики говорили, что все, что воспринимает человек, — это на самом деле энергетические взаимообмены: мы смотрим на картину, наши глаза обмениваются энергией с окружающим миром; когда мы говорим, что что-то теплое, наши руки получают информацию о температуре также в виде взаимообмена энергией.