Больцманиада: Философия молекулярно-кинетического подхода

Больцман пришел к философии как физик. В этом заключается одна из причин особой ценности четко сформулированных взглядов Больцмана для его современников и для будущих поколений. Он рассматривал философские учения с точки зрения ученого, ведущего теоретическую или экспериментальную работу. Философские теории, по убеждению Больцмана, должны быть подтверждены практикой.

Вот что о теории говорил Больцман: “Я не был бы настоящим теоретиком, если бы в первую очередь не задал себе вопроса: что такое теория?” И далее: “Профану прежде всего бросается в глаза, что теория мало понятна и окружена кучей формул, говорящих недоступным непосвященному языком. Однако эти формулы не являются ее существом, и истинный теоретик старается сократить их число до минимума: все, что только можно выразить словами, он и старается сказать словами, тогда как именно в книгах для практиков формулы фигурируют слишком часто исключительно для украшения. ... Я придерживаюсь того мнения, что задача теории заключается в построении существующего только внутри нас изображения внешнего мира, которое должно служить путеводной звездой во всех наших мыслях и экспериментах, т. е. некоторым образом в совершенствовании процесса мышления, в осуществлении в больших масштабах того, что в малых масштабах происходит в нас в процессе образования каждого представления”.

Людвиг Больцман был убеждённым сторонником молекулярной теории. Ему приходилось вести напряжённую борьбу, чтобы отстоять право молекулярно-атомистической теории на существование; его труды не были приняты рядом его соотечественников.

"Если не делать себе иллюзий насчет значения дифференциальных уравнений, то не может быть сомнения в том, что картина мира (посредством дифференциальных уравнений) все-таки необходимо будет атомистическая, картина того, как по известным правилам будут изменяться во времени громадные количества вещей, расположенных в пространстве с тремя измерениями. Вещи эти могут быть, разумеется, одинаковыми или различными, неизменными или изменяемыми".

Природа представлялась ему огромным скоплением индивидуальных частиц, подчиняющихся непреложным законам механики. "Движения тела не происходят совершенно случайно, то туда, то сюда, они полностью детерминированы условиями, в которых находится тело".

Необратимые процессы в природе, по Больцману, есть процессы перехода из менее вероятного состояния в более вероятное. Обратимые переходы не возможны, а маловероятны:

«Ничтожные шероховатости стенок сосуда, о которые ударяются молекулы газа, достаточны, чтобы внести хаос в первоначальный порядок, если бы он имел место. Законы сохранения при соударении двух молекул оставляют полный простор для направлений скоростей после удара. Все это приводит к тому, что именно вследствие механических взаимодействий молекул упорядоченное их движение становится невероятным, а хаотическое наиболее вероятным».

Больцман отвергал идею обратимости и не уставал доказывать, что вероятность перехода к более беспорядочным, менее выгодным состояниям несравненно больше вероятности перехода к состоянию восстановленной работоспособности.

Развитие этого хода мыслей привело Больцмана к новой точке зрения на второй закон термодинамики. Этот закон Больцман формулирует следующим образом: «Когда произвольная система тел будет предоставлена самой себе и не подвержена действию других тел, то всегда может быть указано направление, в котором будет происходить каждое изменение состояния». Это направление может быть характеризовано изменением некоторой функции состояния – энтропией, которая изменяется с изменением состояния системы в сторону возрастания. Отсюда вывод, «что всякая замкнутая система тел стремится к определенному конечному состоянию, для которого энтропия будет максимум!»

Необходимо подчеркнуть, что Больцман своей теорией обосновал второй закон термодинамики, исходя из атомной теории, так же как это до него удалось другим физикам в отношении первого закона термодинамики. Предпосылкой для объяснения, данного Больцманом, послужили математические рассуждения о том, сколько энергии в среднем содержит каждый отдельный атом. Таким образом, с точки зрения Больцмана, к триллионам атомов должны быть применены статистические методы совершенно так же как и для подсчета рождаемости и смертности, например, семимиллионного населения Австрии.

Физика успешно описывает макроскопически необратимые процессы, такие как диффузия и вязкость, с помощью вполне обратимых во времени микропроцессов. В термодинамике стрела времени появляется в различных формулировках второго начала и в H-теореме Больцмана. Больцман считал, что время можно определить просто как направление от менее вероятных состояний к более вероятным, и указывал, что время, необходимое для того, чтобы повторилось какое-либо состояние вселенной должно быть больше возраста самой вселенной. Своей «H-теоремой» Людвиг Больцман отвергает «тепловую смерть». Никакого конца света не предвидится.

Его теория познания по существу дела материалистическая, и выражает она мнение большинства естествоиспытателей. «Мы познаем существование всех вещей из тех впечатлений, – говорит Л.Больцман, – которые они производят на наши чувства. Теория есть "изображение" (или: снимок) с природы, с внешнего мира».

Выступающий в защиту материалистического понимания природы, отстаивающий объективность полученных человечеством законов, Больцман в конце жизни остается практически в одиночестве. В 1899 году он пишет: “Но как с тех пор все изменилось! Воистину, когда я оглядываюсь назад на все эти изменения и перевороты, я кажусь себе стариком по отношению к явлениям, происшедшим на научном поприще. Я даже хотел бы сказать, что я остался единственным из тех, кто, насколько он еще на это способен, за это борется. Задачей своей жизни я считаю путем возможно ясной, логически систематизированной разработкой результатов старой классической теории, способствовать тому, чтобы то многое хорошее и всегда пригодное, что, по моему убеждению, в ней содержится и не должно быть открыто вторично, что отнюдь не было бы первым случаем подобного рода в науке. Поэтому я представляю себя в качестве реакционера, отсталого, который в противоположность новаторам мечтает о старом, классическом; однако, я полагаю, что я не узко ограничен, что я не слеп к преимуществам нового…”

Новые экспериментальные открытия вызвали раздумья о ценности знаний, даваемых наукой. Вот как Больцман говорил о своем восприятии науки: “Как бы ни кичилась наука возвышенностью своих целей и ни взирала с пренебрежением на технику и практику, нельзя все же отрицать, что ее источником является стремление к удовлетворению чисто практических потребностей. С другой стороны, победное шествие современного естествознания никогда не было бы столь блестящим, если бы оно не нашло в лице деятелей техники замечательных творцов нового”.

Больцман сыграл, пожалуй, главную роль в утверждении механико-атомистического подхода к познанию явлений природы. Он существенно изменил прежнюю механическую картину мира, введя в нее статистику (теорию вероятностей), подготовив таким образом возможность для преодоления классической физики квантовой физикой. Больцман понимал, что его главный вклад в фундамент физического знания состоял в объяснении второго закона термодинамики, построении молекулярно- кинетической атомистической теории газа и статистической механики. В 1897 г. он закончил свою научную статью словами: “Я думаю, что могу уверенно сказать о молекулах: а все-таки они движутся!”

Эта страница оформлена Пузиной Ю.Ю. при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований – проект №08-08-00638.

Следующая страница: Фундаментальное наследие Л.Больцмана