アッシュ定理。科学的発見の歴史と本質

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アッシュ定理。科学的発見の歴史と本質

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ルートヴィッヒ・ボルツマン、「灰定理」の著者は、間違いなく、オーストリアが世界に与えた最大の科学者であり思想家でした。ボルツマンは生前、科学界では追放された立場にもかかわらず、偉大な科学者として認められ、多くの国で講演に招待されました。しかし、彼のアイデアのいくつかは、今日でも謎のままです。ボルツマン自身は自分自身について次のように書いています。「私の心と活動を満たすアイデアは理論の発展です。」そして、マックス・ラウエは後にこの考えを次のように明確にしました。

ルートヴィヒ・エドゥアルト・ボルツマンは、20 年 1844 月 XNUMX 日にウィーンで生まれました。

ルートヴィヒは見事に勉強し、母親は彼の多様な興味を奨励し、彼に包括的な教育を与えました。 1863 年、ボルツマンはウィーン大学に入学し、数学と物理学を学びました。

マクスウェル電気力学は、理論物理学の最新の成果でした。 Ludwig の最初の論文も電気力学に専念していたことは驚くべきことではありません。しかし、1866年に「熱力学の第XNUMX法則の機械的重要性について」という記事で発表されたXNUMX番目の作品で、温度がガス分子の平均運動エネルギーに対応することを示したボルツマンの科学的関心が決定されました。

1866 年の秋、博士号を取得する 1868 か月前に、ボルツマンは助教授として物理学研究所に入学しました。 XNUMX 年、ボルツマンは大学で講義する権利を与えられ、XNUMX 年後にはグラーツ大学の数理物理学の普通の教授になりました。この間、彼は理論的なアイデアを開発するだけでなく、マクスウェルの電気力学と光学の統一理論を確認するために、誘電率と屈折率の関係の実験的研究にも従事しました。彼の実験のために、彼はハイデルベルクのブンゼンとケーニヒスベルガーの研究所で働くために大学を二度短期休暇を取った。ヘルムホルツそしてベルリンのキルヒホッフ。これらの研究の結果は、1873 年から 1874 年に発表されました。

ボルツマンは、グラーツの新しい物理学研究所の計画にも積極的に参加し、1876 年に所長に就任しました。

1871 年にボルツマンは、熱力学の第 1877 法則は、確率論を使用して古典力学からのみ導き出すことができると指摘しました。 XNUMX 年、エントロピーと熱力学的状態の確率との関係に関するボルツマンの有名な記事が、物理学に関するウィーン通信に掲載されました。科学者は、熱力学的状態のエントロピーがこの状態の確率に比例し、状態の確率は、これらの状態に対応する分子の分布の数値特性間の比率に基づいて計算できることを示しました。

ボルツマンによれば、本質的に不可逆的なプロセスは、可能性の低い状態から可能性の高い状態への移行プロセスです。可逆的な移行は不可能ですが、可能性は低いです。したがって、エントロピーは、システムの特定の状態の確率にも関連付けられている必要があります。この関係は、ボルツマンのいわゆる H 定理で確立されました。

「灰の定理」は、ボルツマンの宇宙論の頂点となった。この始まりの式は、後に彼の墓の上の記念碑に碑文として刻まれました. この式は、本質的に自然選択の法則に非常に似ています。チャールス・ダーウィン. ボルツマンの「アッシュの定理」だけが、宇宙そのものの「生命」がどのように生まれ、進行するかを示しています。

「微分方程式が計算の数学的方法とその真の意味のみを表すように」とボルツマンは書いています。決して揺るがすことのできない重要性、視覚化する機械的表現の開発は、自然に関する私たちの知識の深化に貢献します。新しい視点の可能性を開く。これらの新しい視点は、ある状態から別の状態へのシステムの遷移が確率論の法則に従うというものです。

「力学系の考察への確率論の導入 (そして、ボルツマンの理論における物体の粒子は力学の法則に従う) は、"P.S. Kudryavtsev は彼の著書に書いています。とても明確に見えたのでラプラスある時点での宇宙のすべての粒子の位置とそれらの間に作用する力の知識に心がアクセスできれば、これらのデータを数学的に処理する能力があれば、予測できると信じていました。宇宙の未来を確実に見たり、その過去を見ることができます。動力学理論における力学の法則は、どのように統計につながるのでしょうか? ボルツマンはこの質問に答えます。統計の原因は力学自体、つまり初期条件にあります。ガスの分子が衝突する容器の壁のごくわずかな粗さは、元の秩序に混沌を導入するのに十分です。 XNUMX つの分子の衝突における保存の法則は、衝突後の速度の方向に完全な範囲を残します。これはすべて、分子の機械的相互作用が原因で、分子の秩序だった動きがありそうになく、無秩序になる可能性が最も高いという事実につながります。

この考え方の発展により、ボルツマンは熱力学の第 XNUMX 法則に関する新しい視点に導かれました。ボルツマンは、この法則を次のように定式化します。「任意の物体システムがそれ自体に任せられ、他の物体の作用を受けないとき、それぞれの状態変化が起こる方向は常に示すことができる。」この方向は、状態の何らかの関数、つまりエントロピーの変化によって特徴づけられます。エントロピーは、システムの状態の変化とともに増加方向に変化します。したがって、「いかなる閉鎖系の物体も、エントロピーが最大となる特定の最終状態に向かう傾向がある!」という結論が得られます。

この方向性と力学方程式の可逆性をどのように調和させることができるでしょうか? 自然は本当に自然の終焉、つまり容赦ない運命を伴う「熱的死」に近づいているのだろうか？

ボルツマンは、第 XNUMX 法則の統計的解釈を行った最初の人物であり、その確率論的性質を明らかにしました。力学方程式の可逆性と閉じた機械系におけるプロセスの不可逆性の間に矛盾はありません。半分が白で半分が黒のボールが積み重なったドラム缶を想像してみてください。ドラムを回転させると、機械的な法則によりボールが混ざり合い、最終的に白と黒のボールが均等に混ざり合い、ボリューム全体に同じ「変化」が生じます。ボールのコレクションは、確率の低い状態から確率の高い状態に移動しました。

ドイツの物理学者クラウジウスは、熱力学の第 XNUMX 法則から、熱による死の不可避性について結論を導き出しました。これらの考えは、多くの物理学者だけでなく、主に哲学者によって採用され、世界の始まりと終わりの理想主義的な概念を支持する強力で一見否定できない議論を受けました。 W.オストワルドの「エネルギッシュな」教え。

不屈のルートヴィヒ・ボルツマンは、灰の定理で次のように宣言しました。「熱による死ははったりだ。世界の終わりは予見できない。オストワルド人が信じているように、エネルギーは原子と分子からのものであり、熱力学の第二法則は、それらに適用されるべきではない」ある種の「エーテル」、精神、またはエネルギー物質ですが、特定の原子や分子に対してです。

ルートヴィヒ・ボルツマンによる「灰の定理」の周りで、議論は熱死と同じくらい激しさで即座に燃え上がりました。「アッシュ・テオレマ」とそれに基づいて提唱された変動仮説は、細心の注意を払って綿密に分析され、予想通り、ボルツマンのような偉大な科学者にとって、ギャップのある、許しがたい、思われる欠陥を発見しました。

ボルツマン仮説を真実として受け入れると、常識の枠組みに適合しないそのような巨大な仮定を信仰のために受け入れなければならないことが判明しました.遅かれ早かれ、またはむしろすでに、宇宙のどこかにあるに違いありません第 XNUMX 法則の方向とは反対の方向にプロセスが進行します。つまり、熱は冷たい物体から熱い物体に移動する必要があります。それはばかげているではありませんか。

ボルツマンはこの「不条理」を擁護し、そのような宇宙の発展過程が最も自然であると深く確信していました。それは、その原子構造の必然的な結果だからです。

「アッシュの定理」が他の科学者によって提唱された場合、そのような名声を得た可能性は低い. しかし、ボルツマンは、カーテンの後ろにある他の人から隠されている世界を見ることができただけでなく、物理学と哲学の両方の基本的な知識を備えた天才のすべての情熱で世界を守る方法を知っていました.

唯物論者の物理学者とマヒストの間の劇的な出来事の集大成は、明らかに、1895 年にリューベックで開催された自然科学者会議であると見なされるべきであり、ルートヴィヒ・ボルツマンは友人と敵に激戦をもたらしました。彼は勝ったが、その結果、会議の後、彼は自分の周りにさらに大きな空虚感を感じた. 1896 年、ボルツマンは「物理科学における原子論の不可避性について」という記事を書き、オストワルドのエネルギー主義に対して数学的異議を唱えました。

1910 年まで、原子論の存在そのものが常に脅威にさらされていました。ボルツマンは一人で戦い、生涯の仕事が忘れられることを恐れていました。結局、ボルツマンは巨大なストレスに耐えることができず、深いうつ病に陥り、5 年 1906 月 XNUMX 日に自殺しました。

彼が生きて原子論の復活を見ることができず、誰もが運動論を忘れてしまったという思いで亡くなったことは非常に残念です。しかし、ボルツマンのアイデアの多くは、超顕微鏡、ドップラー効果、ガスタービンエンジン、原子核のエネルギーの放出などの驚くべき発見によって解決策をすでに見つけています。そして、これらはすべて、世界の原子構造の個々の結果にすぎません。

著者: サミン D.K.

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