لودویگ بولتسمان

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از لودویگ بولتزمان)
پرش به: ناوبری، جستجو
لودویگ بولتسمان
Boltzmann2.jpg
متولد ۲۰ فوریه ۱۸۴۴
وین، اتریش
مرگ ۵ سپتامبر ۱۹۰۶ میلادی (۶۲ سال)
دوئینو در نزدیکی تریسته، ایتالیا
محل زندگی آلمان، اتریش
ملیت اتریشی و ایتالیایی
رشته فعالیت فیزیک
محل کار دانشگاه گراتس
دانشگاه وین
دانشگاه مونیخ
دانشگاه لایپزیگ
استاد راهنما جوزف استفان
دانشجویان دکتری وی پائول ارنفست
فیلیپ فرانک
گوستاو هرتزلوت
لیزه مایتنر
دلیل شهرت ثابت بولتزمان
معادله بولتزمان
توزیع بولتزمن
قانون استفان‐بولتزمن
امضا
امضای لودویگ بولتسمان

لودویگ بولتسمان (به آلمانی: Ludwig Boltzmann) (زاده ۲۰ فوریه ۱۸۴۴ – ۵ سپتامبر ۱۹۰۶) فیزیکدان و فلسفه‌دان اتریشی بود. او در دانشگاه‌های وین، گراتش، مونیخ، و لایپزیگ تدریش نموده‌است. بزرگترین دست‌آوردهای او در ترمودینامیک و مکانیک آماری است که او با پرسش اینکه چگونه حرکت برگشت‌پذیر میکروسکوپی ذرات را به فرآیند‌های ماکروسکوپیک بازگشت ناپذیر ربط داد.

به عنوان یکی از حامیان تند و تیز مکتب اتم‌گرایی او از واقعیت وجودی اتم در برابر حملات ارنست ماخ و ویلهلم اوستوالد دفاع نمود. او همچنین به عنوان یکی از کامل کننده‌گان فیزیک کلاسیک در قرن نوطدهم میلادی، و نوآوران فیزیک در آغاز قرن بیستم میلادی به عنوان نظریه نسبیت شناخته‌می‌شود، هز چند که خودش نقشی در آن نداشت ولی روش‌های نوآورانه او در بسیاری از ارجاعات موثر بود.

او که از افسردگی رنج می‌برد در سن ۶۲ سالگی به زندگی خود پایان داد.

زندگینامه[ویرایش]

کودکی و تحصیلات[ویرایش]

بولتزمن در وین٬ پایتخت امپراتوری اتریش٬ بدنیا آمد. پدرش٬ لودویگ گرگ بولتزمن٬ مامور مالیات بود. حرفه پدر بزرگ او ساعت سازی بود. مادر او٬ کاترینا پاورنفیند٬ اصالتا از زالتسبورگ بود. او آموزش ابتدایی را از معلم سر‌خانه در خانه والدین خود فراگرفت. بولتزمن در لینتس، در اوبراسترایش به دبیرستان رفت. در ۱۵ سالگی پدر خود را از دست داد.

بولتزمن در سال ۱۸۶۳ شروع به تحصیل فیزیک در دانشگاه نمود. او دکتری خود را در سال ۱۸۶۶ تحت راهنمایی جوزف استفان در زمینه نظریه جنبشی گازها اخذ نمود. در سال ۱۸۶۷ به عنوان مدرس مشغول بکار شد. او پس از دریافت دکتری خود دو سال نیز به عنوان دستیار استفان کار کرد. در واقع این اسفان بود که بولتزمن را به ماکسول معرفی نمود.

حرفه دانشگاهی[ویرایش]

در سال ۱۸۶۹ در ۲۵ سالگی، به لطف معرفی نامه نوشته شده توسط استفان،[۱] او به عنوان استاد تمام ریاضی فیزیک در دانشگاه گراز در استان اشتایرمارک شروع به کار نمود. به سال ۱۸۶۹ وی چند ماهی را در هایدلبرگ به همکاری با رابرت بونزن و لئو کونیگزبرگر و سپس در سال ۱۸۷۱ در برلین به همکاری با گوستاو کیرشهف و هرمان فون هلمهولتز پرداخت. در ۱۸۷۳ بولتزمن به عنوان استاد ریاضی در دانشگاه وین شروع به کار نمود که این کار تا سال ۱۸۷۶ ادامه یافت.

لودویگ بولتزمن به همراه همکاران خود در دانشگاه گراز ۱۸۸۷.

در سال ۱۸۷۲، بسیار پیش از آن که زنان اجازه پذیرش در دانشگاه‌های اتریشی داشته باشند، او هنریت فون آیگنلر، معلم با انگیزه ریاضی و فیزیک در گراتس را ملاقات نمود. او قبلا از حضور غیر رسمی در کلاس منع شده‌بود. با راهنمایی بولتزمن هنریت درخواست مجددی را ارایه داد و این‌بار درخواست وی مورد پذیرش قرار گرفت. در ۱۷ جولای ۱۸۷۶ لودیگ بولتزمن با هنریت ازدواج نمود؛ آن‌ها سه دختر و دو پسر به دنیا آوردند. بولتزمن به گراتس برگشت تا کرسی استادی فیزیک تجربی را بر عهده بگیرد. از جمله دانشجویان او در گراتس سوانت آرنیوس و والتر نرنست بودند.[۲][۳] او ۱۴ سال را به خوشی در گراتس گذراند و همانجا بود که مفهوم آماری طبیعت را بسط و توسعه داد.

بولتزمن در سال ۱۸۹۰ به عنوان رییس فیزیک تئوری دانشگاه مونیخ در باواریا٬ آلمان انتخاب شد. در سال ۱۸۹۳، بولتزمن به دنبال مرگ استاد خود استفان، استاد فیزیک نظری دانشگاه وین شد.

سال‌های آخر عمر[ویرایش]

بولتزمن زمان زیادی از سال‌های پایانی عمر خویش را صرف دفاع از نتظریه‌های خود نمود. او با برخی از همکاران خود نتوانست کنار بیاید، به ویژه با ارنست ماخ که بعدها در ۱۸۹۵ استاد فلسفه و تاریخ علم شد. در همان سالی که گرگ هلم و ویلهلم اوستوالد در جلسه‌ای نظر خود درباره انرژتیک در شهر لوبک ارایه دادند. آن‌ها انرژی و نه ماده را سازنده اصلی جهان دانستند. نظریه بولتزمن روز بعد به همراه سایر فیزیکدانانی که از تئوری های اتمی او حمایت می‌کردند ارایه شد.[۴] در سال ۱۹۰۰ با دعوت ویلهم استولد به بولتزمن به دانشگاه لایپزیگ رفت.[۵] بعد از بازنشستگی ماخ به دلیل مشکلات سلامتی جسمانی، در سال ۱۹۰۲ بولتزمن به وین بازگشت.[۶] در سال ۱۹۰۳ به همراه تنی چند از همکاران اتریشی خود انجمن ریاضی اتریش را بنا نهاد.

در وین بولتزمن فیزیک و نیز فلسفه درس می‌داد. کلاس فلسفه طبیعی بولتزمن بسیار پر طرفدار بود و توجه بسیاری را در آن زمان به خود جلب می‌کرد. اولین درس او موفقیت بزرگی بود. بزرگترین کلاس برای این درس اختصاص داده شده‌بود با این حال بسیاری بر روی نرده‌ها نشسته بودند. به خاطر موفقیت بزرگ درس فلسفه بولتزمن امپراتور او را به کاخ دعوت نمود.

در این ایام بولتزمن به افسردگی مبتلا شده‌بود. از نشانه‌های افسردگی بولتزمن اختلال دوقطبی بود. خود بولتزمن خود معتقد بود دلیل این بیماری به خاطر زمان تولد وی در شب بین سه‌شنبه اعتراف و چهارشنبه خاکستر بود.[۷] بسیاری از نزدیکان وی از افسردگی و موارد سعی به خودکشی او آگاه بودند.

سرانجام در طی یکی از حملات افسردگی بولتزمن خود را در پنجم سپتامبر ۱۹۰۶ در طی یک مسافرت تابستانی در دینو در کشور ایتالیا حلق‌آویز نمود. او در زندرالفیداوف اتریش به خاک سپرده شد. بر سنگ قبر او فرمول معروش برای آنتروپی حک شده‌است.

فلسفه[ویرایش]

نظریه جنبشی گازها با فرض حقانیت اتم‌ها و مولکول‌ها ابداع شده‌است٬ با این حال اکثرفلسفه‌دانان آلمانی و بسیاری از دانشمندان از جمله ارنست ماخ و شیمیدان فیزیکی ویلهم استوالد به وجود آن‌ها اعتقادی نداشتند. در سال‌های ۱۸۹۰ بولتزمن تلاش کرد تا با گرفتن منطقی میانه بتواند به هر دوی فیزیکدانان معتقد و بی اعتقاد بتوانند با هم همکاری نمایند. راه حل او استفاده از نظریه هنریش هرتز بود که در آن اتم‌ها تصاویر ("Bilder") بودند. معتقدان به اتم می‌توانستند فرض کنند که این تصاویر اتم‌ها هستند و بی اعتقادان به اتم می‌توانستند تصور کنند که این تصاویر مجازی مفید ولی غیر واقعی هستند. ولی این نظریه هیچ کدام از دو گروه‌ها را قانع نکرد. بدتر از گذشته استولد و بسیاری دیگر از مدافعان ترمودینامیک محض سعی نمودند نظریه جنبشی گازها و آماری را رد کنند زیرا فرض بولتزمن برای اتم‌ها و گازها حالت خاصی از فرض آماری از قانون دوم ترمودینامیک می باشد.

در زمان آغاز قرن جدید، دانش بولتزمن با اعتراض دیگری مورد تهدید قرار می‌گرفت. برخی فیزیکدانان، شامل دانشجوی ماخ، گوستاو جوانمن، هرتز را به معنی آن‌که تمامی رفتار الکترومغناطیسی پیوسته است تفسیر نمود، به گونه‌ای که نه اتم و نه مولکولی وجود ندارد، و به مثابه آنکه تمامی رفتار فیزیکی الکترومغناطیسی است. این جنبش در حدود ۱۹۰۰ بولتزمن را به طور فزآینده‌ای افسرده نمود زیرا این می‌توانست به معنی پایان تئوری کینتیک و تفسیر آماری قانون دوم ترمودینامیک باشد.

پس از بازنشستگی ماخ در وین در ۱۹۰۱، بولتزمن به آن‌جا بازگشت تا فلسفه دان شود و تهدیدهای فلسفی فیزیک خود را رد نماید، ولی به زودی دوباره مایوس شد. در ۱۹۰۴ در کنفرانس فیزیکی در سنت لویس به نظر می‌رسید اکثریت فیزیک‌دانان اتم‌ها را رد می‌کنند و او حتی به بخش فیزیک دعوت هم نشد. به جای آن، او در بخشی به نام ریاضیات کاربردی گیر کرد، او ستیزه‌جویانه به فلسفه تاخت، بویژه در مورد نقش فلسفه داروینی که واقع در عبارات تئوری لامارکی مشخصاتی را مردم به ارث برده‌اند و این کار را برای دانشمندان دشوار نموده تا از چنین میراثی عبور کنند.

به سال ۱۹۰۵ بولتزمن مکاتباتی را با فرانتس برنتانو، فلسفه دان آلمانی-اتریشی، آغاز نمود تا ظاهرا بهتر در فلسلفه ماهر شده، و بهتر بتواند ارتباط آن را با علم نفی کند، ولی او از این روش هم نا امید شد. در سال بعد، ۱۹۰۶، اوضاع ذهنی او به قدری بد شد که مجبور به استعفا از سمت خود شد. او در سپتامبر همان سال هنگامی که به همراه همسر و دخترش در مسافرتی در تریسته ایتالیا به سر می‌برد خودکشی کرد.

فیزیک[ویرایش]

مهم‌ترین کار علمی بولتزمن در نظریه جنبشی می‌باشد، که شامل توزیع ماکسول-بولتزمن برای سرعت مولکولی در گازها است. علاوه بر این، آمار ماکسول-بولتزمن و توزیع بولتزمن برای انرژی‌ها هوز جزو پایه‌های مکانیک آماری کلاسیک به شمار می‌آیند. این تئوری‌ها به بسیاری از پدیده‌هایی که نیازی به آمار کوانتومی ندارند و معنی خاصی به تعریف ترمودینامیکی دما می‌دهد.

دیاگرام مولکول 1898 I2 که همپوشانی مناطق حساس (α, β) را نشان می‌دهد.

در آن زمان اکثر فیزیکدانان غیر از ماکسول در اسکاتلند و گیبز در ایالات متحده با حقانیت وجود اتم مخالف بودند هرچند شیمیدان‌ها پی از کشف جان دالتون در ۱۸۰۸ به وجود اتم واقف شده‌بودند. بولتزمن با ویراستار مجله مهم آلمانی فیزیک در استفاده از کلمه اتم یا مولکول به جای ساختار‌های تئوری مشکل اساسی داشت. تنها چند سال پس از مرگ بولتزمن، مطالعه پرین در باره سوسپانسیون کلوید‌ها (۱۹۰۸-۱۹۰۹)، بر پایه نظریه اینستین در سال ۱۹۰۵، اندازه عدد آواگادرو و ثابت بولتزمن را تایید نمود و به جهانیان اثبات کرد که این ذرات ریز واقعا وجود دارند.

همانطور که پلانک می‌نویسد: رابطه لگاریتمی بین آنتروپی و احتمال برای اولین بار توسط بولتزمن در تئوری جنبشی گازها ارایه شد.[۸] این فرمول مشهور برای آنتروپی S بصورت زیر می‌باشد[۹][۱۰]

که در آن ثابت بولتزمن و لگاریتم طبیعی می‌باشد. مخفف Wahrscheinlichkeit کلمه‌ای آلمانی برای احتمال بروز ماکرو استیت[۱۱]، و یا به عبارت دقیق‌تر، تعداد حالات ممکن ریزحالت سیستم - تعداد حالاتی (غیر قابل رویت) در حالت (قابل رویت) ترمودینامیکی سیستمی می‌تواند با ارزیابی موقعیت‌ها و مومنتم مولکول‌های مختلف سیستم تحقق یابد. پارادایم بولتزمن گاز ایده‌آلی از N ذره یکسان تشکیل شده که Ni تای آن‌ها در حالت ماکروسکوپیک موقعیت و ممنتوم iام قرار دارند. W می‌تواند توسط جایگشت ماکسول-بولتزمن تعیین شود

که در آن i شامل همه احتمالات مولکولی می‌باشد ( نشانگر فاکتوریل می‌باشد).

بولتزمن هچنین بواسطه پیشنهاد او در سال ۱۸۷۷ مبتنی برا اینکه سطح انرژی ذرات سیستم می‌تواند مجزا از هم باشد، یکی از پیشروان مکانیک کوانتمی شناخته می‌شود.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. Južnič, Stanislav (December 2001). "Ludwig Boltzmann in prva študentka fizike in matematike slovenskega rodu" [Ludwig Boltzmann and the First Student of Physics and Mathematics of Slovene Descent]. Kvarkadabra.net (in Slovenian) (12). Retrieved 17 February 2012. 
  2. "Paul Ehrenfest (1880–1933) along with Nernst[,] Arrhenius, and Meitner must be considered among Boltzmann's most outstanding students."—Jäger, Gustav; Nabl, Josef; Meyer, Stephan (April 1999). "Three Assistants on Boltzmann". Synthese 119 (1–2): 69–84. doi:10.1023/A:1005239104047. 
  3. "Walther Hermann Nernst visited lectures by Ludwig Boltzmann"
  4. Max Planck (1896). "Gegen die neure Energetik". Annalen der Physik 57: 72–78. Bibcode:1896AnP...293...72P. doi:10.1002/andp.18962930107. 
  5. Ostwald offered to Boltzmann the professorial chair of physics which was vacated upon the death of Gustav Heinrich Wiedemann.
  6. Upon Boltzmann's resignation, Theodor des Coudres became his successor in the professorial chair at Leipzig.
  7. Ruth Lewin Sime (May 13, 1997). "Lise Meitner, A Life in Physics". Washington Post. Retrieved 2009-02-06. 
  8. Max Planck, p. 119.
  9. The concept of entropy was introduced by Rudolf Clausius in 1865. He was the first to enunciate the second law of thermodynamics by saying that "entropy always increases".
  10. An alternative is the information entropy definition introduced in 1948 by Claude Shannon.[۱] It was intended for use in communication theory, but is applicable in all areas. It reduces to Boltzmann's expression when all the probabilities are equal, but can, of course, be used when they are not. Its virtue is that it yields immediate results without resorting to factorials or تقریب استرلینگ. Similar formulas are found, however, as far back as the work of Boltzmann, and explicitly in Gibbs (see reference).
  11. Pauli, Wolfgang (1973). Statistical Mechanics. Cambridge: MIT Press. ISBN 0-262-66035-0. , p. 21
  • Ruth Lewin Sime, Lise Meitner: A Life in Physics Chapter One: Girlhood in Vienna gives Lise Meitner's account of Boltzmann's life and career.
  • Ludwig Boltzmann, Universität Wien.
  • Brush, Stephen G. (ed. & tr.), Boltzmann, Lectures on Gas Theory, Berkeley, CA: U. of California Press, 1964
  • Brush, Stephen G. (ed.), Kinetic Theory, New York: Pergamon Press, 1965