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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Ash-Theorem. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Ludwig Boltzmann, der Autor des "Asche-Theorems", war ohne Zweifel der größte Wissenschaftler und Denker, den Österreich der Welt geschenkt hat. Schon zu Lebzeiten galt Boltzmann trotz seiner Position als Außenseiter in wissenschaftlichen Kreisen als großer Wissenschaftler, er wurde zu Vorträgen in viele Länder eingeladen. Und doch bleiben einige seiner Ideen bis heute ein Rätsel. Boltzmann selbst schrieb über sich: „Die Idee, die mein Denken und Handeln erfüllt, ist die Entwicklung der Theorie.“ Und Max Laue präzisierte diese Idee später so: „Sein Ideal war es, alle physikalischen Theorien in einem einzigen Weltbild zu vereinen.“Ludwig Eduard Boltzmann wurde am 20. Februar 1844 in Wien geboren. Ludwig studierte hervorragend, und seine Mutter förderte seine vielfältigen Interessen und gab ihm eine umfassende Ausbildung. 1863 trat Boltzmann in die Universität Wien ein, wo er Mathematik und Physik studierte. Damals war die Maxwellsche Elektrodynamik die neueste Errungenschaft der theoretischen Physik. Es überrascht nicht, dass Ludwigs erster Artikel auch der Elektrodynamik gewidmet war. Doch bereits in seiner zweiten Arbeit, veröffentlicht 1866 im Artikel „Über die mechanische Bedeutung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik“, in der er zeigte, dass die Temperatur der mittleren kinetischen Energie von Gasmolekülen entspricht, waren Boltzmanns wissenschaftliche Interessen bestimmt. Im Herbst 1866, zwei Monate vor seiner Promotion, wurde Boltzmann als Assistenzprofessor am Physikalischen Institut aufgenommen. 1868 erhielt Boltzmann das Lehrrecht an Universitäten, ein Jahr später wurde er ordentlicher Professor für mathematische Physik an der Universität Graz. Während dieser Zeit beschäftigte er sich neben der Entwicklung seiner theoretischen Ideen auch mit experimentellen Untersuchungen der Beziehung zwischen der Dielektrizitätskonstante und dem Brechungsindex, um eine Bestätigung von Maxwells vereinheitlichter Theorie der Elektrodynamik und Optik zu erhalten. Für seine Experimente ließ er sich zweimal kurz von der Universität beurlauben, um in den Laboratorien von Bunsen und Königsberger in Heidelberg zu arbeiten Helmholtz und Kirchhoff in Berlin. Die Ergebnisse dieser Studien wurden 1873–1874 veröffentlicht. Boltzmann beteiligte sich auch aktiv an der Planung des neuen Physikalischen Laboratoriums in Graz, dessen Direktor er 1876 wurde. Bereits 1871 wies Boltzmann darauf hin, dass der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nur mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitstheorie aus der klassischen Mechanik abgeleitet werden könne. 1877 erschien Boltzmanns berühmter Artikel über den Zusammenhang zwischen Entropie und der Wahrscheinlichkeit eines thermodynamischen Zustands in den Wiener Physikalischen Mitteilungen. Der Wissenschaftler zeigte, dass die Entropie eines thermodynamischen Zustands proportional zur Wahrscheinlichkeit dieses Zustands ist und dass die Wahrscheinlichkeiten von Zuständen auf der Grundlage des Verhältnisses zwischen den numerischen Eigenschaften der Verteilungen von Molekülen, die diesen Zuständen entsprechen, berechnet werden können. Irreversible Prozesse in der Natur sind nach Boltzmann Übergangsprozesse von einem weniger wahrscheinlichen Zustand zu einem wahrscheinlicheren. Reversible Übergänge sind nicht möglich, aber unwahrscheinlich. Daher muss die Entropie auch mit der Wahrscheinlichkeit eines gegebenen Zustands des Systems in Beziehung gesetzt werden. Dieser Zusammenhang wurde von Boltzmann in seinem sogenannten H-Theorem hergestellt. Das „Ash-Theorem“ wurde zum Höhepunkt von Boltzmanns Lehre vom Universum. Die Formel dieses Anfangs wurde später als Epitaph in das Denkmal über seinem Grab gehauen. Diese Formel ist im Wesentlichen dem Gesetz der natürlichen Auslese sehr ähnlich. Charles Darwin. Nur Boltzmanns „Ash-Theorem“ zeigt, wie das „Leben“ des Universums selbst entsteht und fortschreitet. „Ebenso wie Differentialgleichungen nur ein mathematisches Rechenverfahren darstellen und ihre wahre Bedeutung“, schreibt Boltzmann, „nur mit Hilfe von Darstellungen verstanden werden kann, die auf einer großen endlichen Anzahl von Elementen beruhen, zusammen mit der allgemeinen Thermodynamik, und ohne von ihr abzuweichen Bedeutung, die niemals erschüttert werden kann, trägt die Entwicklung mechanischer Darstellungen, die sie anschaulich machen, zur Vertiefung unserer Naturerkenntnis bei, und zwar nicht trotz, sondern gerade weil sie nicht in allen Punkten mit der allgemeinen Thermodynamik übereinstimmen, sie eröffnen die Möglichkeit zu neuen Sichtweisen. Diese neuen Gesichtspunkte sind, dass die Übergänge des Systems von einem Zustand in einen anderen den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitstheorie gehorchen. „Die Einführung der Wahrscheinlichkeitstheorie in die Betrachtung mechanischer Systeme (und die Teilchen des Körpers in Boltzmanns Theorie gehorchen den Gesetzen der Mechanik)“, schreibt P. S. Kudryavtsev in seinem Buch, „scheint ein Widerspruch zu sein. Das dynamische Muster, das die Mechanik behandelt mit schien so eindeutig, dass es Laplace glaubte, dass, wenn der Verstand Zugriff auf das Wissen über die Position aller Teilchen des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt und die zwischen ihnen wirkenden Kräfte hätte, er diese Daten vorhersagen könnte, wenn er die Fähigkeit hätte, diese Daten mathematisch zu verarbeiten Zukunft des Universums mit Sicherheit, sowie seine Vergangenheit sehen. Wie führen die Gesetze der Mechanik in der kinetischen Theorie zur Statistik? Boltzmann beantwortet diese Frage: Die Ursache der Statistik liegt in der Mechanik selbst, in den Anfangsbedingungen. Die vernachlässigbare Rauhigkeit der Gefäßwände, gegen die die Moleküle des Gases prallen, reicht aus, um Chaos in die ursprüngliche Ordnung zu bringen, wenn es denn dazu kommen sollte. Die Erhaltungssätze beim Stoß zweier Moleküle lassen vollen Spielraum für die Richtungen der Geschwindigkeiten nach dem Stoß. All dies führt dazu, dass gerade aufgrund der mechanischen Wechselwirkungen von Molekülen ihre geordnete Bewegung unwahrscheinlich und die chaotische am wahrscheinlichsten wird. Die Entwicklung dieses Gedankengangs führte Boltzmann zu einer neuen Sichtweise auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Boltzmann formuliert dieses Gesetz wie folgt: „Wenn ein beliebiges System von Körpern sich selbst überlassen wird und nicht der Einwirkung anderer Körper unterliegt, kann immer angegeben werden, in welche Richtung jede Zustandsänderung erfolgen wird.“ Diese Richtung kann durch eine Änderung einer Zustandsfunktion charakterisiert werden – die Entropie, die sich mit der Zustandsänderung des Systems in Richtung Anstieg ändert. Daher die Schlussfolgerung, „dass jedes geschlossene System von Körpern zu einem bestimmten Endzustand tendiert, für den die Entropie maximal ist!“ Wie können wir diese Orientierung mit der Reversibilität der Gleichungen der Mechanik vereinbaren? Nähert sich die Natur wirklich ihrem natürlichen Ende – dem „thermischen Tod“ mit unaufhaltsamem Schicksal? Boltzmann war der erste, der eine statistische Interpretation des zweiten Hauptsatzes gab und seine probabilistische Natur offenbarte. Es besteht kein Widerspruch zwischen der Reversibilität der Gleichungen der Mechanik und der Irreversibilität von Prozessen in einem geschlossenen mechanischen System. Stellen Sie sich eine Trommel vor, die mit halb weißen und halb schwarzen Kugeln gefüllt ist, eine über der anderen. Wenn die Trommel in Rotation versetzt wird, vermischen sich die Kugeln aufgrund mechanischer Gesetze und am Ende vermischen sich die weißen und schwarzen Kugeln gleichmäßig, wodurch über das gesamte Volumen die gleiche „Buntheit“ entsteht. Die Sammlung von Bällen hat sich von einem weniger wahrscheinlichen Zustand zu einem wahrscheinlicheren bewegt. Der deutsche Physiker Clausius zog aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik Rückschlüsse auf die Unausweichlichkeit des Hitzetodes. Diese Gedanken wurden nicht nur von vielen Physikern übernommen, sondern hauptsächlich von Philosophen, die starke, scheinbar unbestreitbare Argumente für idealistische Konzepte des Anfangs und Endes der Welt erhielten, einschließlich für Empiriokritizismus, die Lehren von E. Mach und die „energetische“ die Lehre von W. Ostwald. Der unbezwingbare Ludwig Boltzmann erklärte mit seinem Ash-Theorem: „Der Hitzetod ist ein Bluff. Es ist kein Ende der Welt vorhersehbar. Energien stammen, wie die Ostwaldianer glauben, von Atomen und Molekülen, und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sollte nicht darauf angewendet werden.“ eine Art „Äther“, Geist oder Energiesubstanz, sondern auf bestimmte Atome und Moleküle. Rund um das „Ash-Theorem“ von Ludwig Boltzmann entbrannten sofort Diskussionen mit nicht geringerer Intensität als über den Hitzetod. Das „Ash-Theorema“ und die auf seiner Grundlage aufgestellte Fluktuationshypothese wurden mit aller Sorgfalt und Gewissenhaftigkeit seziert und fanden erwartungsgemäß klaffende, scheinbar unverzeihliche Mängel für einen so großen Wissenschaftler wie Boltzmann. Es stellte sich heraus, dass wir, wenn wir die Boltzmann-Hypothese als wahr annehmen, eine solch ungeheuerliche Annahme für den Glauben akzeptieren müssen, die in keinen Rahmen des gesunden Menschenverstands passt: Früher oder später, oder vielmehr schon jetzt, muss es irgendwo im Universum eine geben Prozesse in entgegengesetzter Richtung zur Richtung des zweiten Hauptsatzes, dh Wärme muss von kälteren Körpern zu heißeren wandern! Ist das nicht absurd. Boltzmann verteidigte diese "Absurdität", er sei zutiefst davon überzeugt, dass ein solcher Entwicklungsgang des Universums der natürlichste sei, da er eine zwangsläufige Folge seiner atomaren Struktur sei. Es ist unwahrscheinlich, dass das "Ash-Theorem" einen solchen Ruhm erlangt hätte, wenn es von einem anderen Wissenschaftler aufgestellt worden wäre. Aber es wurde von Boltzmann vorgebracht, der nicht nur die Welt hinter dem Vorhang vor anderen verborgen sehen konnte, sondern sie mit der ganzen Leidenschaft eines Genies zu verteidigen wusste, das mit grundlegenden Kenntnissen sowohl der Physik als auch der Philosophie bewaffnet war. Als Höhepunkt der dramatischen Ereignisse zwischen dem materialistischen Physiker und den Machisten sollte offenbar der Naturforscherkongress 1895 in Lübeck gelten, auf dem Ludwig Boltzmann seinen feindlichen Freunden eine offene Schlacht lieferte. Er gewann, aber infolgedessen fühlte er nach dem Kongress eine noch größere Leere um sich herum. 1896 schrieb Boltzmann einen Artikel „Über die Unvermeidlichkeit der Atomistik in den physikalischen Wissenschaften“, in dem er mathematische Einwände gegen Ostwalds Energieismus vorbrachte. Bis 1910 war die Existenz der Atomistik ständig bedroht. Boltzmann kämpfte alleine und hatte Angst, dass sein Lebenswerk in Vergessenheit gerät. Am Ende hielt Boltzmann den kolossalen Belastungen nicht mehr stand, fiel in eine tiefe Depression und beging am 5. September 1906 Selbstmord. Es ist sehr bedauerlich, dass er die Wiederauferstehung des Atomismus nicht mehr erlebt hat und mit dem Gedanken starb, dass alle die kinetische Theorie vergessen hatten. Viele von Boltzmanns Ideen haben jedoch bereits ihre Lösung in so erstaunlichen Entdeckungen wie dem Ultramikroskop, dem Doppler-Effekt, Gasturbinentriebwerken und der Freisetzung der Energie des Atomkerns gefunden. Und das sind alles nur individuelle Folgen des atomaren Aufbaus der Welt. Autor: Samin D. K.
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