Ludwig Boltzmann

Ludwig Eduard Boltzmann
31 éves korában
Életrajzi adatok
Született	1844. február 20. Bécs,
Elhunyt	1906. szeptember 5. (62 évesen) Duino-Aurisina (Olaszország),
Sírhely	Wiener Zentralfriedhof
Ismeretes mint	fizikus kémikus egyetemi oktató matematikus filozófus elméleti fizikus
Nemzetiség	osztrák
Állampolgárság	osztrák–magyar
Házastárs	Henriette von Aigentler
Gyermekek	3 lány, 2 fiú
Iskolái	Bécsi Egyetem
Pályafutása
Szakterület	fizika, kémia, matematika, filozófia
Kutatási terület	elméleti fizika
Tudományos fokozat	Doktor (szigorlat alapján, Bécsi Egyetem, 1866)
Munkahelyek
Grazi Egyetem	matematikai fizika professzora, később a Kísérleti Fizikai Intézet vezetője; rektor (1887–1890)
Bécsi Egyetem	(?; 1902–1906)
Müncheni Egyetem	elméleti fizika professzora (1890–1893)
Más munkahelyek	udvari tanácsos (1889–)
Szakmai kitüntetések
„Bavarian Maximilian Order for Science and Art” Oxfordi Egyetem díszdoktora
Akadémiai tagság	Császári Tudományos Akadémia (1885) Royal Society (1899)
Hatással voltak rá	Josef Stefan
Hatással volt	Paul Ehrenfest Philipp Frank Gustav Herglotz Franc Hočevar Ignacij Klemenčič Max Planck Lise Meitner Stefan Meyer Svante Arrhenius Walther Nernst Wilhelm Ostwald
Ludwig Eduard Boltzmann aláírása
A Wikimédia Commons tartalmaz Ludwig Eduard Boltzmann témájú médiaállományokat.

24 éves korában

58 évesen

Ludwig Eduard Boltzmann (Bécs, 1844. február 20. – Duino bei Triest (Osztrák–Magyar Monarchia), 1906. szeptember 5.) osztrák fizikus és filozófus, a 19. század elméleti fizikájának egyik legnagyobb alakja. Eredményei közül a legjelentősebbek:

• a statisztikus mechanika megalapozása,
• a termodinamika második főtételének mikroszkopikus értelmezése,
• a nem egyensúlyi és transzportfolyamatok leírása, valamint
• a feketetest-sugárzás Jožef Štefan által empirikus úton felállított $T^{4}$-es törvényének elméleti levezetése.

A fizikában egy egész sor tényező, illetve tétel viseli a nevét:

• Boltzmann-állandó
• Maxwell–Boltzmann-eloszlás
• Boltzmann-eloszlás
• Boltzmann-tényező
• Boltzmann-féle transzportegyenlet
• Stefan–Boltzmann-törvény
• Stefan–Boltzmann-állandó
• Boltzmann-féle H-teoréma
• Boltzmann-egyenlet

Élete

Apja német illetőségű császári adóhivatalnok volt, anyja, Katharina Pauernfeind családja pedig salzburgi. A család később Felső-Ausztriába költözött, így Boltzmann Linzben járt középiskolába. 15 éves korában elvesztette édesapját, de édesanyja továbbra is biztosította a tanulás anyagi hátterét. Az érettségi után 1863-ban a Bécsi Egyetem fizika fakultására iratkozott be. Tanárai között volt a magyar származású Petzval József, a fotográfiai lencsék tökéletesítője, Andreas von Ettingshausen és a szlovén nemzetiségű osztrák fizikus Josef Stefan (1835–1893), akinél 1866-ban a doktori címet szerzett a kinetikus gázelméletről írt dolgozatával. 1867-ben Stefan asszisztense lett.

1869-ben a Grazi Egyetem matematikai fizika professzorává nevezték ki, de közben dolgozott Heidelbergben (Robert Bunsen és Leo Königsberger mellett) és a berlini Humboldt Egyetemen (Gustav Kirchhoff és Hermann von Helmholtz mellett) is.

1876-ban a Kísérleti Fizikai Intézet vezetőjeként tért vissza Grazba. Az ott töltött 14 év boldog időszak volt az életében: házasságot kötött Henriette von Aigentlerrel, három lányuk és két fiuk született. Ekkor alakította ki a természetet statisztikusan leíró elméletének alapjait.

Boltzmann és munkatársai 1887-ben, Grazban.
Álló sor balról: Nernst, Streintz, Arrhenius, Hiecke.
Ülő sor balról: Aulinger, Ettingshausen, Boltzmann, Klemenčič, Hausmanninger

Az 1880-as években a tudományos tekintélyt szerzett tudóst számos fiatal tehetség kereste fel, hogy tanuljon tőle, többek között Svante Arrhenius Svédországból, valamint Walther Nernst és Wilhelm Ostwald Németországból. Szakmai elismerését igazolja, hogy 1885-ben a Császári Tudományos Akadémia tagjává választották és a kormányzat is kitüntette, az egyetem rektora (1887) és udvari tanácsos (1889) lett.

1890-ben a Lajos–Miksa Egyetemen az elméleti fizika professzora lett, de 1893-ban visszatért Bécsbe, hogy egykori tanára, Josef Stefan utódjaként az egyetem Elméleti Fizikai Intézetének vezetője legyen. Itt az atomok létével kapcsolatosan éles vitákba keveredett Ernst Machhal, ezért 1900-ban Wilhelm Ostwald hívására a lipcsei egyetemre ment tanítani.

1902-ben Mach nyugalomba vonulása után visszatért Bécsbe (azzal a feltétellel, hogy a jövőben nem vállal állást a birodalmon kívül). Nemcsak matematikai és fizikai, de filozófiai előadásokat is kellett tartania, többek közt Mach filozófiájáról. Ezek nagyon népszerűek voltak, még Ferenc József császár is felfigyelt rá, és meghívta magához.

1904-ben amerikai előadókörutat tett. Tudományos munkájának elismeréseként tagjává választotta a Royal Society, az Oxfordi Egyetem pedig díszdoktorává avatta.

Élete utolsó éveiben komoly egészségi problémákkal küszködött. Látása egyre gyengébb lett, sem írni, sem olvasni nem volt képes, tudományos cikkeit feleségének diktálta le. Boltzmann gyakran megtapasztalta a depressziós hangulat és az emelkedett, beszédes vagy ingerlékeny hangulat váltakozásait mint a diagnosztizálatlan bipoláris zavar tüneteit. A hozzá közel állók tudtak a súlyos depresszióval vívott küzdelméről és öngyilkossági kísérleteiről. Ráadásul asztma és erős fejfájás kínozta. A depresszió egyre jobban elhatalmasodott rajta, és végül felakasztotta magát.

A bécsi Zentralfriedhofban felállított sírkőbe vésve az entrópia (S) és a termodinamikai valószínűség (W) közötti $S=k\cdot logW$ összefüggés áll.

Tudományos munkái

Maxwell–Boltzmann-féle eloszlási törvény

Az 1870-es években Boltzmann cikkekben és tanulmányokban mutatta meg, hogy a termodinamikának az energiacserére vonatkozó második főtétele megmagyarázható, ha a mechanika és a valószínűség-elmélet törvényeit alkalmazzuk az atomok mozgására. Ezzel világossá tette a második főtétel statisztikus jellegét és igazolta, hogy egy rendszer azért közeledik a termodinamikai egyensúlyi állapot (tökéletesen egyenletes energiaeloszlás) felé, mert az egyensúly egy anyagi rendszer mindenképpen legvalószínűbb állapota. Kidolgozta az energia adott hőmérsékletű rendszer különböző részei közti eloszlásának általános törvényét és levezette az energia-ekvipartíció elméletét (Maxwell–Boltzmann-féle eloszlási törvény). A törvény szerint egy atom valamennyi különböző mozgásirányában a részt vevő energia átlagos mennyisége azonos. Egyenletbe foglalta, hogyan változik az energia megoszlása az atomok ütközései miatt, lefektette a statisztikus mechanika alapjait.

Megfogalmazta az ergodikus hipotézist, amely azt mondja ki, hogy elég hosszú idő után tetszőleges rendszer állapotai egyenletesen oszlanak el annak fázisterén.

Stefan-Boltzmann törvény

1879-ben Jožef Štefan mérte meg először a fekete test által az összes hullámhosszon kisugárzott energiát (feketetest-sugárzás). Azt tapasztalta, hogy egy abszolút fekete test kisugárzott összes energiája a hőmérséklet negyedik hatványával arányos. Ezt Boltzmann 1882-ben termodinamikai alapokról elméletileg is levezette. Kettőjük munkájának eredménye lett a róluk Stefan–Boltzmann-törvénynek nevezett összefüggés, az ebben szereplő arányossági tényező pedig a Stefan–Boltzmann-állandó.

Emlékezete

Statisztikus mechanikai munkáját erősen támadták és sokáig félreértették, következtetéseit, elméletének jelentőségét saját korában nem ismerték fel, eredményei tudományos viták központjában álltak. Ebben nyilvánvalóan szerepet játszott, hogy elméleti meggondolásait az anyag atomos, molekuláris felépítésének feltételezésére építette egy olyan időszakban, amikor az a tudományos közfelfogással még szöges ellentétben állt, és amit csak halála után tudtak kísérletileg igazolni. Ma Boltzmannt elsősorban a statisztikus fizika megalapozójaként tiszteljük. Az ő nevét viseli a statisztikus fizikai kutatásokért háromévenként adományozott legnagyobb kitüntetés, a Boltzmann-emlékérem.

Ausztria és Németország városaiban 12 közterület (utca) viseli a nevét, a Hold déli féltekéjén pedig egy meglehetősen idős kráter.

Források

• Magyar nagylexikon IV. (Bik–Bz). Főszerk. Élesztős László, Rostás Sándor. Budapest: Akadémiai. 1995. 264. o. ISBN 963-05-6928-0  
• Fizikai Szemle 2006/9. Iglói Ferenc Száz éve halt meg Ludwig Eduard Boltzmann, a statisztikus fizika megalapozója
• A mechanikai hőelmélet második főtétele és a valószínűségelmélet közötti kapcsolatról, részlet
• Liszi János Kvantumok a kémiában / A Fizikai kémia történetéből / Ötödik rész / Statisztikus mechanika

Irodalom

• Engelbert Broda: Ludwig Boltzmann: Mensch • Physiker • Philosoph. Franz Deuticke, Wien 1955. angol forditás: Ludwig Boltzmann: Man–Physicist–Philosopher, Ox Bow Press 1983, ISBN 0-918024-24-2
• Wolfgang Stiller: Ludwig Boltzmann: Altmeister der klassischen Physik. Wegbereiter der Quantenphysik und Evolutionstheorie. Barth, Leipzig 1988.
• Carlo Cercignani: Ludwig Boltzmann: The Man Who Trusted Atoms. Oxford 2006, ISBN 0-19-857064-3