Лю́двиг Бо́льцман (; ) — австрийский , основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории.
Член Венской Императорской академии наук (1885), иностранный член Лондонского королевского общества (1899), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899), Парижской академии наук (1900)Les membres du passé dont le nom commence par B и ряда других.
Биография Людвиг Эдуард Больцман родился 20 февраля 1844 года в городе Вене Австрийской империи, ныне город — столица Австрийской Республики. Его отец, Людвиг Георг Больцман (1802 — 22 июня 1859), работал в имперской внутренней налоговой службе, в 1837 году женился на дочери купца Марии Катарине Пауерфайнд, умер от туберкулёза. Родственники со стороны отца были протестантами, а со стороны матери — католиками.
Вскоре семья переехала в город Вельс, а затем в город Линц, где в 1863 году Больцман с отличием окончил гимназию. В 1866 году он окончил Венский университет, где учился у Йозефа Стефана и Иоганна Йозефа Лошмидта, и защитил докторскую диссертацию. В 1867 году стал приват-доцентом Венского университета и в течение двух лет являлся ассистентом профессора Йозефа Стефана. В 1868 году получил степень доктора.
В 1869 году Больцман был приглашён на должность ординарного профессора математической физики в Грацском университете с обязательством читать курс «Элементы высшей математики». В 1873 году стал ординарным профессором математики Венского университета, сменив в этой должности своего наставника Мотта. Однако вскоре (в 1876 году) вернулся в Грац, где стал профессором экспериментальной физики и директором Физического института, нового учреждения, где в своё время работали Вальтер Нернст и Сванте Аррениус.
В 1878 году стал деканом философского факультета Грацского университета. В 1887 году стал ректором Грацского университета.
Став известным теоретиком, Больцман в 1890 году стал профессором теоретической физики в Мюнхенском университете, город Мюнхен, Королевство Бавария, Германская империя. В 1895 году вернулся в Вену в качестве преемника Йозефа Стефана по должности профессора теоретической физики. Спокойно вести научную и педагогическую работу Больцману не удавалось, поскольку в это время профессором философии Венского университета был Эрнст Мах, который в своих лекциях отрицал атомистические представления, лежавшие в основе больцмановской теории.
4 декабря 1899 года избран членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской академии наук по разряду физическому физико-математического отделения. Представление сделали: князь Борис Борисович Голицын и Михаил Александрович Рыкачёв.
В 1900 году Больцман стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете, город Лейпциг, Королевство Саксония, Германская империя. Там столкнулся с сопротивлением другого анти-атомиста Вильгельма Оствальда. В 1902 году Больцман вновь вернулся в Вену, где занял (помимо кафедры теоретической физики) ещё и освобождённую Махом кафедру натурфилософии, обеспечив себе таким образом комфортные условия для работы. Больцмана многократно приглашали читать лекции в различных университетах Европы и Америки.
К 1900 году у Больцмана развилась тяжёлая форма астмы, он переживал мучительные приступы болезни и сильно страдал от болей. Напряжённая полемика вокруг молекулярно-кинетической теории сказывалась на состоянии его нервной системы.
Летом 1905 года Больцман предпринял путешествие в Соединённые Штаты Америки, где прочитал 30 лекций на английском в рамках летней школы в Калифорнийском университете в Беркли, город Беркли, штат Калифорния. О своей поездке он оставил юмористическое эссе «Путешествие немецкого профессора в Эльдорадо».
В 1906 году Больцман прервал лекции и отправился на лечение на курорт Дуино, недалеко от Триеста, вместе с женой и дочерью Эльзой.
Людвиг Эдуард Больцман покончил с собой 5 сентября 1906 года повесившись на оконном шнуре в гостиничном номере гостиницы «Ples» в курортном посёлке Дуино района Монфальконе окняженного графства Горица и Градишка коронной земли Кюнстенланд (Австрийское Приморье) Королевств и земель, представленных в Рейхсрате (Цислейтания) Австро-Венгерской монархии, ныне посёлок входит в коммуну Дуино-Ауризина провинции области Фриули-Венеция-Джулия Итальянской Республики. Самоубийство Больцмана связывают с депрессией, вызванной тем, что идеи развиваемой им статистической физики в то время не находили понимания в физическом сообществе.
Изначально Людвиг Эдуард Больцман был похоронен на Дёблингском кладбище города Вены Австро-Венгерской монархии, ныне город — столица Австрийской Республики. В 1929 году был перезахоронен того же города. На могильном камне Больцмана работы скульптора Густинуса Амбрози выбита установленная им формула
связывающая энтропию термодинамического состояния с числом соответствующих микросостояний . Коэффициент Дж·К−1 носит название постоянной Больцмана.
Вместе с Людвигом Больцманом похоронены: жена Генриетта, (левый нижний угол: Henriette Boltzmann — geb. Edle von Aigentler, 1854—1938); сын Артур Больцман, авиатор и метролог (справа в середине: Arthur Boltzmann — Dipl. Ing. Dr. Phil. Hofrat, 1881—1952); Паула, жена Артура (верхний правый угол: Dr. Phil. Paula Boltzmann — geb. Chiari, 1891—1977). Людвиг, сын Артура и Паулы, внук и последний потомок Больцмана по мужской линии, погибший в 1943 году под Смоленском (нижний правый угол: Ludwig Boltzmann 1923—1943, Letzter Männlicher Nachkomme. Gefallen bei Smolensk). Ильзе, дочь Артура и Паулы, внучка Больцмана и хранитель его научного наследия (верхний левый угол: Ilse Fasol — geb. Boltzmann, 1927—2021).
Научная деятельность
Работы Больцмана касаются преимущественно кинетической теории газов, термодинамики и теории излучения, а также некоторых вопросов капиллярных явлений, оптики, математики, механики, теории упругости и т. д.
В 1871 году предложил эргодическую гипотезу для обоснования закономерностей статистической физики.
В 1872 году вывел основное уравнение микроскопической теории неравновесных процессов (физической кинетики), носящее его имя, а также установил так называемую H-теорему, выражающую закон возрастания энтропии для изолированной системы. В том же году показал статистический характер второго начала термодинамики, связав энтропию замкнутой системы с числом возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние. Это стало указанием на несостоятельность представления о «тепловой смерти Вселенной».
Больцман являлся активным сторонником атомистических представлений и отстаивал их в борьбе с представителями махизма и других идеалистических учений (среди них — Э. Мах и В. Оствальд).
Кинетическая теория газов и статистическая физика В 1871—1872 годах Больцман опубликовал три важные работы: «О тепловом равновесии многоатомного газа», «Аналитическое доказательство 2-го закона механической теории тепла» и «Дальнейшее исследование теплового равновесия газовых молекул». В этих исследованиях он анализировал установление теплового равновесия в газах и расширил распределение Максвелла на многоатомные молекулы и смеси газов. Полученное им больцмановское распределение стало основой для применения классической статистики во многих областях физики. В работе 1875 года «О тепловом равновесии в газе, на который действуют внешние силы» Больцман показал, что его предыдущие результаты применимы и к газам в поле внешних сил. В этой же работе он представил общее газокинетическое уравнение в форме, используемой до сих пор. Введя функцию как средний логарифм функции распределения, он сформулировал и доказал H-теорему: эта функция с течением времени не может возрастать, что по поведению аналогично энтропии с обратным знаком. Он также показал, что только больцмановское распределение удовлетворяет условиям статистического равновесия. В 1877 году в работе «О связи между 2-м законом механической теории тепла и теорией вероятностей» Больцман указал связь H-функции со статистическим весом состояния системы, доказав, что наиболее вероятное состояние совпадает с состоянием теплового равновесия. Обобщив эти результаты на многоатомные молекулы и на системы в поле внешних сил, он вычислил функцию для идеального одноатомного газа и обнаружил её пропорциональность энтропии. Это позволило связать энтропию с вероятностью данного макроскопического состояния через формулу , ставшую одним из краеугольных камней статистической физики. В последующих работах Больцман разработал методы приближенного решения своего уравнения, вывел из него гидродинамические уравнения и исследовал возможность применения кинетической теории газов к случаям с силами притяжения между молекулами. Он также применил свой метод к изучению явлений переноса в газах, включая диффузию и внутреннее трение.
Исследования в электромагнетизме Больцман был одним из первых пропагандистов теории Максвелла, которая в то время казалась многим учёным слишком сложной. Его первая крупная экспериментальная работа была посвящена доказательству справедливости максвелловского соотношения между показателем преломления и диэлектрической постоянной вещества. Сначала он исследовал твёрдые изоляторы, определив методом конденсатора диэлектрические постоянные серы и парафина. Затем, преодолев значительные технические трудности, Больцман измерил диэлектрические постоянные различных газов: воздуха, водорода, кислорода, углекислого газа и других. Больцман первым теоретически вывел зависимость диэлектрической постоянной от направления в анизотропных средах и сам проверил этот вывод экспериментально, исследуя шар из кристалла ромбической серы. Этими работами он предоставил экспериментальные доказательства правильности теории Максвелла. В 1872—1874 годах Больцман изучал поляризацию диэлектриков в электрическом поле. В частности, он показал, что изменение ёмкости конденсатора объясняется именно поляризацией диэлектрика, а не его слабой проводимостью. Теоретические работы Больцмана в этой области включали исследования движения электричества на изогнутых поверхностях и взаимодействия частей электрического контура произвольной формы.
Теория излучения и другие области исследований В 1884 году Больцман теоретически вывел закон Стефана о тепловом излучении. Из общих соображений он получил формулу, связывающую давление и плотность энергии чёрного излучения, а затем, применив термодинамику к тепловому излучению, вывел известную формулу закона излучения. Лоренц назвал эту работу «перлом физики». Больцман также внёс вклад в теорию термоэлектричества, диамагнетизма и эффекта Холла, где указал возможность определения знака носителей заряда. Он исследовал явления электро- и магнитострикции, влияние магнитного поля на электрический разряд в разреженных газах, капиллярные явления и теплоёмкость газов. По идее Больцмана был построен прибор, позволяющий оптическим методом анализировать акустические колебания. С помощью этого метода были исследованы периоды, амплитуды, сдвиги фаз и другие характеристики колебаний в воздушных резонаторах. Несколько работ Больцмана посвящены теории упругого последействия. Он отстаивал теорию, согласно которой упругая сила зависит не только от мгновенной, но и от предшествующей деформации, и пытался подтвердить эту теорию опытами по крутильным колебаниям металлических стержней.
Память
Астероид главного пояса . Открыт 12 сентября 1991 года Фраймутом Бёрнгеном и Лутцем Дитером Шмаделем в Тюрингской обсерватории в Таутенбурге, Федеративная Республика Германия. Первоначально обозначался (при изучении совпал с астероидом ). 4 августа 2001 года астероиду присвоено имя Людвига Больцмана. Период обращения 1310 дней (3,59 года). Не относится к объектам, сближающимся с Землёй. Диаметр 2,27 км. В 1964 году Международный астрономический союз присвоил имя Больцмана ударному кратеру в южной приполярной области на видимой стороне Луны. Кратер лежит у западного лимба Луны и практически недоступен для наблюдения с Земли. Диаметр 72,3 км. Наибольшая глубина 2780 м. Бюст в Венском университете, установлен в 1912 году Мемориальная доска на здании Грацского университета