Ludwig Boltzmann

20. února 1844 až 5. září 1906
rakouský fyzik

Statistika je mocný nástroj, který dokáže vyhodnotit nejen data ze sčítání lidu. Ludwiga Boltzmanna napadlo, že by se s ní daly vyhodnotit obrovské soubory částic, založil tak statistickou fyziku. A nejen to. Jeho jméno nese i řada dalších fyzikálních pojmů a zákonů.

Ludwig Boltzmann se narodil ve Vídni, kde jeho táta pracoval jako ﬁnanční komisař. Ludwig absolvoval gymnázium v Linci a od roku 1861 studoval matematiku a fyziku u Josefa Stefana a Jozefa Petzvala ve Vídni. Josefa Stefana si zvolil proto že ho zaujala jeho práce z oblasti kinetické teorie plynů. O tom, jaký byl Stefan učitel vypovídá Boltzmannova vzpomínka: “Když jsem se blíže seznámil se Stefanem, první věc, kterou mě dal, byl Maxwellův Treatise on Electricity and Magnetism. Poněvadž jsem v té době neznal dobře anglicky, Stefan mně pomáhal i v angličtině.“ [2]

Ludwig Boltzmann.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Vznik statistické fyziky

V roce 1866 obhájil Boltzmann doktorskou disertační práci, o rok později se habilitoval a stal se Stefanovým asistentem. Ve 25 letech odešel na místo profesora fyziky na univerzitu v Grazu, ale za krátkou dobu byl zvolený profesorem matematiky na univerzitě ve Vídni. V roce 1872 se ve Wiener Berichte objevila skromně nazvaná práce Weitere Studien über das Wärmegleichgewicht unter Gasmolekülen, která znamenala mezník ve vývoji statistické fyziky.

Ani ve Vídni dlouho nepobyl. Vrátil se zpět do Grazu jako profesor experimentální fyziky. Tady se seznámil se svou budoucí manželkou Henriettou von Aigentler. Pod Boltzmannovým vlivem se tato krásná žena rozhodla studovat matematiku a fyziku, to ale nebylo podle zvyklostí ani zákonů tehdejší doby možné. K jejímu zápisu musel udělit výjimku samotný ministr školství.

Boltzmann byl ale především experimentální fyzik a ve své práci se soustředil hlavně na elektrické a magnetické jevy, potvrdil Maxwellův vztah mezi dielektrickou permitivitou a indexem lomu pevných látek a plynů. Zabýval se také elektrostrikcí, magnetostrikcí, termoelektrickými jevy atd.

Entropie

Jeho hlavní zásluhou je, že rozpracoval kinetickou teorii plynů. Dokázal, že Maxwellovo rozdělení molekul ideálního plynu podle rychlostí z roku 1868 je jediné možné rovnovážné rozdělení, a přešel od rozdělení podle rychlostí k rozdělení podle energie.

Na základě prací Rudolfa Clausia a Jamese Maxwella roku 1877 propracoval vztah mezi entropií a pravděpodobností, kde koeﬁcientem úměrnosti je univerzální Boltzmannova konstanta. Narůstající entropie, o které mluví druhá věta termodynamiky, se tak stala přechodem k stále pravděpodobnějším stavům.

Vyzařování černého těleso

Ze spolupráce Boltzmanna a Stefana vzešel zákon Stefan–Boltzmannův o intenzitě vyzařování v závislosti na teplotě. Tento vztah experimentálně ověřil Stefan už v roce 1879 a Boltzmann ho teoreticky odvodil z Maxwelovy elektromagnetické teorie záření a druhé věty termodynamiky o pět let později.

Ve stejném roce při zkoumání tepelného záření na základě elektromagnetické teorie světla dospěl k závěru, že záření v dutině působí na její stěny tlakem rovným třetině energie záření v jednotce objemu. Přenesl termodynamické pojmy tlaku a teploty na záření černého tělesa.

Spor o atomy

V roce 1890 dostal Boltzmann nabídku na vedení katedry teoretické fyziky v Mnichově, kde se konečně mohl věnovat svému oboru – statistické fyzice. Po čtyřech letech odešel zpět do Vídně, kde se ale mezitím stal profesorem ﬁlozoﬁe a historie přírodních věd Ernst Mach, zarytý odpůrce atomové teorie. Boltzman proto ve Vídni dlouho nezůstal a odešel do Lipska, kde byl šéfem Wilhelm Ostwald, Boltzmannův osobní přítel, ale také stoupenec Macha.

Neustálé spory vedly koncem roku 1900 k Boltzmannově těžkému nervovému otřesu. Boltzmannův zdravotní stav se stále zhoršoval, trpěl anginou pectoris a slábnoucím zrakem. Když nepřinesl zlepšení ani léčebný pobyt v Itálii, dostavily se hluboké deprese z nichž našel 5. října 1906 východisko v sebevraždě, kterou spáchal v Duinu nedaleko Terstu.

Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

Použité zdroje

[1] JÁCHIM, F. Před devadesáti lety zemřel Ludwig Boltzmann. Matematika Fyzika Informatika: časopis pro výuku na základních a středních školách, červen 1996, roč. 5, č. 10. s. 554–555. ISSN 1210–1761.

[2] KVASNICA, J. Ludwig Boltzmann. Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 1976, roč. 21, č. 5, s. 291-292. ISSN 0032-2423.

[3] LENARD, P. Velcí přírodozpytci. Přeložil F. X. Lánský. 2. české vydání. Praha: Vydavatelstvo Družstevní práce, 1943.

[4] Encyklopedická edice, listy, matematici. ISBN 80–860–44–05–X.