Что же сделал Больцман, благодаря чему стал знаменит?

Он открыл закономерности распределения скоростей молекул в многоатомном газе и в смеси газов. Максвелл сделал это только для одноатомных газов. Вслед за этим ученый установил распределение молекул по скоростям в газе, на молекулы которого действуют внешние силы. Этими двумя работами была по сути дела закончена разработка молекулярно-кинетической теории газов.

Больцман применил свою теорию к объяснению законов термодинамики. Особенно большое значение имеют его исследования по второму принципу термодинамики.

До Больцмана термодинамика развивалась без всякой связи с молекулярно-кинетической теорией. Принципы термодинамики выражали самые общие свойства тепловой энергии. Согласно первому принципу, закон сохранения энергии распространяется и на тепловые явления, а так как молекулярно-кинетическая теория выяснила, что тепловая энергия есть механическая энергия хаотического движения молекул, то первый принцип нашел свое механистическое объяснение.

Хуже обстояло дело со вторым принципом. В соответствии с ним тепловые явления коренным образом отличаются от механических. Все механические явления обратимы. Это означает, что если мы в уравнениях, описывающих механическое движение, заменим положительный знак у времени на отрицательный, то ход процесса изменится на обратный. Изменение знака означает, что мы рассматриваем не будущее состояние тела или системы тел, а прошлое (по отношению к настоящему).

Оказалось, что тепловые процессы не обладают таким свойством – они необратимы. Сосуд с газом, температура которого выше температуры окружающего воздуха, будет всегда остывать, но никогда не нагревается до более высокой температуры. Теплота может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому, но обратный процесс невозможен. Это свойство тепловой энергии термодинамике удалось выразить в виде математической формулы, в которую входит некоторая функция S, получившая название энтропии. Функция эта обладает тем свойством, что при любом тепловом процессе, происходящем в действительности, она возрастает и никогда не может уменьшиться. Выражение этой функции можно найти для любого теплового процесса, связанного с переходом теплоты от одного тела к другому. Поэтому она сразу дает ответ на вопрос, произойдет ли в естественных условиях рассматриваемый процесс. Нужно высчитать значение энтропии S1 в начале и S2 в конце процесса, и если окажется, что S2 больше S1, то процесс может совершиться; если же S2 меньше S1, то такой процесс невозможен в естественных условиях. Поэтому второй принцип термодинамики был сформулирован таким образом: энтропия при всех тепловых процессах возрастает.

Некоторые физики распространили этот принцип на всю Вселенную и пришли к такому выводу: поскольку везде во Вселенной теплота переходит только от тел с высокой к телам с более низкой температурой, то происходит постепенное выравнивание температур, и когда температуры всех тел станут одинаковыми, дальнейший переход прекратится, перестанут происходить все тепловые процессы, иначе говоря, наступит тепловая смерть Вселенной. Поэтому эти ученые сформулировали второй принцип термодинамики так: Вселенная стремится к тепловой смерти. Во времена Больцмана этот закон считался самым общим законом природы.

Из такого состояния термодинамики следовало два очень важных следствия, которые не замедлили сделать физики и философы. Физики стали утверждать, что, поскольку тепловые явления необратимы, а механические обратимы, термодинамику принципиально нельзя свести к механике, следовательно, и молекулярно-кинетическая теория не может быть применена к тепловым явлениям, то есть задача физики, состоящая в том, чтобы дать всем явлениям механистическое объяснение, не может быть выполнена.

Философы же, принадлежащие к идеалистическому направлению, сделали такой вывод: поскольку Вселенная сама по себе не может выйти из состояния тепловой смерти, то кто-то когда-то вывел ее из этого состояния, завел «мировые часы», и они теперь идут, пока не остановятся. Кто это сделал? Очевидно, какая-то сила, не подчиняющаяся законам Вселенной, то есть бог. Таким образом пытались найти «научное» обоснование религии.

Теперь можно понять позицию Больцмана. Он сразу увидел, что эти выводы являются спекуляцией философов-идеалистов и церковников на достижениях науки. Но ему, убежденному в том, что можно объяснить все явления в мире, сведя их к механике атомов и молекул, нелегко было пережить крушение механистического взгляда на природу.

Больцман все свои силы направляет на то, чтобы дать молекулярно-кинетическую трактовку второго принципа термодинамики. И ему удалось это сделать!

Ученому удалось временно спасти от крушения механистическое мировоззрение физиков. Снова, правда ненадолго, возродились надежды на то, что все законы естествознания сведутся к механике.

Одновременно Больцман нанес удар и по защитникам религии. Так как второй принцип термодинамики является вероятностным законом природы, то во Вселенной могло само по себе возникнуть состояние с разностью температур, и если на Земле в большинстве случаев процессы в природе приводят к выравниванию температур, то совершенно очевидно, что в некоторых местах Вселенной происходят процессы обратные, и поэтому утверждение о тепловой смерти Вселенной с точки зрения физики является необоснованным. Следовательно, для «завода мировых часов» не нужен бог. Они в разных местах бесконечной Вселенной «заводятся» сами по естественным законам.

Найденное выдающимся ученым выражение для энтропии высечено на его памятнике на венском кладбище и, по выражению физика Зоммерфельда, «царит на фоне облаков, плывущих над могилой великого Больцмана».

Людвиг Больцман (1844-1906)