Student World

Před 160 lety, 20. 2. 1844, se narodil rakouský fyzik Ludwig Boltzmann, spoluautor kinetické teorie plynů a statistické mechaniky. Muž, který měl velký vliv na kvantové fyziky 20. století, skončil svůj pohnutý život sebevraždou.

Důvody sebevraždy byly zřejmé – pramenily z nepochopení převážné části tehdejšího vědeckého světa. Od svých dvaceti let se tento profesor vídeňské univerzity snažil formulovat důkazy, které by fyziky přesvědčily, že je např. třeba začít brát vážně atomovou teorii a že tok času je nevratný. V opozici k jeho myšlenkám stála takřka celá špička tehdejší vědy: Auguste Comte, Henri Poincaré, Wilhlem Oswald, Georg Helm, William Rankine a především jeho kolega z vídeňské univerzity Ernst Mach. Zoufalý Boltzmann, který prožíval vrchol svého intelektuálního vzepětí v izolaci, se svému příteli svěřil, že jeho teorie zřejmě nepochopí absolutně nikdo.

Boltzmann se narodil v roce 1844. V témže roce zemřel britský vědec John Dalton

(viz článek 200 let atomové teorie – http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/24CC527565977009C1256D9100653A5B),

tvůrce moderní atomové teorie, na něhož vídeňský rodák ve svém díle bezprostředně navazoval. Ačkoli byl Boltzmann vychováván v přísně katolické rodině, jeho zájem se již v mládí obracel k vědě. Byl nadaným matematikem a doktorskou habilitaci na Vídeňské univerzitě vypracoval v oboru matematické fyziky (mj. pod vedením výstředního matematika Josefa Petzvala). V té době se na prestižní univerzitě rakouského mocnářství stala hitem kinetická teorie plynů, formulovaná Jamesem Clerkem Maxwellem

(viz životopis Jamese Clerka Maxwella http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/68A21D91E63EC603C1256DCC0041D6A5).

Boltzmanna tato teorie neobyčejně zaujala. Neustále o ní přemýšlel, až se mu podařilo přijít na to, jak ji pomocí matematické statistiky zdokonalit. Maxwell a Boltzmann chápali plyn jako množství atomů a molekul, které narážejí na stěny nádoby (čímž způsobují tlak plynu), přičemž se jejich pohyb řídí Newtonovskými zákony dynamiky. Tak se jim podařilo objasnit nejen příčinu tlaku, ale i tepla – jakožto výsledku rychlého a neuspořádaného pohybu molekul. Známý vztah pro stavové rovnice plynů byl nasnadě: čím je plyn teplejší, tím rychleji se molekuly pohybují. V roce 1872, dávno před nástupem kvantové mechaniky, uplatnil Boltzmann pro popis systému s velkým počtem molekul plynů statistickou metodu na stav termodynamické rovnováhy. Byl prvním, kdo si uvědomil, že je nezbytné vybudovat novou fyziku, která bude zahrnovat i stavy popisované termodynamikou. Na základě této úvahy odvodil časově nesymetrickou rovnici, známou dnes pod názvem Boltzmannova rovnice. Jeho přínos spočíval i v obecnější rovině: ve využití pravděpodobnosti ve fyzice, a to nikoli jako nástroje přibližnosti, ale spíše jako zásady pro vysvětlení, které mělo přispět ke zlepšení popisu, aby se ukázalo, že systém je složen z velkých souborů popsatelných pravděpodobností a může vykazovat i nové chování.

Nové chování? Jistě. Boltzmann si jako první uvědomil, že nevratný nárůst entropie lze chápat jako vyjádření rostoucího molekulárního chaosu. Entropii, termodynamickou stavovou veličinu, kterou zavedl Rudolf Clausius v roce 1862, tak Boltzmann ztotožnil se stupněm uspořádanosti, resp. neuspořádanosti. Ze své slavné rovnice pak odvodil, že kinetické děje mezi molekulami musí být časově nevratné. To ale bylo v rozporu s Newtonovými zákony mechaniky, které byly pro fyziky té doby stále ještě nedotknutelné. Útoky, jež se ze strany jeho kolegů snesly na jeho hlavu, Boltzmanna zaskočily. Rozhodl se tedy, že se ve svém zkoumání „šipky času“ vyhne mechanice a pokusí se chování atomů vysvětlit pomocí statistickým způsobem. Nevyhnul se přitom sice řadě omylů, ale ve svým závěrech přinesl zásadní převrat v pohledu na svět přírodních zákonů. Fyzikální představu poprvé vysvětlil prostřednictvím pravděpodobnosti. Užitečnost tohoto postupu se plně ukázala až na začátku 20. let, kdy byly formulovány základy kvantové mechaniky.

Odpor proti Boltzmannovi z řad autorit tehdejší fyziky ovšem sílil. Stále častěji se dostával do ostrých sporů s filosofickoíu školou tzv. „logických pozitivistů", zejména s Wilhelmem Oswaldem a Ernstem Machem. Ti tvrdili, že domnělé atomistické a molekulární teorie nemůže mít pro poznání přírodních zákonů žádný smysl, neboť není žádného prostředku, jak existenci atomů prokázat. V diskusi s nimi byl Boltzmann v nevýhodě nejen kvůli svému pisklavému hlasu, ale i kvůli neschopnosti pevně hájit své výdobytky. Byl si toho vědom a často upadl do depresí. K tomu se v prvních letech 20. století přidaly i zdravotní problémy, zhoršení zraku, astmatické záchvaty, angina pectoris a úporné bolesti hlavy. Kombinace vyhrocených sporů, strachu ze ztráty tvůrčích schopností a zdravotních problémů vyvrcholila v roce 1906 jeho sebevraždou. Když trávil dovolenou na jadranském pobřeží, nedokázal již poslední žijící z trojice tvůrců kinetické teorie plynů odolávat tlaku a oběsil se v pronajatém hotelovém pokoji.

Jeho myšlenky krátce nato zvítězily. Již rok před jeho sebevraždou se podařilo mladému Albertu Einsteinovi pomocí kinetické teorie vysvětlit chaotický pohyb pylových zrnek ve vodě (Brownův pohyb) jako výsledek jejich srážek s rovněž chaoticky se pohybujícími molekulami vody. Jeho práce byla brzy i experimentálně potvrzena.
Boltzmannův žák George Jaffé později napsal: „Boltzmannova smrt je jednou z tragických událostí v historii vědy, podobně jako poprava Lavoisiera, umístění R. J. Mayera v blázinci a smrt Pierra Curie pod koly nákladního automobilu. Je tím tragičtější, že k ní došlo právě v předvečer konečného vítězství jeho myšlenek.“

Internet:
Boltzmann
http://www-gap.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Boltzmann.html
Ludwig Boltzmann – A Pioneer of Modern Physics
http://arxiv.org/abs/physics/9710007

Literatura:
Carlo Cercignani: Ludwig Boltzmann. The Man Who Trusted Atoms (Oxford University Press, 1999)
Peter Coveney, Roger Highfield: Šíp času (1995)
Ilya Prigogine, Isabelle Stregersová: Řád z chaosu (2001)
Feynmanovy přednášky z fyziky I. díl (2000)

autor Jan Kapoun