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Ludwig Eduard Boltzmann是一位奥地利物理学家和哲学家。他最伟大的成就是统计力学的发展以及对热力学第二定律的统计解释。1877年,他给出了熵的当前定义,S = k B ln Ω ,将其解释为系统统计无序性的度量。Max Planck将常数kB命名为Boltzmann常数。
统计力学是现代物理学的支柱之一。它描述了宏观观察(如温度和压力)与围绕平均值波动的微观参数之间的关系。它将热容等热力学量与微观行为联系起来,而在经典热力学中,唯一可用的选择是测量和汇编各种材料的此类量。
传记
童年和教育
Boltzmann出生在维也纳郊区Erdberg。他的父亲Ludwig Georg Boltzmann是一位税收官员。他的祖父从柏林移居维也纳,是一位钟表制造商,Boltzmann的母亲Katharina Pauernfeind来自Salzburg。他在父母家中接受了初等教育。Boltzmann在奥地利上奥地利州的Linz上高中。当Boltzmann15岁时,他的父亲去世了。
从1863年开始,Boltzmann在维也纳大学学习数学和物理。他在1866年获得博士学位,1869年获得讲师资格。Boltzmann与物理研究所主任Josef Stefan密切合作。正是Stefan向Boltzmann介绍了Maxwell的工作。
学术生涯
1869年,25岁的Boltzmann凭借Stefan写的推荐信,被任命为Styria省Graz大学数学物理学正教授。1869年,他在Heidelberg与Robert Bunsen和Leo Königsberger合作了几个月,1871年与Gustav Kirchhoff和Hermann von Helmholtz在柏林合作。1873年Boltzmann加入维也纳大学担任数学教授,一直待到1876年。

1872年,远在奥地利大学向女性开放之前,他在Graz遇到了有抱负的数学和物理教师Henriette von Aigentler。她被拒绝非正式地旁听讲座的许可。Boltzmann支持她提出上诉的决定,最终上诉成功。1876年7月17日,Ludwig Boltzmann与Henriette结婚;他们生了三个女儿:Henriette(1880年)、Ida(1884年)和Else(1891年),以及一个儿子Arthur Ludwig(1881年)。Boltzmann回到Graz担任实验物理学主任。他在Graz的学生中有Svante Arrhenius和Walther Nernst。他在Graz度过了14年幸福的时光,正是在那里他发展了他的自然统计概念。
1890年,Boltzmann被任命为德国巴伐利亚州Munich大学理论物理学主任。
1894年,Boltzmann接替他的老师Joseph Stefan成为维也纳大学理论物理学教授。
最后几年和去世
Boltzmann在他的最后几年花了大量精力为他的理论辩护。他与维也纳的一些同事关系不好,特别是Ernst Mach,后者在1895年成为哲学和科学史教授。同年,Georg Helm和Wilhelm Ostwald在Lübeck的一次会议上介绍了他们关于能学的立场。他们认为能量而不是物质是宇宙的主要成分。Boltzmann的立场在支持他的原子理论的其他物理学家之间赢得了胜利。1900年,Boltzmann应Wilhelm Ostwald的邀请去了Leipzig大学。Ostwald向Boltzmann提供了物理学教授职位,当Gustav Heinrich Wiedemann去世时该职位空缺。在Mach因身体不好而退休后,Boltzmann于1902年回到维也纳。1903年,Boltzmann与Gustav von Escherich和Emil Müller一起创办了奥地利数学学会。他的学生包括Karl Přibram、Paul Ehrenfest和Lise Meitner。
在维也纳,Boltzmann教授物理学,也讲授哲学。Boltzmann关于自然哲学的讲座非常受欢迎,引起了相当大的关注。他的第一次讲座取得了巨大成功。即使选择了最大的讲堂,人们仍然站在楼梯上。由于Boltzmann哲学讲座的巨大成功,皇帝邀请他在宫殿举行接见。
1906年,Boltzmann恶化的精神状况迫使他辞去职位,他的症状表明他经历了当今诊断为躁郁症的疾病。四个月后,1906年9月5日,他在与妻子和女儿在当时属于奥地利的Trieste附近的Duino度假时因自杀而死亡,死因是上吊。
他被埋葬在维也纳Zentralfriedhof。他的墓碑上刻着Boltzmann的熵公式:S = k ⋅ log W
哲学
Boltzmann的气体运动论似乎以原子和分子的现实性为前提,但几乎所有德国哲学家和许多科学家(如Ernst Mach和物理化学家Wilhelm Ostwald)都不相信它们的存在。在20世纪90年代,Boltzmann试图制定一个妥协立场,允许原子论者和反原子论者在不争论原子的情况下进行物理学研究。他的解决方案是使用Hertz的理论,即原子是Bilder,即模型或图像。原子论者可以认为这些图像是真实的原子,而反原子论者可以认为这些图像代表有用但不真实的模型,但这并没有完全让任何一方满意。此外,Ostwald和许多"纯热力学"的捍卫者正在努力驳斥气体运动论和统计力学,因为Boltzmann关于原子和分子的假设,特别是对热力学第二定律的统计解释。
在世纪之交,Boltzmann的科学面临着另一个哲学反对。一些物理学家,包括Mach的学生Gustav Jaumann,将Hertz解释为所有电磁行为都是连续的,好像没有原子和分子,同样好像所有物理行为最终都是电磁的。这大约在1900年的运动使Boltzmann深感沮丧,因为它可能意味着他的运动论和热力学第二定律的统计解释的终结。

Mach在1901年从维也纳辞职后,Boltzmann回到那里,决定自己成为哲学家来驳斥对他的物理学的哲学反对,但他很快再次感到沮丧。1904年在St. Louis的一次物理会议上,大多数物理学家似乎拒绝了原子,他甚至没有被邀请参加物理部分。相反,他被困在一个称为"应用数学"的部分,他猛烈攻击哲学,特别是所谓基于达尔文主义的理由,但实际上是根据Lamarck的获得性状遗传理论,人们从过去继承了不好的哲学,科学家很难克服这种继承。
1905年,Boltzmann与奥地利-德国哲学家Franz Brentano进行了广泛的通信,希望能更好地掌握哲学,显然是为了更好地驳斥它与科学的相关性,但他对这种方法也感到沮丧。
物理学
Boltzmann最重要的科学贡献在于运动论,包括激励Maxwell-Boltzmann分布作为气体中分子速度的描述。Maxwell-Boltzmann统计和Boltzmann分布仍然是经典统计力学基础的中心。它们也适用于不需要量子统计的其他现象,并为理解温度的含义提供了见解。
自从John Dalton在1808年的发现以及苏格兰的James Clerk Maxwell和美国的Josiah Willard Gibbs的工作以来,大多数化学家都相信原子和分子的存在,但物理学界的大多数人直到几十年后才相信这一点。Boltzmann与当时最重要的德国物理学期刊的编辑进行了长期的争议,后者拒绝让Boltzmann将原子和分子称为任何东西,只能是方便的理论构造。仅在Boltzmann去世后的几年,Perrin关于胶体悬浮液的研究1908-1909年,基于Einstein的1905年理论研究,证实了Avogadro数和Boltzmann常数的值,说服了世界这些微小粒子真的存在。
根据Planck的说法,"熵与概率之间的对数关系首先由L. Boltzmann在他的气体运动论中提出"。熵S的这个著名公式是
其中kB是Boltzmann常数,ln是自然对数。W是Wahrscheinlichkeit,一个德文单词,意思是宏观状态发生的概率,或更准确地说,是对应于系统宏观状态的可能微观状态的数量——可观测热力学状态中不可观测的"方式"的数量,可以通过给各种分子分配不同的位置和动量来实现。Boltzmann的范式是N个相同粒子的理想气体,其中Ni处于第i个微观条件位置和动量范围内。W可以使用排列公式计算
其中i遍历所有可能的分子条件,其中!表示阶乘。分母中的"修正"说明了相同条件下不可区分的粒子。
Boltzmann也可以被认为是量子力学的先驱之一,因为他在1877年提出物理系统的能级可能是离散的。
Boltzmann方程
Boltzmann方程被开发用来描述理想气体的动力学。
其中ƒ代表给定时间的单粒子位置和动量的分布函数,见Maxwell-Boltzmann分布,F是力,m是粒子的质量,t是时间,v是粒子的平均速度。
此方程描述了单粒子相空间中密度分布点云位置和动量概率分布的时间和空间变化。见哈密顿力学。左侧的第一项表示分布函数的显式时间变化,而第二项给出空间变化,第三项描述作用在粒子上的任何力的影响。方程右侧表示碰撞的影响。
原则上,在适当的边界条件下,上述方程完全描述了气体粒子集合的动力学。这个一阶微分方程虽然表面上看起来很简单,但ƒ可以代表任意的单粒子分布函数。此外,作用在粒子上的力直接取决于速度分布函数ƒ。Boltzmann方程的积分是出了名的困难。David Hilbert花了数年时间尝试解决它,但没有取得任何真正的成功。

Boltzmann假设的碰撞项的形式是近似的。然而,对于理想气体,Boltzmann方程的标准Chapman-Enskog解决方案非常准确。预期只在激波条件下对理想气体导致不正确的结果。
Boltzmann多年来试图使用他的气体动力学方程来"证明"热力学第二定律——他著名的H定理。然而,他在制定碰撞项时做出的关键假设是"分子混沌",一个打破时间反演对称性的假设,这对任何可能暗示第二定律的东西都是必要的。正是从概率假设单独,Boltzmann的表面成功才产生的,所以他与Loschmidt和其他人关于Loschmidt悖论的长期争议最终以他的失败告终。
最后,在20世纪70年代,E.G.D. Cohen和J.R. Dorfman证明了Boltzmann方程对高密度的系统幂级数扩展在数学上是不可能的。因此,密集气体和液体的非平衡统计力学转而关注Green-Kubo关系、波动定理和其他方法。
热力学第二定律作为无序法则
热力学第二定律或"熵律"是无序法则或动态的想法



