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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Teorema di Ash. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Ludwig Boltzmann, l'autore del "teorema di cenere", senza dubbio, è stato il più grande scienziato e pensatore che l'Austria ha dato al mondo. Anche durante la sua vita, Boltzmann, nonostante la posizione di emarginato negli ambienti scientifici, fu riconosciuto come un grande scienziato, fu invitato a tenere conferenze in molti paesi. Eppure, alcune delle sue idee rimangono un mistero ancora oggi. Lo stesso Boltzmann scrisse di se stesso: "L'idea che riempie la mia mente e la mia attività è lo sviluppo della teoria". E Max Laue in seguito ha chiarito questa idea come segue: "Il suo ideale era combinare tutte le teorie fisiche in un'unica immagine del mondo".Ludwig Eduard Boltzmann nacque a Vienna il 20 febbraio 1844. Ludwig studiò brillantemente e sua madre incoraggiò i suoi diversi interessi, dandogli un'educazione completa. Nel 1863 Boltzmann entrò all'Università di Vienna, dove studiò matematica e fisica. Allora l'elettrodinamica maxwelliana fu l'ultima conquista della fisica teorica. Non sorprende che anche il primo articolo di Ludwig fosse dedicato all'elettrodinamica. Tuttavia, già nella sua seconda opera, pubblicata nel 1866 nell'articolo "Sul significato meccanico della seconda legge della termodinamica", dove dimostrò che la temperatura corrisponde all'energia cinetica media delle molecole di gas, furono determinati gli interessi scientifici di Boltzmann. Nell'autunno del 1866, due mesi prima di ricevere il dottorato, Boltzmann fu ammesso all'Istituto di Fisica come assistente professore. Nel 1868 Boltzmann ottenne il diritto di insegnare nelle università e un anno dopo divenne professore ordinario di fisica matematica all'Università di Graz. Durante questo periodo, oltre a sviluppare le sue idee teoriche, si dedicò anche a studi sperimentali sul rapporto tra costante dielettrica e indice di rifrazione al fine di ottenere conferma della teoria unificata dell'elettrodinamica e dell'ottica di Maxwell. Per i suoi esperimenti, due volte ha preso un breve congedo dall'università per lavorare nei laboratori di Bunsen e Königsberger a Heidelberg e Helmholtz e Kirchhoff a Berlino. I risultati di questi studi furono pubblicati nel 1873–1874. Boltzmann partecipò attivamente anche alla progettazione del nuovo Laboratorio di Fisica a Graz, di cui divenne direttore nel 1876. Già nel 1871 Boltzmann sottolineò che la seconda legge della termodinamica poteva essere derivata solo dalla meccanica classica utilizzando la teoria della probabilità. Nel 1877 il famoso articolo di Boltzmann sul rapporto tra entropia e probabilità di uno stato termodinamico apparve nelle Comunicazioni di Vienna sulla fisica. Lo scienziato ha mostrato che l'entropia di uno stato termodinamico è proporzionale alla probabilità di questo stato e che le probabilità degli stati possono essere calcolate sulla base del rapporto tra le caratteristiche numeriche delle distribuzioni di molecole corrispondenti a questi stati. I processi irreversibili in natura, secondo Boltzmann, sono processi di transizione da uno stato meno probabile a uno più probabile. Transizioni reversibili non sono possibili, ma improbabili. Pertanto, l'entropia deve anche essere correlata alla probabilità di un dato stato del sistema. Questa connessione è stata stabilita da Boltzmann nel suo cosiddetto teorema H. Il "teorema di Ash" divenne l'apice della dottrina dell'universo di Boltzmann. La formula di questo inizio fu in seguito scolpita come un epitaffio sul monumento sopra la sua tomba. Questa formula è molto simile in sostanza alla legge della selezione naturale. Carlo Darwin. Solo il "teorema di Ash" di Boltzmann mostra come la "vita" dell'Universo stesso nasca e proceda. "Così come le equazioni differenziali rappresentano solo un metodo matematico di calcolo e il loro vero significato", scrive Boltzmann, "possono essere comprese solo con l'aiuto di rappresentazioni basate su un numero finito grande di elementi, insieme alla termodinamica generale, e senza nulla togliere alla sua importanza, che non può mai essere scossa, lo sviluppo di rappresentazioni meccaniche, che la rendono visiva, contribuisce ad approfondire la nostra conoscenza della natura, e non nonostante, ma proprio perché non coincidono in tutti i punti con la termodinamica generale, esse aprire la possibilità di nuovi punti di vista. Questi nuovi punti di vista sono che le transizioni del sistema da uno stato all'altro obbediscono alle leggi della teoria della probabilità. "L'introduzione della teoria della probabilità nella considerazione dei sistemi meccanici (e le particelle del corpo nella teoria di Boltzmann obbediscono alle leggi della meccanica", scrive P.S. Kudryavtsev nel suo libro, "sembra essere una contraddizione. La regolarità dinamica di cui si occupa la meccanica sembrava così preciso che Laplace credeva che se la mente avesse avuto accesso alla conoscenza della posizione di tutte le particelle dell'Universo in un dato momento e delle forze che agiscono tra di loro, allora, se avesse avuto la capacità di elaborare matematicamente questi dati, sarebbe stata in grado di prevedere il futuro dell'Universo con certezza, oltre a vedere il suo passato. In che modo le leggi della meccanica nella teoria cinetica portano alla statistica? Boltzmann risponde a questa domanda: la causa della statistica risiede nella meccanica stessa, nelle condizioni iniziali. Le trascurabili asperità delle pareti del vaso, contro le quali si scontrano le molecole del gas, sono sufficienti a introdurre il caos nell'ordine originario, se dovesse aver luogo. Le leggi di conservazione nella collisione di due molecole lasciano pieno campo alle direzioni delle velocità dopo l'impatto. Tutto ciò porta al fatto che è proprio a causa delle interazioni meccaniche delle molecole che il loro movimento ordinato diventa improbabile, e più probabile il caotico. Lo sviluppo di questa linea di pensiero ha portato Boltzmann a un nuovo punto di vista sulla seconda legge della termodinamica. Boltzmann formula questa legge come segue: "Quando un sistema arbitrario di corpi è lasciato a se stesso e non è soggetto all'azione di altri corpi, allora si può sempre indicare la direzione in cui avverrà ogni cambiamento di stato". Questa direzione può essere caratterizzata da un cambiamento in qualche funzione dello stato: l'entropia, che cambia con il cambiamento dello stato del sistema nella direzione dell'aumento. Da qui la conclusione, "che ogni sistema chiuso di corpi tende a un certo stato finale, per il quale l'entropia sarà massima!" Come conciliare questo orientamento con la reversibilità delle equazioni della meccanica? La natura si sta davvero avvicinando alla sua fine naturale: la "morte termica" con un destino inesorabile? Boltzmann fu il primo a dare un'interpretazione statistica della seconda legge e ne rivelò la natura probabilistica. Non c'è contraddizione tra la reversibilità delle equazioni della meccanica e l'irreversibilità dei processi in un sistema meccanico chiuso. Immagina un tamburo pieno di palline metà bianche e metà nere, una sopra l'altra. Se il tamburo viene messo in rotazione, allora, per leggi meccaniche, le palline si mescoleranno e, alla fine, le palline bianche e nere si mescoleranno uniformemente, dando la stessa “variegazione” per tutto il volume. La raccolta di palline è passata da uno stato meno probabile a uno più probabile. Il fisico tedesco Clausius trasse conclusioni dalla seconda legge della termodinamica sull'inevitabilità della morte per calore. Questi pensieri furono adottati non solo da molti fisici, ma principalmente da filosofi che ricevettero argomentazioni potenti e apparentemente innegabili a favore di concetti idealisti dell'inizio e della fine del mondo, compresi a favore dell'empiriocritica, gli insegnamenti di E. Mach e gli "energici" gli insegnamenti di W. Ostwald. L'indomabile Ludwig Boltzmann dichiarò con il suo teorema di Ash: "La morte per calore è un bluff. Non è prevista la fine del mondo. Energie, come credono gli Ostwaldiani, ma da atomi e molecole, e la seconda legge della termodinamica dovrebbe essere applicata non a una sorta di "etere", spirito o sostanza energetica, ma a specifici atomi e molecole. Intorno al "teorema di cenere" di Ludwig Boltzmann, le discussioni divamparono istantaneamente con intensità non minore che sulla morte per calore. Il "teorema della cenere" e l'ipotesi di fluttuazione avanzata sulla base sono stati analizzati con tutta la cura e scrupolosità e, come previsto, hanno trovato difetti spalancati, imperdonabili, a quanto pare, per un grande scienziato come Boltzmann. Si è scoperto che se accettiamo l'ipotesi di Boltzmann come vera, allora dobbiamo accettare per fede un assunto così mostruoso che non rientra in alcun quadro di buon senso: prima o poi, o meglio già ora, da qualche parte nell'Universo ci deve essere processi nella direzione opposta alla direzione della seconda legge, cioè il calore deve spostarsi dai corpi più freddi a quelli più caldi! Non è assurdo. Boltzmann difese questa "assurdità", era profondamente convinto che un tale corso di sviluppo dell'Universo fosse il più naturale, poiché è una conseguenza inevitabile della sua struttura atomica. È improbabile che il "teorema di Ash" avrebbe ricevuto tale fama se fosse stato proposto da qualche altro scienziato. Ma fu proposto da Boltzmann, che seppe non solo vedere il mondo nascosto agli altri dietro le quinte, ma che seppe difenderlo con tutta la passione di un genio armato di conoscenze fondamentali sia di fisica che di filosofia. Il culmine dei drammatici eventi tra il fisico materialista ei machisti, a quanto pare, dovrebbe essere considerato il congresso di scienziati naturali a Lubecca nel 1895, dove Ludwig Boltzmann diede ai suoi amici nemici una battaglia campale. Vinceva, ma di conseguenza, dopo il congresso, sentiva intorno a sé un vuoto ancora più grande. Nel 1896 Boltzmann scrisse un articolo "Sull'inevitabilità dell'atomistica nelle scienze fisiche", in cui avanzava obiezioni matematiche all'energismo di Ostwald. Fino al 1910, l'esistenza stessa dell'atomismo era costantemente minacciata. Boltzmann ha combattuto da solo e temeva che il lavoro della sua vita sarebbe stato dimenticato. Alla fine, Boltzmann non riuscì a sopportare lo stress colossale, cadde in una profonda depressione e il 5 settembre 1906 si suicidò. È molto deplorevole che non sia vissuto abbastanza per vedere la resurrezione dell'atomismo e sia morto pensando che tutti si fossero dimenticati della teoria cinetica. Tuttavia, molte delle idee di Boltzmann hanno già trovato la loro soluzione in scoperte sorprendenti come l'ultramicroscopio, l'effetto Doppler, i motori a turbina a gas e il rilascio dell'energia del nucleo atomico. E queste sono tutte solo conseguenze individuali della struttura atomica del mondo. Autore: Samin D.K.
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