Олег Спиридонов - Людвиг Больцман: Жизнь гения физики и трагедия творца
Ценность полемики 1895-1896 гг. не исчерпывается разъяснениями основ своей теории, данными Больцманом. Последовательно развивая предложенную в ходе дискуссии флуктуационную гипотезу, он выдвигает очень интересную и научно обоснованную теорию опровержения «тепловой смерти» Вселенной. Сейчас она известна в науке как флуктуационная гипотеза Больцмана. Ее основные положения ученый еще более развивает и уточняет в своих двухтомных «Лекциях по теории газов». Он пишет:
«Можно представить себе мир как механическую систему, состоящую из громадного числа составных частей и с громадной продолжительностью существования, так что размеры нашей системы неподвижных звезд ничтожны по сравнению с протяженностью Вселенной, а времена, которые мы называем эрами, будут ничтожны по сравнению с длительностью ее существования. Тогда во Вселенной, которая в общем везде находится в тепловом равновесии, т. е. мертва, то тут, то там должны существовать такие сравнительно небольшие области протяженности нашего звездного пространства (назовем их единичными мирами), которые в течение сравнительно короткого времени эры значительно отклоняются от теплового равновесия… Если предположить, что Вселенная достаточно велика, то вероятность нахождения ее относительно малой части в любом заданном состоянии (удаленном, однако, от состояния теплового равновесия) может быть сколь угодно велика… Этот метол кажется мне единственным методом, при котором можно представить себе второе начало, тепловую смерть каждого единичного мира, без одностороннего изменения всей Вселенной от определенного начала к заключительному конечному состоянию».
Больцман видит решение проблемы «тепловой смерти» Вселенной как целого в теории возникновения, эволюции и смерти отдельных миров, частей Вселенной. Одни миры погибают, другие — возникают, жизнь не прекращается и не может прекратиться. Теория Больцмана впервые опровергла пессимистические предсказания термодинамики, она впервые выразила языком физики высказанные намного раньше слова Ф. Энгельса о вечном круговороте материи: «Но как бы часто и как бы безжалостно ни совершался во времени и в пространстве этот круговорот… у нас есть уверенность в том, что материя во всех своих превращениях остается вечно одной и той же, что ни один из ее атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с какой она когда-нибудь истребит на Земле свой высший цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время»{6}. Когда сравниваешь высказывания Ф. Энгельса и Л. Больцмана, поражаешься тому, как наука в своем развитии неизбежно приходит к выводам, задолго до этого сделанным философами-материалистами.
Больцман видит несомненную пользу своей теории в том, что
«…кто знает, не расширяет ли она круг наших представлении и, делая мышление более гибким, не способствует ли познанию действительности… она полезна тем, что открывает перед нами новые точки зрения и побуждает нас во многом не только к умозрениям, но и к экспериментам».
Больцман вновь опередил свое время. В третьей части книги мы расскажем о том, какую дискуссию, длящуюся до наших дней, вызвала позже эта гипотеза Больцмана. Сам же он с присущей ему скромностью писал, что «никто, конечно, не станет считать подобные умозрения ни важными открытиями, ни, тем более, как это делали древние философы, высшей целью науки», но тем не менее с внутренней убежденностью в своей правоте считал их «очарованием фантазии о Вселенной, не прибегая к пошлой гипотезе тепловой смерти».
Прекрасен гордый облик человека,
Стоящего на склоне века, —
Он сбросил тяжкий гнет оков,
Ему открыты тайны мирозданья,
Он погружен безмолвно в созиданье,
Могучий сын веков.
Трудясь с усердьем непреклонным,
Завоевал могущество — законом
И волю — разумом, в борьбе он стал сильней.
Природа, что была неукротимо дикой,
Простерлась ниц перед своим владыкой,
Теперь он стал хозяином над ней.
15. Борьба мировоззрений
В настоящее время положение вещей изменилось, и натуралисты с особой любовью занимаются обсуждением философских вопросов.
Л. БольцманИдеи, выдвигаемые Больцманом, были столь новы, что полемика вокруг них длилась, не ослабевая, в течение многих лет. Больцман ни на шаг не отступал со своих позиций, несмотря на то что против него были многие ученые, пользовавшиеся в те годы большим авторитетом в физике. Подвергались сомнению как математическая сторона развиваемых им положений, так и физические предпосылки, лежащие в основе его теорий, и в первую очередь атомистическая гипотеза.
Вы уже знаете, с каким блеском защищал Больцман специальные математические стороны развиваемых им теорий. К сожалению, вероятностные представления пока еще не завоевали прочного места в физике, что не способствовало признанию выдвигаемых им идей. Более того, поскольку Больцман доказывал целесообразность вероятностных представлений для создания полной теории газов, его часто упрекали в том, что благодаря этому теория газов не может быть точной наукой, не является настоящей физической теорией. Как хотелось многим оппонентам Больцмана вернуть теорию газов в лоно привычной жесткой определенности, где не будет места каким-либо исключениям. Им казалось, что наука не может жить без этого, они не понимали всей глубины и значимости для эволюции вероятностных тенденций, независимо от них присущих природе. В 1895 г. на страницах журнала «Nature» Больцман публикует статью «О некоторых вопросах теории газов», где четко говорит о том, что теория газов является настоящей наукой, столь же полезной, как и другие физические теории:
«Ни теория газов, ни какая-либо другая физическая теория не может быть совершенно исчерпывающим отчетом о фактах… Ни одна теория до сих пор не достигла сего последнего конца. Но теория газов согласуется с фактами в столь многих отношениях, что едва ли мы можем сомневаться, что в газах беспорядочно мечутся некие сущности, число и размеры которых могут быть приблизительно определены. Можно ли серьезно ожидать, что они будут вести себя в точности как твердые тела нашей механики? И насколько неуклюж человеческий ум в разгадывании природы вещей, когда его покидает аналогия с тем, что мы видим и трогаем непосредственно».
Была и другая, не менее острая сторона дискуссии. Она затрагивала основы развиваемой им теории, а именно учение об атомах. В те времена термодинамика, не требующая для развития своих основных положений каких-либо предположений о строении вещества, казалась многим физикам и философам великолепным опровержением материализма. Сложилась противоречивая картина. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) укреплял позиции материалистов и подрывал устои религиозного мировоззрения. С другой стороны, теория «тепловой смерти» практически совпадала с церковным учением о «конце мира». Наука XIX в. вплотную подошла к вопросам, издавна считавшимся прерогативой религии. Это были вопросы начала и конца мира, сотворения и уничтожения материи. Выдвинутое Больцманом на основе атомистических представлений вероятностное толкование второго закона термодинамики, развиваемая им флуктуационная гипотеза эволюции Вселенной не оставляли камня на камне от прежних мистических представлений. Именно поэтому его взгляды были встречены в штыки всеми идеалистически настроенными учеными. Была подвергнута сомнению вся теоретическая база его исследований, созданное Больцманом объявлялось научно несостоятельным в первую очередь потому, что оно опиралось на пока недоказанную экспериментально гипотезу об атомистическом строении вещества. Полемику обострили и новые открытия в физике на рубеже XIX и XX вв. (о них еще будет идти речь в книге), среди которых можно назвать открытие электрона, частицы, существенно меньшей, чем атом, и явления радиоактивности. Эти открытия были сначала неправильно поняты и неверно истолкованы в философском плане. Возникли новые реакционные идеалистические философские течения, возглавляемые Э. Махом и В. Оствальдом. Их сторонники резко нападали на выводы Больцмана. К его чести, он принял и этот философский вызов, вступив в борьбу за признание правоты учения об атомах. Несмотря на то что борьба велась на, казалось бы, не свойственном физику поле деятельности, он вел ее с подлинным блеском и мастерством, глубоким внутренним тактом и корректностью.
С разных точек зрения подвергали критике творения Больцмана глава Венского кружка физиков Э. Мах и немецкий физико-химик В. Оствальд. Убежденный идеалист, Э. Мах отрицал объективное существование материи, считая, что материя — это комплекс ощущений, а задачей науки является только их описание. Гипотезу о существовании атомов Мах считал излишней и ненужной, противоречащей выдвинутому им принципу «экономии мышления». На все доводы в пользу существования атомов он обычно отвечал: «А вы видели хотя бы один атом?» Больцман не мог согласиться с этим:
