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LUDWIG BOLTZMANN |
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LUDWIG BOLTZMANN und die Thermodynamik. Lebensdaten: 1844 - 1906. Wenn man einen Becher Wasser ins Meer schüttet, kann man die gleiche Menge Wassers nicht mehr herausbekommen.« Mit diesen Worten beschrieb JAMES CLERK MAXWELL das Entropiegesetz, wie der zweite Hauptsatz der Thermodynamik genannt wird. Dies hatte weitreichenle Folgen in der physikalischen Welt. Die Funktionsweise Ton Dampfmaschinen, die Gasverteilung, chemische und )biologische Prozesse und auch die Definition von Zeit werfen durch die Entropie erklärt. An ihrer Entdeckung und Buffon heiratete spät, 1757, und hatte mit der Adeligen MarieFrancoise de SaintBelin (die bereits 1769 starb) zwei Kinder, darunter einen Sohn, der sein Leben auf der Guillotine verlor. Buffon starb am 16. April 1788. Formulierung waren einige Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts beteiligt - darunter Sadi Carnot, Lord Kelvin, Josiah Gibbs und Rudolf Clausius. Der bedeutendste und einflußreichste unter ihnen aber war Ludwig Boltzmann, der Begründer der statistischen Mechanik. Boltzmann, einer der letzten großen klassischen Physiker, Anhänger von Maxwell und Vertreter der neuen Atomtheorie, war, wie MAX PLANCK sagte, derjenige, der die pri Bedeutung der Entropie am gründlichsten begriffen habe. In der molekularen Grundlage des zweiten thermodynamischen Gesetzes sah er bereits ihre makroskopischen Auswirkungen, durch seinen statistischen Ansatz schlug er eine entscheidende Brücke zur Physik des 20. Jahrhunderts. »Diese Entwicklung«, schreibt Abraham Pais, »war einer der größten Fortschritte in der Physiktheorie des 19. Jahrhunderts und geht auf Boltzmann zurück.« Ludwig Boltzmann wurde am 20. Februar 1844, an einem Faschingsdienstag, in dem Wiener Vorort Erdberg als Sohn des Finanzbeamten Ludwig Boltzmann und Katharina Pauernfeind geboren. Ludwig wurde zunächst zu Hause unterrichtet. Als Junge unternahm er Ausflüge aufs Land, sammelte Schmetterlinge und Käfer. Wie sein Großvater, ein Uhrmacher, war er ein begeisterter Handwerker. Er besuchte die Universität Wien und erwarb 1866 die Doktorwürde. Sein Interesse am Elektromagnetismus, an der Mechanik und Thermodynamik rührte von seinem Studium her. Mit Hilfe einer englischen Grammatik und eines Wörterbuchs studierte er Maxwells elektromagnetische Theorie. Bereits in jungen Jahren erwarb sich Boltzmann das Ansehen älterer Kollegen. Um 1870 arbeitete er an der Universität Berlin mit Robert Bunsen, GUSTAV KI ACHHOFF und HERMANN VON HELMHOLTZ zusammen. Von 1873 bis 1876 lehrte er an der Universität Wien, war dann in Graz Professor für Experimentalphysik und wurde Vizekanzler der Universität. Nach dem Tod seines Professors Josef Stefan (1894) übernahm er an der Universität Wien den Lehrstuhl für Physik. Boltzmann war ein außergewöhnlich begabter Vortragsredner. »Sein genau vorbereiteter, sorgfältig strukturierter Vortrag, der von seinem großen Humor und seiner Menschlichkeit durchsetzt war, ließ jedesmal den Vorlesungssaal vor Studenten und Besuchern bersten«, schreibt der Wissenschaftshistoriker Gerald Holton. Im 19. Jahrhundert wurde die Thermodynamik entwickelt, die Lehre von der Wärme und Temperatur. Wird in einem physikalischen System die Energieform Wärme in die andere Energieform Bewegung umgewandelt, so geht dabei weder Energie verloren noch wird sie geschaffen, sondern bleibt erhalten. Dieses physikalische Gesetz erklärt zum Beispiel die Funktionsweise einer Dampfmaschine. Diesem ersten thermodynamischen Hauptsatz wurde ein zweiter hinzugefügt: Jedes abgeschlossene System - mag es aus festen, flüssigen oder gasförmigen Teilchen bestehen -neigt dazu, sich dem Zustand größter Unordnung zu nähern. Energie fließt nur in eine Richtung - hin zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung. Dieses Konzept wurde im Laufe mehrerer Jahrzehnte entwickelt; beginnend 1824 mit dem französischen Physiker NicolasLeonard Sadi Carnot bis hin zu dem Deutschen Rudolf Clausius, der 1850 die Entropie beschrieb. Angeregt durch die Arbeiten Maxwells über Gase wandte sich Boltzmann nun mit einem statistischen Ansatz dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu. Nur allmählich setzte sich im 19. Jahrhundert, als man noch nicht auf eine Atomtheorie zurückgreifen konnte, die Erkenntnis von den molekularen Eigenschaften der Gase durch. Die von James Maxwell 1860 entwickelte kinetische Gastheorie versuchte nachzuweisen, daß das allgemeine Verhalten von Gasen nur eine Funktion ihrer mikroskopischen, unsichtbaren Bestandteile - ihrer Moleküle -ist. Im Grunde betrachtet diese Theorie den Zusammenprall einzelner Moleküle unter einer Newtonischen, mechanischen Perspektive. Maxwell erklärte jedoch nicht die Wärmeverteilung in einem Gas zum Beispiel die Neigung von warmer Luft, sich vom Heizkörper aus im ganzen Raum zu verteilen. 1866 beschäftigte sich Boltzmann zum ersten Mal mit der Wärmeverteilung. Einige Jahre später entwickelte er die sogenannte »BoltzmannVerteilung«, eine Formel, die es erlaubt, die Verteilung von Gasmolekülen zu berechnen, und die zu einem wichtigen Bestandteil thermodynamischer Berechnungen wurde. Aber damit schuf er ein Paradox. Denn nimmt man an, daß die Ausbreitung von Molekülen in einem Gas Newtonischen und mechanischen Gesetzen unterliegt, dann müßte dieser Prozeß umkehrbar sein wie ein Motor, der auch rückwärts laufen kann. Aber Gas, das von einem Flakon in die Atmosphäre entweicht, kann ganz offensichtlich nicht mehr in die Flasche zurückgeholt werden. 1877 trat Boltzmann diesem Einwand mit einem Entropie Beweis entgegen, der auf statistischen Grundlagen beruhte. Mittels der Boltzmann- Konstante k läßt sich die Entropie eines Systems S in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit W durch die Formel darlegen: Diese berühmte Gleichung beschreibt die jedem Gas zugrunde liegende Neigung, mit der Zeit den Zustand gleichmäßiger Verteilung einzunehmen. Sie ist der bedeutendste und prägnanteste Ausdruck für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Neben seinen Beiträgen zur kinetischen Gastheorie arbeitete Boltzmann an einer Vielzahl von Phänomenen. Seine Schriften enthalten Artikel über Mathematik, Chemie, Physik und Philosophie. Er war ein guter Experimentalphysiker, durch sein schlechtes Augenlicht allerdings in seiner Arbeit eingeschränkt. Aufgrund seines Empirismus stand er dem deutschen Idealismus eines Hegel oder Schopenhauer ablehnend gegenüber, war allerdings ein früher und eifriger Befürworter der Theorien von CHARLES DARWIN. Von hier läßt sich eine Linie zu ERWIN SCHRÖDINGER und den Grundannahmen ziehen, die später zur Entdeckung der DNS-Struktur führten. Boltzmann war in der Welt, der Atome zu Hause, hätte aber gleichzeitig das Diktum von der Unteilbarkeit der Atome sofort aufgegeben, wenn andere Theorien in der Lage gewesen wären, die bekannten Phänomene besser zu beschreiben; er war ein Physiker des 19. Jahrhunderts, der sich in der Welt der Quantenmechanik und der modernen Biologie wohl gefühlt hätte. In den 90er Jahren war er gezwungen, die Existenz von Atomen zu verteidigen, und es gibt Stimmen, die seinen Tod auf diesen Konflikt zurückführen. Die Debatte, die Boltzmann gegen Berühmtheiten wie Ernst Mach (den er verabscheute) und Wilhelm Ostwald führte, nahm teilweise äußerst erbitterte Züge an und stellte sein Lebenswerk in Frage. Boltzmann machte aber auch seine angegriffene Gesundheit zu schaffen, am Ende seines Lebens war er fast blind und litt an Asthma, Migräne und Depressionen. 1904 besuchte Boltzmann die USA, bereiste Kalifornien und hielt auf der Weltausstellung in St. Louis Vorträge. 1906, wieder in Europa, unternahm er eine Ferienreise nach Triest, das damals noch zu ÖsterreichUngarn gehörte. Am 4. September, während seine Frau und seine Tochter in der Bucht von Duino badeten, erhängte sich Boltzmann. Er liegt auf dem Wiener Zentralfriedhof begraben. Auf dem marmornen Grabstein mit seiner Büste findet sich die Gleichung: |
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