Больцман жылулық қозғалысты қалай түсіндірді

Жылу мен заттың ішкі қозғалысы туралы түсінік тек микродеңгейде материяны зерттеу мүмкін болған кезде ғана нақты сипатқа ие болды. Бұрын жылу құбылыстары тек тәжірибелік негізде түсіндіріліп келгенімен, олардың молекулалық табиғаты анық емес еді. XIX ғасырда бұл бағытта айтарлықтай ілгерілеу болды: ғалымдар температура мен молекулалардың қозғалысы арасында тікелей байланыс бар екенін түсіне бастады. Сол замандағы ең көрнекті теоретиктердің бірі – австриялық физик Людвиг Больцман. Ол жылулық қозғалысты түсіндіруде шешуші рөл атқарып, статистикалық физиканың негізін қалады.

Жылулық қозғалыстың физикалық мәні

Жылулық қозғалыс дегеніміз – газ, сұйық және қатты заттардағы молекулалардың ретсіз әрі үздіксіз қозғалысы. Бұл қозғалыстың қарқындылығы заттың температурасына тікелей тәуелді: температура неғұрлым жоғары болса, молекулалар соғұрлым жылдам қозғалады. Больцман бұл құбылысты ықтималдық әдісімен сипаттап берді.

• молекулалар бірдей жылдамдықпен қозғалмайды;
• бөлшектердің бағыты соқтығысу салдарынан үнемі өзгеріп отырады;
• әрбір молекуланың энергиясы уақытқа байланысты ауысып отырады;
• жылдамдықтар белгілі бір заңдылыққа бағынады;
• тепе-теңдік жағдайында жалпы статистикалық тұрақтылық сақталады.

Бұл көзқарас температураның табиғатын тереңірек түсінуге және денелердің жылу әсерінен қалай өзгеретінін нақтылау мүмкіндігін берді.

Больцманның статистикалық физикаға қосқан үлесі

Больцман микроскопиялық жүйелердің жағдайын нақты қозғалыстармен емес, ықтималдықтар арқылы сипаттау идеясын ұсынды. Бұл атомдық деңгейдегі бейберекет қозғалыстарды макроскопиялық заңдылықтармен байланыстыруға жол ашты.

1. Больцман таралуын әзірлеуі. Ол бөлшектер арасындағы энергияның таралу заңын математикалық түрде дәлелдеді. Бұл заңға сәйкес, молекулалардың басым бөлігі орташа энергияға ие, ал өте төмен немесе өте жоғары мәндер сирек кездеседі. Бұл газ молекулалары неге әртүрлі жылдамдықпен қозғалатынын түсіндіреді.
2. Энтропия ұғымын енгізуі. Больцман энтропияны жүйедегі мүмкін микромәліметтердің санына тәуелді деп қарастырды. Ол S = k · ln W формуласын ұсынды, мұндағы S – энтропия, W – микрожүйелер саны, ал k – Больцман тұрақтысы. Бұл формула термодинамиканы ықтималдық теориясымен байланыстыратын маңызды көпірге айналды.
3. Екінші заңды негіздеуі. Энтропияның уақыт өте өсуі, Больцманның пікірінше, жүйенің ең ықтимал күйге ұмтылуымен түсіндіріледі. Осылайша, уақыттың бағыты атомдық деңгейде физикалық мағына алды.
4. Газдар теориясына қолданылуы. Больцман теориясы идеал газдың қасиеттерін түсіндіруге мүмкіндік берді. Жылуөткізгіштік, тұтқырлық пен диффузия секілді процестер де осы модель арқылы сипатталды.

Осы тәсіл қазіргі термодинамиканың, плазма физикасының, астрофизиканың және кванттық статистиканың негізін қалыптастырды.

Больцман таралуының басты қағидалары

Бұл таралу молекулалардың энергияны қандай мөлшерде алатынын немесе жоғалтатынын түсіндіреді. Тек нақты күйді ғана емес, сонымен қатар әртүрлі күйлердің ықтималдылығын болжауға көмектеседі.

• энергиясы жоғары молекулалардың үлесі экспоненциалды түрде азаяды;
• бір температурада да әр молекула әртүрлі энергияға ие болады;
• температура артқанда таралу қисығы өзгереді;
• тепе-тең күйде таралу заңы сақталады;
• заттың физикалық қасиеттері орташа мәндер арқылы есептеледі.

Бұл заң химиялық реакцияларды, жартылай өткізгіштер жұмысын және планеталар атмосферасын модельдеуде кең қолданылады.

Неліктен теория қабылданбады

Больцманның теориясы бүгінгі таңда танылғанымен, ол кезде көптеген ғалымдар оның идеяларына қарсы шықты. Себебі атомдар мен молекулалардың бар екені тәжірибе жүзінде дәлелденбеген еді.

1. Атомдық модельге сенбеу. Физик Эрнст Мах секілді ойшылдар молекулалардың бар екеніне күмәнмен қарады. Сондықтан бүкіл статистикалық механика оларға жай ғана болжам болып көрінді.
2. Ықтималдық әдісіне қарсылық. Термодинамиканың заңдарын дәл әрі бұлжымас деп қабылдағандар ықтималдыққа негізделген түсіндірулерді мойындағысы келмеді.
3. Эксперименттік деректердің болмауы. XIX ғасырда молекулалардың қозғалысын тікелей бақылауға мүмкіндік болмады. Тек XX ғасырда техника мен кванттық физика дамыған соң, бұл идеялар толық расталды.

Осының бәрі Больцман еңбектерінің уақытында мойындалмауына әкеліп соқты. Алайда кейінірек оның теориялары ғылымның іргетасына айналды.

Больцманның еңбектері жылу мен энтропияны молекулалық деңгейде түсіндіруге мүмкіндік берді. Ол ықтималдық пен классикалық механиканы үйлестіріп, табиғат құбылыстарының терең мәнін ашты. Оның формулалары молекулалық динамика мен кванттық статистика сияқты жаңа салаларға жол ашты. Бұл бағытта қалдырған мұрасы ғылым дамуының жаңа кезеңін бастауға мүмкіндік берді.