Ludwig Boltzmann

Ludwig Boltzmann (1844-1906), österreichischer Physiker, der als Begründer der klassischen statistischen Physik gilt und bedeutende Arbeiten in der Grundlagenphysik leistete – z. B. in der kinetischen Gastheorie (siehe Gase), der Thermodynamik sowie der statistischen Mechanik.

Boltzmann wurde am 20. April 1844 in Wien geboren. Er studierte an mehreren Universitäten Physik (Wien, Heidelberg, Berlin) und promovierte 1866 an der Wiener Universität. Ein Jahr später habilitierte er sich ebenfalls an der Wiener Universität und war daraufhin zwei Jahre Assistent von Josef Stefan, der zu den bedeutendsten Physikern des 19. Jahrhunderts zählt (u. a. kinetische Gastheorie, Elektrodynamik, Wärmeleitung und -strahlung). Bereits als Student publizierte Boltzmann seine ersten Arbeiten. Man wurde auf ihn aufmerksam, und bereits im Alter von 25 Jahren erhielt er eine Professur für mathematische Physik an der Universität Graz. In den nun folgenden Jahren wechselte Boltzmann mehrmals zwischen den Universitäten Graz, Wien und München, wo er jeweils Lehrtätigkeiten übernahm. Aus der Zeit von 1876 bis 1889 stammen Boltzmanns wohl bedeutendste Werke, die ihn weltweit bekannt machten. 1894 wurde Boltzmann Nachfolger des damals kürzlich verstorbenen Josef Stefan und blieb bis an sein Lebensende in Wien tätig.

In dem frühen Werk Über die mechanische Bedeutung des 2. Hauptsatzes der Wärmetheorie beschrieb Boltzmann ein Problem, das ihn in seiner Karriere als Physiker immer wieder beschäftigte:

• der 2. Hauptsatz der Thermodynamik sollte analytisch und allgemein interpretierbar und
• die Interpretation des 2. Hauptsatzes mit Hilfe eines mechanischen Prinzips zu beschreiben sein.

Im Lauf seiner Arbeiten musste Boltzmann allerdings feststellen, dass mechanische Prinzipien allein bei weitem nicht für die gesuchten Erklärungen ausreichten. Erst Überlegungen aus dem Bereich der kinetischen Gastheorie brachten Vielversprechendes.

Vorausgegangen waren Arbeiten von James Clerk Maxwell über die Geschwindigkeitsverteilung von Molekülen idealer Gase. Boltzmann verallgemeinerte Maxwells Resultate und konnte sich, vor allem auch durch seine eigenen Arbeiten über Gleichgewichtsverteilungen idealer Gase, den Ansatz zu den gesuchten Erklärungen erschließen. Dadurch gelang es ihm, den statistischen Charakter des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik zu erkennen: Unter gegebenen Anfangsbedingungen ist die Zunahme der Entropie (= Maß für die Unordnung) in einem abgeschlossenen System nur die wahrscheinlichste Entropieänderung. Im Kern bedeutet dies, dass im Rahmen statistischer Schwankungen durchaus auch ein Absinken der Entropie möglich ist (weniger Unordnung; mehr Ordnung). Diese Hypothese stand im Gegensatz zu den Betrachtungen über die kosmologischen Folgen des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Boltzmann zeigte, dass sich Annahmen über den Wärmetod des Weltalls auf unbegründete Schlussfolgerungen stützten. Letztere beruhten auf allgemeinen Erfahrungen, die auch nur für einen begrenzten Teil des Weltalls gemacht wurden. Nach den heutigen Kenntnissen ist es nicht sicher, ob das Weltall ein abgeschlossenes System ist, d. h. ob der 2. Hauptsatz der Thermodynamik überhaupt angewandt werden darf.

Boltzmanns Überlegungen führten zu einem auf der Wahrscheinlichkeitstheorie basierenden Instrument, mit dem sich Systeme im thermodynamischen Gleichgewicht untersuchen ließen. Ein wichtiges Gebiet der Physik entsprang diesen Entwicklungen und wurde später von Josiah Willard Gibbs statistische Mechanik genannt.

Ein weiteres umfangreiches Arbeitsgebiet Boltzmanns waren Studien zur elektromagnetischen Theorie Maxwells. Im Zusammenhang mit der Strahlungstheorie konnte Boltzmann 1883 den theoretischen Hintergrund für die Abhängigkeit der Gesamtstrahlung eines schwarzen Körpers liefern. Dieses Phänomen hatte bereits Josef Stefan experimentell gefunden.

Boltzmanns Ergebnisse wurden von Wissenschaftlern seiner Zeit vehement angegriffen. So verteidigte er entschieden die atomistische Theorie der Materie gegen die Kritik. Boltzmanns schärfste Gegner waren Ernst Mach, der die phänomenologische Richtung der Physik vertrat, und Wilhelm Ostwald, der Vertreter des Energetismus (siehe dazu den Artikel Physik: Thermodynamik). Wahrscheinlich waren gerade diese kontroversen Diskussionen zwischen den Atomisten und den Energetikern eine Ursache für Boltzmanns Depressionen. Sie führten zu seinem Selbstmord am 5. September 1906 in Duino (bei Triest).

Siehe auch Enthalpie; Wärme; Statistik; Temperatur