Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия. - Eduardo Perez

Согласно Маху, следовало ограничить число недоказуемых допущений, чтобы знание было как можно более воспринимаемым. На беду Больцмана это предполагало существование внешней реальности. Физика, говорил Мах, должна ограничиться исследованиями ощущений, которые являются единственной информацией, к которой человек имеет прямой доступ. Все отсылки к миру, лежащему в ее основе, недоказуемы и -"малоэкономичны", говоря терминами Оккама (принцип экономики Оккама устанавливает равенство условий, самое простое объяснение обычно оказывается правильным).

Так что несложно понять, почему Маха смущали атомы и, следовательно, вся работа Больцмана, который считал их само собой разумеющимися.

В ньютоновской физике пространство считалось абсолютным. То есть тела представляются движущимися в рамке (пространстве), которая находится в состоянии покоя и относительно которой измеряется все движение. Ньютон ввел понятие "абсолютного пространства", чтобы спасти закон инерции, согласно которому тело перемещается прямолинейно на постоянной скорости при отсутствии внешних сил.

Если бы пространство было относительным, было бы невозможно определить прямолинейное движение, поскольку у двух наблюдателей были бы различные представления об этом.

Так, наблюдателю, который будет стоять на земле, покажется, что поезд движется прямолинейно, но сидящему на карусели так уже не покажется. Единственный способ устранить проблему — это предположить, что наблюдатель на карусели ошибается и существует привилегированный наблюдатель, относительно которого измеряется все остальное движение. В случае с Ньютоном оно определяется по неподвижным звездам. Мах возразил против этой перспективы и сделал это раньше Эйнштейна. Мах утверждал, что инерция — это эффект распределения материи в пространстве. Один из способов понять его слова — представить, что произойдет, если внезапно все галактики подвергнутся ускорению влево. Увидит наблюдатель, парящий в космосе, как галактики движутся относительно него? Или он ничего не заметит, ускорившись вместе с остальной материей? По мнению Маха, правильным является второй ответ. Несмотря на то что специальная теория относительности Эйнштейна не согласовывалась с положениями Маха, поскольку в нее не включалось ускоренное движение, можно рассматривать общую теорию относительности как большой шаг: ускорения и гравитационные поля считаются равносильными, так что любой зритель, вне зависимости от типа движения, наблюдал бы одни и те же законы Вселенной.

Альберт Эйнштейн в 1921 году.

В атомной теории не только утверждалось существование внешнего мира, что отражало рассуждения Маха, но также предполагалось существование другого рода сущностей, еще более эфирных, атомов, которые были полностью оторваны от чувственного опыта. Под влиянием Маха родилась область физики, которая пыталась реализовать на практике принципы его философии. Она была предложена, среди прочих, большим другом Больцмана, Вильгельмом Оствальдом. Новая область получила название "энергетики" и была популярна в конце XIX века, однако потом ее забыли, когда существование атомов оказалось неоспоримо.

Вильгельм Оствальд считается одним из основоположников физической химии. Он внес значительный вклад в изучение катализа (ускорения химической реакции с помощью дополнительного соединения), химического равновесия и скорости реакции, за что получил Нобелевскую премию по химии в 1909 году. Помимо научной работы Оствальд занимался живописью и создавал собственные краски, также он поддерживал движение за внедрение международного языка, что привело его к изучению эсперанто. Он был сторонником социального дарвинизма, а также евгеники и эвтаназии.

В энергетике постулировалось, что все процессы Вселенной можно описать в виде энергетического взаимообмена. Сохранение энергии было известно уже с тех пор, как в середине XIX века о нем объявил Гельмгольц, и использовалось в качестве отправной точки Оствальдом и Георгом Фердинандом Гельмом (1851-1923) для создания новой теории. Энергетики утверждали, что масса и энергия — величины, которые сохраняются с течением времени, и предполагали, что эту дихотомию также удастся превзойти, так что в итоге останется только энергия. Преодоление различия между массой и энергией приведет, говорили они, к преодолению различия между духом и материей, поскольку оба могут быть поняты на основе одной и той же сущности. Единственное, что нужно было сделать, — это переформулировать всю механику таким образом, чтобы речь шла только об отношениях между энергией.

Эта одержимость энергией может показаться немного странной для того, кто, как Мах, скептически относился собственно к существованию мира. Разве энергия — не более призрачное понятие, чем понятие атома? Однако энергетики говорили, что все, что воспринимает человек, — это на самом деле энергетические взаимообмены: мы смотрим на картину, наши глаза обмениваются энергией с окружающим миром; когда мы говорим, что что-то теплое, наши руки получают информацию о температуре также в виде взаимообмена энергией.

Позицию Маха можно связать с эпистемологической деятельностью, аналогичной для некоторых членов современного научного сообщества, которые утверждают, что наука должна ограничиваться прогнозами о результатах экспериментов и что присутствие или отсутствие в основе реальности не является значимым вопросом. Так, когда человек поражается особенностям квантовой механики и ее кажущимся парадоксам, обычно ему отвечают, что образ, который лежит в основе теории, имеет наименьшее значение: все, что делает квантовая механика,— это предсказывает, что при некотором эксперименте будет получен определенный результат. Объекты теории (электроны, поля, фотоны) — математические уловки для нахождения правильного ответа, и их существование — вопрос веры.

Взгляды Больцмана несущественно отличались от взглядов Маха по этому вопросу. Несмотря на то что обычно его считают реалистом, он не возражал против того, что его атомы — это всего-навсего математическое средство, если только соперник признает, что речь идет о математическом средстве, подходящем для получения правильного ответа. Хотя эта уступка скорее объясняется его последней попыткой выиграть у сторонников Маха, чем его собственными взглядами на атомы.

Конфликт Больцмана с энергетиками заключался в том, что они, по его мнению, не способствовали "правильному" развитию науки: своими предположениями они не могли добиться более глубоких объяснений с меньшим количеством допущений, чем те, что проистекали из атомной гипотезы. Как утверждал он сам, энергетики даже не были способны описать динамику материальной точки, не говоря уже об огромном количестве результатов (в электромагнетизме и термодинамике), которые полностью ускользали от них. Однако их совсем не разочаровывали эти неудачи, скорее наоборот, они без смущения объявляли все остальное научное сообщество (включая Больцмана) устаревшим. Действительно, Мах обычно говорил о Больцмане как о "последнем столпе атомизма".

В конце 1890-х годов положение стало невыносимым для Больцмана, который чувствовал, что назревает битва, в которой он вполне мог понести поражение. Он опасался, что то, что он сам называл "варварством энергетизма" разрушит эффективность работы его жизни и подавит всю атомную теорию на долгое время. Так, в 1895 году Больцман попытался положить конец энергетике, участвуя в дебатах в Любеке, организации которых он сам способствовал. Оствальд представил свои идеи по теме в статье под названием "Преодоление материализма" и столкнулся с яростной атакой со стороны своего друга и коллеги. В этот момент возник жаркий спор между Оствальдом и Гельмом, с одной стороны, и Больцманом и Феликсом Клейном (1849-1925), с другой. Об этой дискуссии потом рассказывал немецкий физик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951):

"Защитником энергетики был Гельм; за ним стоял Оствальд, а за ними обоими — философия Эрнста Маха (который не присутствовал). Оппонентом был Больцман, а его секундантом — Феликс Клейн. Битва между Больцманом и Оствальдом напоминала дуэль быка и ловкого тореадора. Однако на этот раз бык победил тореадора, несмотря на всю ловкость последнего. Аргументы Больцмана попали в цель. Мы все, молодые математики, были на стороне Больцмана; для нас было ясно, что невозможно, чтобы с помощью только одного уравнения для энергии можно было вывести уравнения движения или даже материальной точки, не говоря уже о системе с произвольным числом степеней свободы.