Больцман делает предложение

По мысли Больцмана, газы состоят из частиц, которые постоянно мечутся и сталкиваются, будто бильярдные шары, и чем выше температура, тем быстрее они двигаются, хотя скорость у них разная. Сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда (таким образом оказывая на стенки давление, которое можно измерить), одни частицы ускоряются, а другие замедляются. Уравнения Больцмана, статистически обобщавшие такое поведение частиц, стали столпами физики и сегодня играют важнейшую роль во многих отраслях техники, например в теории полупроводников.

Разумеется, на самом деле частицы газа – не миниатюрные бильярдные шары. Должны ли мы с учетом этого сказать, что статистическая теория газов дает лишь картину, а не объяснение? Но ведь крошечные частички в сосуде гораздо реальнее, чем просто картина, не так ли? И разве их постоянное мельтешение – не причина давления? Даже загадочная идея энтропии, которая в замкнутой системе со временем всегда повышается, становится интуитивно понятной и простой, если переформулировать ее в терминах статистической механики.

По мысли Больцмана, энтропия связана с вероятностью того или иного состояния частиц в сосуде, а эта вероятность тем выше, чем случайнее система (как перетасованная колода карт с большей вероятностью окажется сложена в случайном порядке, чем новая, нетронутая). Иначе говоря, энтропия – это мера беспорядка системы при исследовании на микроскопическом уровне. Если предоставить систему самой себе, беспорядок возрастет, и удивляться тут нечему: сами посмотрите, что творится у вас на столе!

Однако Мах сохранял скептицизм. “Примирение молекулярной гипотезы с энтропией – это преимущество для гипотезы, но не для закона энтропии”[44]. По его мнению, единственная обязанность теории – сжато описывать наблюдаемые переменные вроде давления и температуры. Поэтому статистическое переосмысление термодинамики, которое предпринял Больцман, выходило за рамки.

Более того, новая теория вынуждала задавать неприятные вопросы. В частности, если беспорядок со временем всегда возрастает, то сам этот факт должен определять направление течения времени. Поясним на конкретном примере. Предположим, все молекулы газа поместили в левую половину сосуда, а затем предоставили самим себе. Налетая друг на друга, молекулы быстро заполнят весь объем сосуда. Если им не мешать, они больше никогда не скопятся в левой половине. Ничто никогда не возвращается в более простое и упорядоченное первоначальное состояние. По крайней мере до сих пор не удалось пронаблюдать ни одного случая подобного возвращения. Значит, такой эффект постоянно возрастающего беспорядка явным образом отличает прошлое от будущего, создавая таким образом однозначно направленную ось времени.

Молекулы газа, сначала помещенные в левую половину сосуда, а затем выпущенные на свободу

Против теории Больцмана были выдвинуты два возражения, и до сих пор ни одно из них не удалось опровергнуть ко всеобщему согласию. Это парадокс периодичности и парадокс обратимости.

О парадоксе обратимости первым заговорил Иоганн Йозеф Лошмидт, старший друг и наставник Больцмана. Законы механики, управляющие столкновениями бильярдных шаров и всех прочих объектов, не отличают будущее от прошлого. То есть, если мы смотрим фильм про бильярдные шары, абсолютно упруго соударяющиеся на столе, мы не можем определить, в каком порядке нам его показывают – в прямом или обратном. Но если мы смотрим фильм про каплю сливок, растворяющуюся в чашке кофе, мы без труда понимаем, какова последовательность событий. Так откуда время получило направление?

Парадокс повторяемости восходит к немецкому математику Эрнсту Цермело (1871–1953). Согласно законам вероятности, любое состояние, однажды достигнутое, должно быть достигнуто снова – и снова, и снова. Это безупречно доказанная теорема. Следовательно, частицы в сосуде рано или поздно должны вернуться в левую половину, где когда-то содержались. Но ведь этого не происходит!

Подобные трудные загадки беспокоили даже самых собранных и хладнокровных мыслителей, а Больцмана едва ли можно было назвать собранным и хладнокровным.

Всю жизнь настроение у Больцмана колебалось между двумя крайностями. Он в шутку объяснял свой неустойчивый темперамент тем, что родился в ночь на Пепельную среду – между масленицей и Великим постом. С возрастом перепады настроения усугублялись, и это стало тревожить друзей и коллег.

Больцман согласился занять должность профессора в Берлине – и тут же отказался от нее, но очень скоро снова заявил, что заинтересован в этой работе. В 1896 году он решил занять кафедру в Мюнхене, а вскоре после этого – совсем другую в Вене. В 1900 году после бесконечных колебаний он согласился на предложение Лейпцигского университета. А затем, в 1902 году вернулся в Вену – точь-в-точь как молекула газа, мечущаяся в сосуде. В этом случае он стал сам себе преемником, о чем и сообщил с улыбкой, когда принимал кафедру: “Инаугурационную лекцию принято начинать с похвалы предшественнику. Но сегодня, к счастью, я избавлен от этой зачастую непростой задачи, поскольку на самом деле я сам себе предшественник”[45].

Однако властям предержащим непостоянство Больцмана не казалось таким уж забавным. На сей раз от Больцмана потребовали, чтобы он дал слово чести самому императору Францу Иосифу, что больше никогда не примет предложений из-за границы. Больше он работу менять не будет! Но любовь к перемене мест у Больцмана от этого ничуть не ослабла. Он посетил Константинополь, Смирну, Алжир, Лиссабон, трижды пересек Атлантику и проехал через все Соединенные Штаты. Третью из этих поездок, включавшую краткий визит в только что основанный Стэнфордский университет, он с юмором описал в “Путешествии немецкого профессора в Эльдорадо” (Die Reise eines deutschen Professors nach El Dorado). (Больцман предпочитал называть себя немцем, а не австрийцем, поскольку имел в виду не национальность, а культурную принадлежность.)

К этому времени Больцман купался в лучах всемирной славы. Двум его бывшим сотрудникам из Граца – Вальтеру Нернсту (1864–1941) и Сванте Аррениусу (1859–1927) – предстояло получить Нобелевскую премию. Среди его венских студентов были и блистательная и неотразимая Лиза Мейтнер (1878–1968), в дальнейшем участвовавшая в первых экспериментах по расщеплению урана, а также теоретики Пауль Эренфест (1880–1933) и Филипп Франк (1884–1966).

Пути Маха и Больцмана постоянно пересекались. Это с неизбежностью привело к некоторому соперничеству, хотя один был экспериментатором, а другой теоретиком. Так, в 1874 году Маха избрали в Императорскую академию наук, а Больцмана – нет, хотя он тоже баллотировался; напротив, в 1894 году именно Больцману, а не Маху, предложили кафедру физики в Вене, хотя Мах тоже претендовал на нее.

Мах и Больцман глубоко уважали друг друга, но взаимная учтивость не могла скрыть, что их взгляды зачастую противоположны. Кульминацией этого напряжения стали знаменитые дебаты о реальности атомов. Существуют ли атомы на самом деле или это просто ментальные объекты – нечто вроде понятия точки?

Этот спор разбил сообщество физиков и химиков на два лагеря. В бой вступили и нобелевские лауреаты – Вильгельм Оствальд (1853–1932) на стороне Маха, а Макс Планк (1858–1947) – на стороне Больцмана (хотя Планк совсем недавно переметнулся из одного лагеря в другой). Впоследствии Карл Поппер напишет: “И Мах, и Больцман имели множество последователей среди физиков, и все они были вовлечены в беспощадную войну. Это была война по поводу исследовательской программы в физике”[46].