Ludwig Boltzmann Kimdir, Hayatı, Eserleri, Hakkında Bilgi

BOLTZMANN, Ludwig (1844-1906)

AvusturyalI fizikçi. Termodinamiği Newton kuramlarına göre hareket eden atomların istatistiksel mekaniğine indirgemiş, zamanın akış yönü ile ilgili H- kuramını önermiştir.

20 Şubat 1844’te Viyana’da doğdu. Linz’de başladığı eğitimini Viyana Üniversitesinde, kendi adıyla anılan ışıma kuramını geliştiren Josef Stefan’ın asistanı olarak sürdürdü. 1867’de doktorasını tamamlayınca Stefan’ın önerisi üzerine Maxwell’in elektrodinamik kuramıyla ilgili çalışmalarını incelediğinde, 19.yy’ın en önemli fizikçilerinden biri olan bu kuramcının yapıtlarına karşı tüm yaşamı boyunca duyacağı ilgi başlamış oldu. 1869-1873 yıllarında Graz Üniversitesinde kuramsal fizik profesörlüğü yaptı. 1873 ile 1876 yılları arasında matematik profesörü olarak yemden Viyana Üniversitesine döndü. Graz ve Viyana’da yayımladığı makalelerde, ikinci yasası başta olmak üzere termodinamiğin birçok yönünü, gazların moleküllerden oluştuğunu varsayan kinetik kuramı kullanarak açıklamaya çalışmaktaydı. Bu çalışmaları, deneysel fizik profesörü olarak Graz’a geri döndüğü 1877 yılında Viyana Bilim Akademisi’nde yayımladığı iki makale ile doruğa ulaştı. 11 Ocak 1877’de Akademiye sunduğu “Isının Mekanik Teorisinde Bazı Problemler” adlı makalesinde Boltzmann entropinin yalnızca artabileceği kuramının Newton’ un hareket kuramı gibi olmayıp temelde çok parçacıklardan oluşan sistemlerin ilk koşullarının seçimindeki belirsizlikten ortaya çıktığını savundu. Sayılarının çokluğu nedeniyle gaz moleküllerinin yerleri ve hızlarının belirlenmesi için istatistiksel yöntemlerin kullanılması gerekiyordu ve ancak istatistik kurallarının elverdiği ölçüde kesin tahminler yapılabilirdi. Boltzmann bu görüşlerine, 1877’de “Termodinamiğin ikinci Yasası ile Isının Mekanik Teorisi ve Olasılıklar Hesabı” adlı makalesinde gerekli matematiksel temelleri getirdi. Özellikle bir termodinamik sistemin entropisinin, sistemdeki tüm parçacıkların söz konusu hali oluşturmaları olasılığına orantılı olduğunu gösterdi. Bu yapıtları kuvantum kuramının geliştirileceği 1920’lere kadar termodinamik ve gazların kinetik kuramı üzerine en önemli katkı oldu. 1877’den sonra ilgisini Maxwell’in elektrodinamik kuramına kaydırdı; 1891-1893 yılları arasında Münih’te kuramsal fizik profesörü olarak çalışırken bu konuda bir kitap yazdı. Boltzmann 1894’te öğretmeni Stefan’m yerine Viyana Üniversitesi’ne fizik profesörü olarak atandı ve bu görevde altı yıl kaldı. En önemli kitabı olan Vorlesungen über Gast-beorıe’yi (“Gaz Kuramı Üzerine Dersler”) 1896-1898 arasında Viyana’da yazdı. 1899’da Londra’daki Royal Society üyeliğine seçildi.

Boltzmann Leipzig Üniversitesi’nde bulunduğu 1900-1902 yıllarında, çalışmalarına yöneltilen herhangi bir eleştiriye karşı aşırı duyarlılık göstermeye başladı. O tarihlerde Leipzig’de bulunan Wilhelm Ostwald’m sözcülüğünü yaptığı bir akım atom ve molekül kuramına karşı çıkmış ve Boltzmann’m çalışmalarına bu açıdan hücum etmeye başlamıştı. Bu akımın esas kaynağı Ernst Mach’m “idealist felsefesi” idi. Boltzmann bu ortamdan rahatsız olduğu için Leipzig’den ayrılmaya karar verdi ve o sıralarda emekliye ayrılmış bulunan Mach’m kürsüsünün kendisine önerilmesinden mutlu olarak Viyana’ya döndü. Ancak Mach hâlâ hayattaydı ve atom kuramına saldırılarına devam ediyordu. Mach’ın iflas ettiğini ilan ettiği atom kuramının kıta Avrupa’sındaki son savunucusu olarak da Boltzmann görülüyordu. Bu sıralarda Boltzmann’m kendisi de tüm hayat uğraşını bilim dünyasının terk ettiği bir konu olarak görmeye başlamıştı. Ne var ki o günlerde atomların radyoaktif bozulması Becquerel tarafından gözlenmiş ve atomların gerçek olduğuna dair kesin ipuçları elde edilmeye başlanmıştı. Ancak Boltzmann yalnızlığa itildiği dü-şüncesindeydi ve 5 Eylül 1906’da İtalya’da Trieste yakınlarındaki Duino’da intihar etti.

Boltzmann’m doktora çalışmalarını yaptığı yıllar kuramsal fiziğin en canlı dönemlerinden birine rastlamıştı. Clausius ve W.Thomson’m (Lord Kelvin) termodinamik yasaları üzerine çalışmaların yanı sıra, MaxwelPin gazların kinetik kuramı ve elektromanyetizmaya ilişkin kuramsal çalışmaları dönemin en önemli araştırma konularıydı. Boltzmann da daha gençlik yıllarında bu konulara ilgi duymaya başlamış, 1866’da doktora çalışmalarının sonuna doğru yayımladığı bir makalede Clausius’un entropi için verdiği ifadenin hiç küçülmeyip ancak büyüyebileceğinin ispatım ilk kez gazların kinetik kuramı çerçevesinde vermişti. Maxwell’in yapıtlarını da inceledikten sonra, 1868’de gaz moleküllerinin hareketlerini olasılıklar kuramının çerçevesinde istatistiksel yöntemlerle araştırırken, dengeye ulaşmış bir sistemdeki moleküllerin hızlarının dağılımını ele aldı. Bunun sonucu olarak modern istatistiksel matematikteki bütün hesapların temelinde yatan Boltzmann çarpanını geliştirdi: Sıcaklığı Kelvin skalasında T ile verilen bir sistemde enerjisi E olan bir halin olasılığı, Boltzmann çarpanı olan      e—E/kT     ifadesi ile verilir. Buradaki k gene Boltzmann’m adıyla anılan bir sabit olup değeri 1.38 x 1016 erg/ Kelvin’dir. Maxwell 1859’da denge halindeki bir gazda hızların dağılımını incelerken, Boltzmann çarpanının özel bir halini bulmuştu. Maxwell-Boltzmann hız dağılımının fiziksel anlamı dengeye ulaşmış bir gazda moleküllerin hızlarının toplam enerjilerinin yaklaşık kT olacak şekilde ayarlandığıdır. Moleküllerin hızları bundan daha büyük ya da daha küçük olabilir, ancak bu hızlar daha düşük olasılıklarla gerçekleşebilecektir. Maxwell ve Boltzmann kinetik teorinin, gazın denge halinde özelliklerinin bulunmasını sağlamaktan öte, gazın nasıl dengeye ulaşacağını gösterebileceğine de inanıyorlardı. Boltzmann 1872’de termodinamik dengeye yaklaşma üzerine önemli makaleler yayımladı. Termodinamik denge enerjinin kullanılmayacak şekillere girmesi ve entropinin artması şeklinde oluşur. Boltzmann’m bu konudaki büyük katkısı termodinamik entropinin kinetik teoriye göre gaz moleküllerinin konumlarının istatistiksel dağılımına bağlı olduğunu bütün ayrıntıları ile ortaya koymasıdır. Boltzmann entropinin artmasının moleküllerin düzensiz, gelişigüzel dağılmalarına bağlı olduğunu gösterdi. Böylelikle entropinin düzensizliğinin bir ölçüsü olduğunu ve kapalı bir sistemin her zaman artan düzensizliğe değin gelineceğini açıkladı.

Boltzmann bir gazın yayınım, ağdalık ve ısı iletkenlik katsayılarının bir genel transport denkleminden hesaplanabileceğini gösterdi. Bu denkleme göre de hız dağılımı bir kez Maxwell-Boltzmann dağılımına erişmişse artık hep öyle kalmaktaydı. Boltzmann bu bilinen sonuçları elde ettikten sonra denkleminin özelliklerine bakarak H diye adlandırılan bir kavram geliştirerek bunun termodinamik entropi ile özdeş olduğunu, üstelik H’nın sağladığı bazı matematiksel koşullara dayanarak entropinin hep artacağını gösterdi. Boltzmann’m transport denklemi ve ancak bazı özel koşullar altında ispat edilebilmiş olan H- kuramı güncel araştırma konulan arasındadır.

Boltzmann’m hocası Stefan bir yüzeyden ısı kaybının sıcaklığın dördüncü kuvvetine orantılı olduğunu deneylerle bulmuştu. Boltzmann Maxwell’in elektrodinamik kuramı ile ilgili çalışmalarında bir yüzeye düşen ışımanın basınç yaptığım öğrendi ve bunun Stefan kuramına yol açabileceğini fark etti. Böylelikle Stefan’ın deneyle bulduğu sonucun kuramsal açıklamasını yaptı. Stefan-Boltzmann kuramı uzun süre fiziğin bütünü içindeki yeri pek belli olmayan tek bir sonuç olarak kaldıysa da Planck’ın geliştirdiği kuvantum kuramıyla açıklığa kavuştu.

Boltzmann, MaxwelFin elektrodinamik kuramım Avrupa’daki fizikçilere tanıtan kişidir. Bu konuda birçok özgün çalışmalar yaptıysa da elektrodinamiğe katkıları istatistiksel mekanik konusundaki çalışmaları gibi köklü temel çalışmalar değildi. Bu çalışmalarının en önemlisi Stefan-Boltzmann kuramıdır.

•    YAPITLAR (başlıca): Vorlesungen über Gastheorie, 1896-1898, 2 cilt, (“Gaz Kuramı Üzerine Dersler”); Vorlesungen über die Prinzipe der Mechanik, 1897-1920, 3 cilt, (“Mekaniğin İlkeleri Üzerine Dersler”); F.Hasenöhrl (der), Wissenschaftliche Abhandlungen, 1909, 3 cilt, (“Bilimsel Makaleler”).

•    KAYNAKLAR: E.Broda Luduıig Boltzmann: Mensch, Physiker, Philosoph, 1955; R.Dugas, La tbeorie physique au sens de Boltzmann et ses prolongements modernes, 1959.

Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi