Ludwig Boltzmann kimdir? Hayatı ve eserleri

36

Ludwig Boltzmann kimdir? Hayatı ve eserleri hakkında bilgi: (1844-1906) Avusturyalı fizikçi. Termodinamiği Newton kuramlarına göre hareket eden atomların istatistiksel mekaniği­ne indirgemiş, zamanın akış yönü ile ilgili H- kuramını önermiştir. Şubat 1844’te Viyana’da doğdu. Linz’de başladığı eğitimini Viyana Üniversitesi’nde, kendi adıyla anılan ışıma kuramını geliştiren Josef Stelan’ın asistanı olarak sürdürdü. 1867’de doktorasını tamam­layınca Stefan’ın önerisi üzerine Maxwcll’ın 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 Üniver­sitesi’nde kuramsal fizik profesörlüğü yaptı. 1873 ile 1876 yılları arasında matematik profesörü olarak yeniden Viyana Üniversitesi’ne döndü. Graz ve Vıvana’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 “İsının 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 vc 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 entropısının, 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’ın yerine Viyana Üniversitesi’ne fizik profesörü olarak atandı ve bu görevde altı yıl kaldı. En önemli kitabı olan Vorlesungen iiber Gast- heorie’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’ın çalışmalarına bu açıdan hücum etmeye başlamıştı. Bu akımın esas kaynağı Ernst Mach’ın “idealist felsefesi” idi. Boltzmann bu ortamdan rahatsız olduğu için Leipzig’den ayrılmaya karar verdi ve o sıralarda emekliye ayrılmış bulunan Mach’ın kürsüsünün ken­disine önerilmesinden mutlu olarak Viyana’ya döndü. Ancak Mach hâlâ hayattaydı ve atom kuramına saldırılarına devam ediyordu. Mach’ın iflas etçiğini ilan ettiği atom kuramının kıta Avrupa’sındaki son savunucusu olarak da Boltzmann görülüyordu. Bu sıralarda Boltzmann’ın kendisi de tüm hayat uğraşını bilim dünyasının terk ettiği bir konu olarak görmeye başlamıştı. Nc var ki o günlerde atomların radyoaktif bozulması Becquerel tarafından gözlenmiş ve atomla­rın gerçek olduğuna dair kesin ipuçları elde edilmeye başlanmıştı. Ancak Boltzmann yalnızlığa itildiği düşüncesindeydi ve 5 Eylül 1906’da İtalya’da Trieste yakınlarındaki Duino’da intihar etti.

Boltzmann’ın doktora çalışmalarını yaptığı yıllar kuramsal fiziğin en canlı dönemlerinden birine rastla­mıştı. Clausius ve W.Thomson’ın (Lord Kelvin) termodinamik yasaları üzerine çalışmaların yanı sıra, Maxwell’in 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 küçülmeyıp ancak büyüyebileceğinin ispatını 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’ın adıyla anılan bir sabit olup değeri 1.38 X 10 16 erg/ Kelvin’dir. Maxwell 1859’da denge halindeki bir gazda hızların dağılımını incelerken, Boltzmann çar­panının özel bir halını 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’ın 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’ın transport denk­lemi ve ancak bazı özel koşullar altında ispat edilebil­miş olan H- kuramı güncel araştırma konuları arasın­dadır.

Boltzmann’ın 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 yaptığını 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’m geliştirdiği kuvantum kuramıyla açıklığa kavuştu.

Boltzmann, Maxwell’in elektrodinamik kuramını 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.

Kaynak: Türk ve Dünya Ünlüleri Ansiklopedisi, 18. cilt, Anadolu yayıncılık, 1984