Statistische Mechanik. Entropie und Atome

Ludwig Boltzmann, Physiker

Boltzmann (1844–1906) wirkte an mehreren österreichischen und deutschen Universitäten als Physiker. Am Ende seiner Karriere lehrte er in Wien Physik und Philosophie. Seine Theorie der statistischen Mechanik brachte eine grundlegende Erneuerung der Physik.

Boltzmann wurde in Wien geboren und wuchs in Linz auf, wo Anton Bruckner sein Klavierlehrer war. 1863 begann Boltzmann ein Studium der Physik und Mathematik an der Universität Wien, an welcher der Physiker Josef Stefan und der Mathematiker Josef Petzval seine Lehrer waren. 1866 promovierte Boltzmann in Wien. 1869 wurde er Nachfolger von Ernst Mach auf dem Lehrstuhl für mathematische Physik an der Universität Graz. Von 1873 bis 1876 wurde er Professor für Mathematik an der Universität Wien, kehrte aber dann wieder nach Graz als Leiter des physikalischen Instituts zurück, wo er bis 1890 seine wichtigsten Forschungen unternahm.

Nach einer Professur in München kehrte Boltzmann aber 1895 an die Universität Wien auf einen Lehrstuhl für Theoretische Physik zurück. Mit einer kurzen Unterbrechung blieb er dort bis zu seinem Tod. In Vertretung von Mach übernahm Boltzmann 1903 sogar neben seinem Physiklehrstuhl eine Professur für Philosophie der Naturwissenschaften. 1906 beging Boltzmann in seinem italienischen Urlaubsort Selbstmord.

Boltzmanns Gleichung:

S = k log W

S: Entropie
k: Boltzmann-Konstante
log: Natürlicher Logarithmus
W: Anzahl der möglichen
Zustände eines Systems

1872

Boltzmann folgte in seinen Untersuchungen zur Thermodynamik dem Ansatz des britischen Physikers James Clark Maxwell. Zugleich erklärte er aber Phänomene wie die Temperatur durch die statistische Mechanik. Er nahm an, dass thermodynamische Phänomene durch das Verhalten von Atomen bestimmt werden können. In seiner Theorie der Gase werden verschiedene physikalische Eigenschaften durch die statistische Verteilung und Bewegung der Gasmoleküle erklärt.

Boltzmanns Annahme von unbeobachtbaren Atomen stieß teilweise unter den Physikern seiner Zeit auf heftigen Widerstand. So war z. B. Ernst Mach strikt gegen die Annahme dieser unbeobachtbaren Entitäten. Auch die statistischen Erklärungen von Boltzmann stießen in der Physik auf Widerstand.

Der Wert und die Wirkung seiner Theorie

Boltzmanns statistische Mechanik war ein wesentlicher Impuls für den Durchbruch der Atomtheorie um die Jahrhundertwende. Boltzmanns Annahme von Atomen war zwar bis zu seinem Tod noch stark umstritten, aber mit Einsteins Erkärung der Brown´schen Bewegung (1905) und den experimentellen Bestätigungen des französischen Physikers Jean-Baptiste Perrin wurde die Existenz der Atome in der Physik allgemein akzeptiert.

Die statistische Mechanik von Boltzmann fand eine Vielzahl von Anwendungen. Sie erklärt grundlegende Eigenschaften der Materie wie die Viskosität, die Wärmeleitung oder die Diffusion. Der Dampfdruck, die chemische Reaktionsdynamik, das Verhalten von Motoren oder auch die Druckverteilung in der Atmosphäre werden durch Boltzmanns Theorie erklärt.

„Boltzmanns Erkenntnisse zur statistischen Physik bilden heute zusammen mit den erst später gefundenen Gesetzen der Quantenmechanik die Grundlage für unser Verständnis der Materie, die uns umgibt und aus der wir selbst bestehen.“
_{Christoph Dellago, Professor für Computergestützte Physik an der Universität Wien}