ボルツマン

20世紀はじめ。(つまり、1900年頃)
エントロピー増大の法則」 はすでに知られていたが、「なんでエントロピーは増大するの?」 ということは誰もわからなかった。

わからなかったけれども、科学者たちは、「いいの!とにかく、エントロピーは増大するの!物理法則なの!」と主張していたわけだ。

ところで、わかっていなかったのは「エントロピー」どころではない。
「温度」や「圧力」すら何なのかわかっていなかった。

「温度」や「圧力」なんて、熱力学において、かなり基本的な物理量なのにも関わらず……、「温度」や「圧力」の理論体系が、完全に構築されているのにも関わらず……、

「で?それって、けっきょく何よ?」という問いには、誰も答えることができなかった。

この謎に明確な答えを出したのが、ボルツマンという科学者だ。

ボルツマンの答えは、単純だ。

温度や圧力といったものは、実は『原子・分子』などの粒子が、ニュートン力学に従って、衝突などの運動をしていることによって起きている

と考えたのだ。

つまり、

「温度が高い(熱い)」とは、小さい粒子が、激しく運動しているということであり、



「圧力が高い」とは、ある壁に向かって、小さい粒子が勢いよく衝突しているということだ。



とっても単純明快だ。

だが、ボルツマンの本当にすごいところは、
温度や圧力などの巨視的(マクロ)な現象」を
粒子の運動という微視的(ミクロ)な現象」で説明するための方法として、確率や統計という概念を初めて物理学に持ち込んだことにある。

ようするに、
何億個もの粒子の運動ひとつひとつを知ることは到底できない。が、ひとつひとつの粒子がランダムに運動していると考えて、その統計をとれば、『何億個の粒子全体』の状態を ある程度予測することができる」という話だ。これは、当時としては、奇抜で画期的な発想だった。

ボルツマンは、この考えをもとにして、「統計力学」という、物理学の一領域を切り開いた。

この統計力学を使えば、たとえば、
ある気体が、ある温度のとき、どのくらいの速度で拡散するか?
という問題も、
気体=運動する粒子の集まり」とし、
温度の大きさ=1個当たりの粒子の運動の大きさ」として、
粒子の運動の統計をとれば、その拡散のスピードを計算することができる。それは、実験結果と一致したし、熱力学の理論ともピタリと一致した。

そして、熱力学では謎だった「エントロピー増大の法則」も、統計力学によって、「ランダムに動く粒子の『確率的』な結果にすぎない」と、ものすごく簡単に説明ができてしまう。

結局、ボルツマンは、古い歴史を持つ熱力学のすべての理論が、「単純な粒子の運動に還元できる」ということを 統計的に証明したと言える。

このボルツマンの成果は、高く評価されており、物理学界の知的巨人の一人である。


(補足)
しかし……。

ボルツマンの画期的な理論は、当時の学会から、猛反発を受ける。

熱や圧力を「運動する粒子の集まり」として説明することに大きな抵抗があったのだ。
それどころか、多くの科学者は、「原子・分子」が本当にあるとは考えていなかった。ボルツマンの時代、「原子・分子」は、その存在が証明されていなかったからだ。

当時は、「物質は、エネルギー(波)のようなもので、出来ている」という考えが多かったので、わざわざ、原子という仮説を持ち出して、それを統計的に説明しようとするボルツマンの理論は、徹底的に否定された。

物理学者で哲学者のマッハ
はぁ?原子、原子って、それが観測されたわけじゃないんだろう?(笑)つまり実証されていないんだ。実証されていない仮説など、非科学的なものであり排除すべきだ
と反対した。

そんなわけで、ボルツマンは、学会から嘲笑され、まわりの科学者から徹底的にイジメられるのだった。

さらに。
ボルツマンに対して、こんな意地悪な難題が出される。

「キミは『コーヒーに入れたミルクが拡散していくのは、単に確率の問題』だって言うけどさ、その時間反転である『拡散したミルクが集まっていく』という現象って、確率的には絶対に起こらないよね?つまり、キミの確率の理論は、時間の向きが反転すると、適用できないってわけだ。でも、ニュートン力学の運動方程式って、時間の向きを反転させても全く変わらないから、時間が反転しても適用することができる。さ〜て、キミの理論の「時間反転に対する非対称性」は、ニュートン力学のどこにもないが、これは一体どこから来たんだい?」

この意地悪な難題が出されて、ボルツマンはそれに答えることができなかった。

こうして、1906年、ボルツマンは、首吊り自殺をとげる。
「統計力学の父」と呼ばれ、物理学の一分野を切り開いた天才は、生涯認められることもなく、自分の理論に確信を持つこともできずに、死んでいった。

ちなみに。
ボルツマンの自殺から1年もしないうちに、天才アインシュタインが「分子の存在を証明したよ〜」と、物理学界に華々しくデビューすることで、時勢がガラッと変わっていくのだから、皮肉なものである。

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