Ludwig Boltzmann
Ludwig Eduard Boltzmann foi um físico austríaco, conhecido pelo seu trabalho no campo da termodinâmica estatística. É considerado junto com Josiah Willard Gibbs e James Clerk Maxwell como o fundador da mecânica estatística. Foi defensor da teoria atómica, numa época em que esta ainda era bem controversa.
Depois da candidatura em Berlim fracassada, Boltzmann quis deixar a cidade de Graz. Decidiu enfim de aceitar um convite para ser professor na Universidade de Munique, onde começou sua missão de docência no semestre de inverno de 1890/91. Ele desfrutava das possibilidades amplas para intercâmbio científico e discussão com numerosos eruditos. Na época se prepararam os primeiros conflitos com Wilhelm Ostwald e os seguidores da sua teoria da energética. Em 1892, ele tomou parte nas celebrações do tricentenário do Trinity College em Dublin, e em 1894 visitou a Universidade de Oxford. No ano letivo de 1892/93, Boltzmann foi convidado a retornar para a Universidade de Viena, mas recusou. Em 1893 morreu Josef Stefan, deixando sua cátedra vaga. Subsequentemente e apesar da sua atividade científica frutífera em Munique, Boltzmann decidiu retornar a Viena. Boltzmann começou a desempenhar suas tarefas na Universidade de Viena dia 1o de setembro de 1894. O professorado em Viena levou a um aumento significativo dos seus rendimentos. Além disto, a pensão acordada e a segurança oferecida à sua família em caso da sua morte contaram entre as motivações de Boltzmann a retornar a Viena. Em 1895, Boltzmann tomou parte na reunião de naturalistas em Lübeck, onde houve uma escalada da disputa com os seguidores da teoria da energética, Ostwald e Helm. Mais tarde, Arnold Sommerfeld comparou a disputa com uma tourada, onde Boltzmann teve o papel do touro, e na qual o touro derrotou o toureiro.
Ascendência
O avô do físico Ludwig Eduard Boltzmann, Gottfried Ludwig Boltzmann, nasceu em 1770, em Berlim, e se estabeleceu em Viena, onde fundou uma fábrica de caixas de música. Seu filho e pai do físico, Ludwig Georg Boltzmann (1802 - 22 de Junho de 1859) estudou direito e assumiu a posição de oficial da receita. Em 1837 em Maria Plain, se casou com Maria Katharina Pauernfeind, membro de uma família de negociantes salzburguenses prósperos e renomados - o bisavô dela, Johann Christian Pauernfeind, foi burgomestre de Salzburgo. Ludwig Georg e Maria Katharina Boltzmann tiveram três filhos, Ludwig Eduard, seu irmão menor Albert (22 de Abril de 1846 - 14 de fevereiro de 1863) e sua irmã Hedwig (12 de maio de 1848 - 1890). Albert Boltzmann era muito talentoso e tornou-se o segundo melhor estudante no liceu académico de Linz, depois do seu irmão Ludwig Eduard. Todavia ele morreu por causa de uma doença pulmonar, possivelmente de tuberculose, aos 16 anos de idade. Hedwig nunca se casou e morreu em estado de alienação mental.
Infância e educação
O pai de Boltzmann, na sua função de administrador imperial, foi transferido várias vezes, e sua família o seguiu. Mudaram-se de Salzburgo para Viena, onde nasceu Boltzmann, depois para Wels e finalmente para Linz, Alta Áustria. Ele recebeu sua educação primária na casa de seus pais a partir de um tutor privado. Em 1855 ingressou no liceu académico de Linz. A maior parte dos professores era de clérigos; além disto, 22 entre os 29 colegas de classe intentaram estudar teologia. A educação recebida dos seus pais foi marcada pelo ideal humanista. A música tinha uma grande importância na vida familiar dos Boltzmann. Entre os seus professores de música estava Anton Bruckner, que mais tarde se tornou um compositor conhecido.
Estudos e professor associado em Viena (1863–1869)
Em 1863, Boltzmann começou a fazer faculdade de matemática e física. O instituto de física da Universidade de Viena foi fundado só no ano 1849 por Christian Doppler. Ficou na rua Erdbergstraße 15 no distrito de Landstraße e na época foi presidido por Andreas von Ettingshausen, sucessor de Doppler. Entre os professores de Boltzmann estavam, além de Ettinghausen, cientistas como Josef Stefan, Josef Petzval e August Kunzek. Boltzmann começou seus estudos como "rebento extraordinário" e tornou-se "rebento ordinário" a partir do semestre de verão de 1865. Um ano depois, Josef Stefan tornou-se sucessor de Ettingshausen na posição de presidente do instituto, e em outubro de 1866, Boltzmann tornou-se assistente de Stefan. Até antes de graduar-se, Boltzmann publicou duas investigações científicas. Ele terminou seus estudos de doutoramento passando nos três exames obrigatórios. No dia 19 de dezembro de 1866 recebeu o grau de doutor de filosofia. Na época não era necessário de escrever uma dissertação de doutoramento.
Primeiro professorado em Graz (1869–1873)
Depois da transferência do professor Ernst Mach à Universidade de Praga em 1867, a cátedra para física matemática da Universidade de Graz ficou vaga. O professor August Toepler, que foi chamado para a cátedra de física geral e experimental pouco antes, se empenhou por uma substituição. Boltzmann candidatou-se e recebeu o apoio de Stefan. No dia 17 de Julho de 1869, o imperador Francisco José I nomeou Boltzmann professor regular de física matemática na Universidade de Graz. Boltzmann trabalhou em Graz com muito sucesso, mas lamentou a falta de contato com a comunidade científica internacional. Ele até criticou seus professores prezados de Viena, Stefan e Loschmidt por estar isolado. Escreveu que tanto quanto seja do meu conhecimento, Stefan e Loschmidt nunca fizeram uma viagem fora da pátria austríaca. Nunca participaram de congresso de naturalistas, e nunca estabeleceram ligações pessoais com eruditos estrangeiros. Não posso aprovar isto. Penso que se eles fossem menos isolados, teriam realizado mais. Pelo menos teriam dado a conhecer suas realizações mais rápido, e, deste jeito, mais frutífero. Em março de 1870, Boltzmann apresentou uma solicitação de férias. Em abril e maio de 1870 empreendeu a primeira de suas numerosas viagens: visitou Robert Bunsen, Gustav Kirchhoff e Leo Königsberger em Heidelberg. No semestre de inverno de 1871/72, visitou Hermann von Helmholtz na Universidade de Berlim. Publicou, em 1872, uma das suas investigações mais importantes sobre a mecânica estatística intitulada Estudos aprofundados sobre o equilíbrio termodinâmico entre moléculas de gás.
Professor de matemática na universidade de Viena (1873–1876)
Em 1873, Boltzmann candidatou-se à cátedra de matemática da Universidade de Viena, que ficou vaga depois da retirada de Franz Moth. Dia 30 de Agosto de 1873, ele foi nomeado professor regular de matemática. Nesta função ele também abordou profundamente a física, deu palestras sobre a termodinâmica e realizou trabalhos experimentais nas universidades de Viena e Graz. Em 1875 recebeu uma oferta da Escola Politécnica Federal de Zurique de uma professora a título definitivo. Boltzmann recusou, mas esta oferta suíça o ajudou negociar com o ministério austríaco um aumento do seu salário e a melhoria das suas condições de trabalho. Ele também recusou uma oferta da Universidade de Friburgo.[carece de fontes?]
Segundo professorado em Graz (1876–1890) e convite a Berlim fracassado
Em 1875, o professor de física experimental August Toepler foi convidado para o Politécnico Real de Dresden. Boltzmann foi nomeado seu sucessor nas funções de professor e presidente do instituto de física da Universidade de Graz. Além disso, no ano letivo de 1878/79, Boltzmann foi decano da faculdade de filosofia, e no ano letivo de 1887/88 foi reitor. O tempo que Boltzmann passou em Graz se encontra entre os anos mais felizes e produtivos na vida dele. Aqui nasceram quatro dos seus filhos. Morava num imóvel situado sobre um pequeno planalto na região vizinha de Graz (hoje no distrito de Mariatrost), onde se sentia muito confortável. Apesar de tudo passou por problemas psicológicos e de saúde. Depois da morte da sua mãe dia 23 de janeiro de 1885, Boltzmann atravessou uma grave crise. Quando seu primeiro filho morreu em 1889 por consequência de apendicite diagnosticada tarde demais, ele se autoflagelou.
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Boltzmann trabalhou em quase todas as áreas da física do século XIX. Publicou 139 artigos científicos originais, assim como três manuais que resultaram de materiais preparados para suas aulas.
Atomística
No início do século XIX, a química fez importantes progressos. Joseph Louis Proust elaborou a Lei das proporções definidas. John Dalton derivou desta lei a existência de átomos como elementos básicos estruturais de compostos químicos e determinou as massas atômicas de numerosos elementos químicos. Partindo da observação de que as massas atômicas são aproximadamente múltiplos da massa do átomo de hidrogênio, William Prout formulou a hipótese de que o átomo de hidrogênio é o elemento básico da matéria. Foi só no século XX que se descobriu que existe, além do núcleo do hidrogênio, o protão, um elemento mais que forma o núcleo do átomo - o neutrão. Na química, em meados do século XIX, a existência de átomos foi reconhecida amplamente, e, no ano de 1869, a publicação da tabela periódica por Dmitri Mendeleiev forneceu uma fundamentação sistemática à teoria atômica.
Mecânica e eletrodinâmica
Boltzmann designou a mecânica clássica, que na época, graças às contribuições de Newton, Euler, Lagrange, Hamilton e muitos outros já estava em um nível de desenvolvimento muito alto, como fundamento de todas as ciências naturais. Muitas vezes analisou questões da mecânica clássica e aplicou sua maestria na mecânica a outros patamares da física. Isso é visível particularmente nas suas investigações na eletrodinâmica. A teoria do eletromagnetismo, desenvolvida, nos anos 1860, por James Clerk Maxwell, ofereceu uma base comum às investigações da eletricidade, do magnetismo e da óptica, ramos da física que na época eram considerados independentes um do outro. Boltzmann teve uma participação substancial na propagação das obras de Maxwell na Europa continental.
Boltzmann, físico experimental
Boltzmann é principalmente conhecido como físico teórico ou matemático, mas ele também contribuiu com realizações importantes na física experimental. Apesar da sua grave deficiência visual, ele foi considerado como um experimentador hábil. No início da sua estância em Graz, Boltzmann trabalhou com August Toepler nos domínios da acústica. Ele alcançou os resultados experimentais mais importantes na determinação das permissividades de diversos materiais, particularmente de gases. As permissividades de gases divergem só um pouco de 1 e por isso são muito difíceis de determinar. Boltzmann teve que inventar métodos especiais para estes fins. As obras de Boltzmann estão em conexão com seus estudos da eletrodinâmica de Maxwell. Ele procurou verificar experimentalmente a ligação entre o índice refrativo, a permissividade e a permeabilidade magnética, descrita nas teorias de Maxwell.
Teoria cinética, termodinâmica e mecânica estatística
Já em meados do século XIX, Rudolf Clausius havia formulado a Segunda lei da termodinâmica e criado o conceito da entropia. O aumento da entropia em uma transformação termodinâmica é uma medida para a sua reversibilidade: Se a entropia continua constante, a transformação pode ser revertida, mas no caso onde a entropia aumenta, a transformação só pode ser revertida por fornecimento de energia externa, como é o caso quando se mistura água fria com água quente. As leis da mecânica clássica que descrevem o movimento de cada partícula individual, são invariantes no que concerne a simetria temporal. Isso significa que qualquer movimento de uma partícula pode se desfazer. Boltzmann estudou o problema como movimentos reversíveis de partículas (como átomos ou moléculas de um gás) podem resultar em um processo abrangente irreversível. Esta pergunta o ocupou durante toda sua vida, e Boltzmann seguiu várias abordagens para resolvê-la. Estas abordagens apoiaram-se sobre pressupostos mencionados explicitamente ou também implícitas, particularmente sobre propriedades das moléculas, que na época não eram observáveis. Já na sua primeira obra sobre a mecânica estatística no ano 1866, Boltzmann anunciou que forneceria a prova geral e puramente analítica da segunda lei da termodinâmica, e além disso encontraria a lei correspondente da mecânica. Mais tarde, Boltzmann distanciou-se de esta alegação, defendendo a opinião que uma tal prova geral seria impossível.
Leis da radiação
Nos seus experimentos de 1879, Josef Stefan chegou à conclusão de que a potência irradiada P {\displaystyle P} de um corpo negro (energia emitida por unidade de área e tempo) é proporcional à quarta potência da temperatura absoluta. Apoiando-se nas leis da termodinâmica e da eletrodinâmica de Maxwell, Boltzmann desenvolveu, em 1884, uma fundamentação teórica, designada mais tarde por Hendrik Lorentz como uma verdadeira pérola da física teórica. A equação P = σ T 4 {\displaystyle P=\sigma T^{4}} é conhecida como Lei de Stefan-Boltzmann, e o fator de proporcionalidade σ {\displaystyle \sigma } é chamado constante de Stefan-Boltzmann.
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Casamento e família
No ano 1873, por ocasião da excursão anual à instituição de ensino de professoras, Boltzmann conheceu Henriette von Aigentler, que na época tinha 18 anos. Henriette nasceu dia 16 de novembro de 1854 em Stainz e era membro de uma família austríaca renomada. Seu pai Hugo era jurista e morreu já em 1864, quando Henriette tinha nove anos. Dia 30 de dezembro de 1873 também morreu sua mãe Henrika. Tornando-se orfã, Henriette recebeu subsídio da família do burgomestre de Graz, Wilhelm Kienzl, pai do compositor Wilhelm Kienzl. Henriette frequentou a instituição de ensino de professoras e intentou ser professora de matemática e física, o que tornou necessária à sua participação nas palestras na Universidade de Graz. Contudo, a presença de mulheres não era autorizada na época. Repetidas vezes pediu conselhos e apoio de Boltzmann em assuntos de estudos universitários. Ela conseguiu superar todas as dificuldades e frequentar as aulas de matemática, ciências naturais e filosofia como estudante extraordinária, e como primeira estudante feminina da Universidade de Graz. Dia 27 de setembro de 1875, Boltzmann a enviou uma carta com seu pedido em casamento, o qual ela aceitou imediatamente. O casamento foi celebrado dia 17 de Julho de 1876, na igreja paroquial de Graz. Casada, Henriette terminou seus estudos.
Boltzmann no julgamento dos seus contemporâneos e alunos
Boltzmann era considerado um orador excelente. Muitos ouvintes das suas aulas elogiaram a clareza, a elegância estranha e a inteligibilidade das suas explicações. Lise Meitner escreveu que: ele foi um conferencista extraordinário, animado e espirituoso, discutindo com vivacidade, … com a capacidade de transferir seu entusiasmo aos ouvintes. Pelo contrário, as suas investigações científicas extensivas e palavrosas foram consideradas como dificilmente compreensíveis, não só por causa das suas fundamentações matemáticas exigentes. O julgamento de Maxwell é muito conhecido: Os estudos de Boltzmann não me permitiram de compreendê-lo. Ele não me compreendeu por causa da minha concisão, enquanto sua exaustividade foi um obstáculo para mim. Einstein forneceu a regra do teórico genial L. Boltzmann, de deixar o assunto da elegância aos costureiros e sapateiros.
