Biografi dan Pemikiran Filsafat Ludwig Boltzmann

Ludwig Boltzmann lahir di Wina, di mana ia menerima pendidikannya. Kontribusi utama Boltzmann pada fisika dan, secara tidak langsung, pada filsafat, adalah karyanya yang mendalam dalam teori yang mendasari teori fenomenologis panas, suhu, dan transformasi energi internal pada tingkat makroskopik—yaitu termodinamika—dalam deskripsi teoretis tentang perilaku mekanik yang mendasari konstituen dasar dari suatu sistem, seperti molekul gas.

Ludwig Boltzmann : Biografi dan Pemikiran Filsafatnya

Boltzmann juga berkontribusi langsung pada diskusi filosofis yang sedang berlangsung tentang sifat teori ilmiah sebagai anggota kelompok fisikawan terkemuka yang peduli dengan masalah seperti itu pada paruh kedua abad kesembilan belas, sebuah kelompok termasuk Pierre Duhem, Ernst Mach, Wilhelm Ostwald, dan Heinrich Hertz. Selama karirnya ia memegang kursi di Graz, Munich, dan Wina.

Setelah karir yang panjang sebagai peneliti dan guru terkemuka yang pengaruhnya melalui mempopulerkan karya meluas melampaui batas-batas sempit ilmuwan akademis, Boltzmann secara tragis jatuh ke dalam depresi terminal yang berakhir dengan bunuh diri.

Mungkin merupakan kesalahan untuk mencari penjelasan tunggal, koheren, dan sepenuhnya berkembang tentang sifat teori-teori ilmiah dalam karya Boltzmann.

Seseorang harus mengekstrak pandangannya dari sejumlah besar diskusi singkat, komentar marginal, dan pandangan yang diungkapkan dalam korespondensi dengan rekan-rekannya.

Meskipun demikian, tema-tema tertentu tetap dan jelas dan seseorang dapat memperoleh pemahaman tentang apa yang Boltzmann cari ketika seseorang mempertimbangkan konteks ilmiah dan filosofis di mana pernyataannya tentang sifat teori dibuat.

Karya ilmiah utama Boltzmann menyatakan bahwa bagian materi yang amakroskopik, seperti volume gas dalam kotak, terdiri dari komponen yang tak terhitung banyaknya—molekul gas—terlalu kecil untuk diamati secara langsung.

Mengikuti perkembangan panjang dari John Bernoulli, John Herepath, John Waterston, August Krönig, dan Rudolf Clausius, dan bekerja secara paralel dengan James Clerk Maxwell, Botzmann mengembangkan teori kinetik panas di mana dinamika molekul bergerak kurang lebih independen satu sama lain — kecuali untuk tumbukan dan interaksi jarak pendek satu sama lain dan dengan dinding kotak pembatas—digunakan untuk menjelaskan hukum termodinamika makroskopik yang terkenal.

Penting untuk memahami betapa bukti tidak langsung untuk keberadaan molekul yang sebenarnya saat ini. Keberadaan mereka telah dihipotesiskan dalam kebangkitan teori atom kuno oleh ahli kimia seperti John Dalton untuk menjelaskan hukum penggabungan berat dan volume dalam kimia.

Keberhasilan sebagian teori kinetik juga memberikan bukti tidak langsung tentang keberadaan mereka. Tetapi jenis bukti yang kaya dan lebih langsung tersedia sekarang untuk pandangan partikulat materi ini kemudian tidak ada. Semacam empirisme radikal populer di kalangan fisikawan-filsuf dengan siapa Boltzmann terkait.

Duhem, Mach, dan Ostwald berbagi pandangan bahwa tujuan sains adalah menghasilkan keteraturan seperti hukum yang sederhana dan elegan di antara fitur-fitur materi yang dapat diamati.

Mereka juga memiliki skeptisisme yang mendalam terhadap ilmu apa pun yang menghipotesiskan entitas yang tidak dapat diamati sebagai komponen penjelas dunia yang nyata. Skeptisisme ini termasuk sikap negatif terhadap teori apa pun yang menyatakan molekul atau atom “tidak dapat diamati”.

Tentu saja posisi seperti itu tidak akan menyenangkan bagi Boltzmann. Boltzmann mencari pandangan tentang teori yang akan melegitimasi kesimpulan tentang keberadaan molekul, tetapi itu tidak akan menjadi mangsa skeptisisme empiris tentang kepercayaan ilmiah apa pun yang bersandar pada “hipotesis belaka” dan yang melompati fitur yang dapat diamati dari dunia dengan postulat entitas dan properti yang tidak dapat diamati.

Posisi Boltzmann tampaknya dekat dengan yang diadopsi oleh Hertz. Keyakinan teoretis memang bertumpu pada hipotesis. Konsep baru untuk menggambarkan dunia muncul dari imajinasi ilmuwan dan tidak semuanya disajikan kepada pengalaman indera langsung seseorang.

Tidak ada kepastian dalam keyakinan teoretis; mereka tentu saja tidak dapat diturunkan oleh penalaran apriori apa pun, juga tidak dapat ditetapkan dengan “induksi” dari pengalaman.

Mereka adalah hipotesis, tebakan, yang diajukan oleh manusia untuk menjelaskan fenomena yang dapat diamati. Penjelasan seperti itu terdiri dari deduksi fenomena yang dapat diamati dari teori yang dihipotesiskan.

Hanya teori yang dibangun di atas hipotesis tersebut dan menerapkan hal yang tidak dapat diamati yang akan memberikan penjelasan yang benar-benar berguna dalam sains.

Tidak ada harapan untuk merekonstruksi sains sebagai seperangkat keteraturan yang hanya berkisar pada fitur-fitur dunia yang dapat diamati secara langsung.

Tetapi orang harus selalu ingat bahwa teori-teori yang dihipotesiskan seperti itu hanyalah gambar-gambar (Bilder) yang dibangun oleh manusia agar sesuai dengan tatanan yang dapat diamati ke dalam skema deduktif yang koheren.

Dan orang harus selalu merenungkan kemungkinan bahwa skema alternatif—gambar alternatif—mungkin tersedia.

Ini mungkin menyajikan gambaran yang berbeda tentang dunia yang tidak dapat diamati, tetapi sejauh mereka memadai secara empiris seperti teori yang telah diadopsi orang. , mereka sama-sama memuaskan dari sudut pandang ilmiah.

Bahwa teori-teori terdalam bertumpu pada idealisasi adalah alasan lain—selain kepercayaan pada teori-teori ini yang hanya bertumpu pada hipotesis—untuk mundurnya Boltzmann dari posisi yang sepenuhnya realis sehubungan dengan teori-teori fisika fundamental.

Pandangan Boltzmann mungkin paling baik dipahami sebagai semacam instrumentalisme dan pragmatisme sehubungan dengan teori, tetapi dengan desakan bahwa fisika tidak dapat melakukannya tanpa teori yang dihipotesiskan dalam upayanya untuk menjelaskan data yang dapat diamati.

Meskipun orang harus berhati-hati dalam mengambil kesimpulan teoretis terlalu realistis, mereka tidak boleh menaruh harapan apa pun pada fisika yang direkonstruksi yang menghindari penggunaan konsep dan hukum yang melibatkan hal yang tidak dapat diamati sama sekali. disebut mekanika statistik.

Di sini karyanya sejajar dengan Maxwell. Kedua ilmuwan hebat itu sering kali menemukan hasil yang sama secara independen, tetapi masing-masing juga menemukan inspirasi besar dalam karya yang lain.

Maxwell telah menemukan distribusi kecepatan untuk molekul-molekul gas pada kesetimbangan dengan argumen aneh yang memanfaatkan hasil dari teori kesalahan. Boltzmann menggeneralisasi distribusi ini untuk memungkinkan gaya eksternal yang bekerja pada molekul.

Dalam mempelajari masalah pendekatan keseimbangan, Maxwell menurunkan apa yang disebutnya “persamaan transfer.” Boltzmann secara independen menurunkan persamaan kinetiknya tentang bagaimana distribusi kecepatan berubah dengan tumbukan molekul, Persamaan Boltzmann yang terkenal.

Sangat mudah untuk menunjukkan bahwa distribusi kesetimbangan Maxwell-Boltzman akan menjadi solusi stasioner dari persamaan ini, karenanya sesuai untuk kesetimbangan yang merupakan keadaan termodinamika yang tidak berubah. Untuk menunjukkan bahwa ini adalah satu-satunya keadaan yang mungkin, Boltzmann menemukan besaran “H” sebagai fungsi distribusi.

Dia menunjukkan bahwa menurut persamaannya kuantitas ini harus berkurang kecuali distribusinya adalah distribusi kesetimbangan standar. Oleh karena itu, distribusi standar adalah satu-satunya yang mungkin untuk keseimbangan.

Boltzmann mengembangkan metode pemikiran baru tentang keseimbangan juga. Bagilah ruang di mana titik-titik mewakili posisi dan momentum molekul tunggal ke dalam kotak-kotak kecil yang secara makroskopis kecil tetapi di dalamnya diharapkan dapat menemukan banyak keadaan molekul. Boltzmann mempertimbangkan semua cara di mana molekul dapat diubah-ubah di antara kotak-kotak ini.

Dia kemudian menunjukkan bahwa kombinasi (jumlah molekul dalam kotak tertentu) yang sesuai dengan jumlah terbesar kemungkinan cara mengubah molekul di antara kotak (tunduk pada kekekalan energi total molekul) adalah yang sesuai dengan distribusi kesetimbangan standar. jumlah permutasi yang sesuai dengan kombinasi sebagai “probabilitas” kombinasi itu dan berpendapat bahwa kesetimbangan adalah keadaan gas yang sangat mungkin terjadi.

Dan seseorang dapat mengidentifikasi entropi termodinamika sebagai ukuran probabilitas tersebut.

Pertimbangan hasil ini oleh Maxwell, Boltzmann, dan kritikus seperti Samuel Burbury, Edward Culverwell, dan kemudian Ernst Zermelo, membawa Boltzmann ke proses panjang interpretasi ulang karyanya.

Maxwell, mempertimbangkan kemungkinan mekanisme yang akan molekul demi molekul menumbangkan pendekatan keseimbangan (Maxwell’s Demon) berbicara tentang persamaan kinetik sebagai hanya menggambarkan kemungkinan perubahan dalam gas.

Pertimbangan reversibilitas dinamis sistem pada tingkat molekuler, dan hasil pengulangan untuk sistem dinamis yang ditemukan oleh Henri Poincaré, juga memaksa Boltzmann untuk memodifikasi pandangan awal persamaan yang menggambarkan perilaku tak terelakkan dari suatu sistem.

Refleksi mengungkapkan bahwa dalam menurunkan persamaannya Boltzmann memiliki menggunakan hipotesis waktu-asimetris tentang jumlah tumbukan molekul jenis tertentu yang akan terjadi selama interval waktu tertentu (Stosszahlansatz). Baik Maxwell dan Boltzmann mulai sering menggunakan bahasa probabilistik dalam interpretasi hasil mereka.

Apa “probabilitas” seperti itu? Boltzmann menyatakan pandangan bahwa sementara Maxwell menganggapnya sebagai frekuensi dengan mana keadaan akan terjadi dalam kumpulan besar sistem yang disiapkan serupa, dia, Boltzmann, menganggapnya sebagai frekuensi dengan mana keadaan akan terjadi selama periode waktu yang lama untuk sistem individual.

Maxwell dan Boltzmann juga menemukan pendekatan lain untuk menghitung nilai kesetimbangan, di mana nilai-nilai ini dapat dihitung sebagai nilai rata-rata fungsi keadaan dinamis mikroskopis dari sistem yang bersangkutan, di mana digunakan (1) kumpulan semua kemungkinan keadaan mikroskopis yang kompatibel dengan batasan makroskopik, dan (2) distribusi probabilitas yang mudah ditemukan pada keadaan ini, untuk menghitung nilai rata-rata Baik Maxwell dan Boltzmann memperkenalkan postulat dinamis (Hipotesis Ergodik) untuk membenarkan metode ini. Sifat dari pembenaran ini dibuat lebih jelas kemudian oleh pekerjaan dari Paulus dan d Tatiana Ehrenfest.

Meskipun seseorang dapat menunjukkan Hipotesis Ergodik dalam versi Ehrenfest-nya salah, penelitian ini kemudian menghasilkan formulasi yang lebih baik dari pendekatan ini melalui teorema ergodik yang benar dan pekerjaan penting pada dinamika spesifik sistem molekul ideal.

Boltzmann, didorong oleh kritik yang mendalam, menyadari bahwa memanggil probabilitas dengan sendirinya tidak akan menyelesaikan semua masalah interpretasinya. Persamaan kinetiknya adalah asimetris waktu, tetapi dinamika yang mendasarinya adalah simetris waktu.

Karena untuk setiap gerakan molekul yang bergerak dari tidak setimbang ke setimbang, ada satu yang bergerak dari keseimbangan ke tidak setimbang, sulit untuk melihat bagaimana orang dapat berargumen bahwa persamaan tersebut bahkan mencirikan evolusi sistem yang “paling mungkin”. (Meskipun ada interpretasi saat ini dari persamaan Boltzmann yang kembali ke cara berpikir ini.).

Penafsiran Boltzmann kemudian dari keseluruhan skema menggunakan pertimbangan kosmologis.Orang berpikir tentang probabilitas keadaan seperti yang diberikan oleh metode Boltzmann. Kesetimbangan kemudian menjadi keadaan yang paling mungkin.

Mengapa dunia dalam keadaan tidak seimbang? Asisten Boltzmann Dr. Schuetz menyarankan bahwa mungkin alam semesta berada dalam keseimbangan secara keseluruhan, tetapi manusia hidup di bagian “kecil” untuk sementara dalam kondisi fluktuasi yang tidak seimbang.

Boltzmann menambahkan argumen “antropik” ini bahwa orang harus menemukan diri mereka di wilayah seperti itu karena wilayah keseimbangan tidak dapat mendukung bentuk kehidupan.

Akhirnya Boltzmann menambahkan argumen bahwa yang dimaksud dengan arah waktu “masa depan” hanyalah arah waktu di mana entropi meningkat di bidang alam semesta yang tidak setimbang dan lokal ini. Dia menarik analogi yang mendalam di sini dengan fakta bahwa apa yang orang anggap sebagai “turun” hanyalah arah spasial lokal dari gaya gravitasi.

Di daerah keseimbangan kosmos akan ada dua arah waktu, tetapi keduanya tidak dapat dianggap sebagai “masa lalu” atau sebagai “masa depan”, seperti halnya di daerah bebas gravitasi tidak ada “atas” dan tidak ada “turun”. interpretasi persamaan kinetik dan solusinya sesuai dengan interpretasi Boltzmann selanjutnya.

Solusi persamaan tersebut tidak menggambarkan perilaku yang paling mungkin dari suatu sistem yang tidak terelakkan, melainkan “kurva konsentrasi” yang menggambarkan keadaan sebagian besar sistem dari suatu kolektif sistem yang dimulai pada ketidakseimbangan yang sama pada saat-saat berikutnya.

Tetapi pada waktu yang berbeda, anggota yang berbeda dari koleksi asli membentuk mayoritas yang mendekati keseimbangan. Pengaruh lanjutan Boltzmann Pemikiran metodologis Boltzmann tentang teori tetap provokatif dan layak untuk direnungkan ketika seseorang sekarang merenungkan status teori fisika dasar yang masih bermasalah.

Pengenalannya tentang penalaran probabilistik ke dalam fisika sangat penting. Karyanya tentang teori kinetik dan mekanika statistik merupakan sumber masalah yang kaya bagi filsuf fisika yang tertarik pada penjelasan probabilistik dalam fisika dan dalam hubungan antara teori makroskopik fenomenologis dan mikroskopis, dasar atomistiknya.

Boltzmann tentang kosmologi (masih dilakukan dalam teori mekanika statistik saat ini tetapi dalam latar belakang kosmologis yang sama sekali berbeda) juga membuka berbagai pertanyaan penting bagi para ahli metodologi yang peduli dengan bagaimana orang dapat membangun penjelasan fisik fundamental mereka.

Dan pandangannya tentang “arah waktu” tetap fundamental bagi siapa pun yang membahas asal usul dan sifat gagasan tentang sifat asimetris masa lalu dan masa depan.