Boltzmann, Ludwig

Boltzmann, Ludwig

Lo scienziato che ha spiegato perché il futuro è diverso dal passato

Lo studio dei sistemi formati da moltissimi atomi o molecole, come i gas, ha suggerito al fisico austriaco Ludwig Boltzmann nella seconda metà del 19° secolo una definizione di entropia come quantità fisica capace di misurare il 'disordine' della natura. Nei processi spontanei l'entropia aumenta sempre e quindi misurandola è possibile capire come gli eventi si susseguono.

La freccia del tempo

Quando si proietta un film al rovescio le persone camminano all'indietro e gli oggetti caduti a terra magicamente ritornano integri. Ma nella vita di tutti i giorni il tempo ha una direzione privilegiata e non si può certo 'percorrere' a ritroso. Gli eventi si susseguono secondo un ordine ben preciso e i pezzi di una tazzina rotta si possono ricomporre solo con la colla. Eppure le leggi fondamentali della fisica classica non cambiano invertendo la freccia del tempo e in questo senso non vengono violate da una tazzina rotta che torna intatta.

Il primo a spiegare il paradosso del tempo che 'va all'indietro' fu Boltzmann, fisico austriaco vissuto nella seconda metà del 19° secolo. La sua fama dipende dall'aver individuato in una grandezza fisica, l'entropia, la misura del 'disordine' degli atomi. La tazzina integra è molto più 'ordinata' (minore entropia) di quella rotta (maggiore entropia), i cui pezzi sono sparsi disordinatamente sul pavimento: così accade per tutti i sistemi formati da moltissime particelle. Tramite un'equazione, il fisico austriaco descrisse come si poteva trasformare un sistema formato da miliardi di atomi (per esempio un gas) e quali situazioni erano più probabili.

Dalle sue considerazioni emerse che a livello microscopico, esaminando cioè il comportamento degli atomi, la tazzina si può ricomporre, ma se si considera il sistema nel suo insieme, cioè a livello macroscopico, la probabilità che questo avvenga è vicinissima a zero (… ma non proprio uguale a zero!). Per questo si dice che i fenomeni naturali sono irreversibili, cioè 'non tornano indietro spontaneamente'.

La vita e gli studi

Ludwig Boltzmann nacque nel 1844 a Vienna, dove studiò con Joseph Stefan, un importante scienziato del tempo, di cui divenne in seguito assistente. Boltzmann si occupò di fisica nel corso di tutta la sua vita: dimostrò la legge di Stefan per l'irraggiamento prodotto da una sorgente calda derivandolo dai principi della termodinamica e nel 1881 ricavò quella che poi sarebbe stata chiamata la funzione di distribuzione di Maxwell-Boltzmann, in base alla quale l'energia media che possiedono le molecole di un gas è indipendente dalla direzione in cui si muovono.

Come già detto, il suo nome è soprattutto legato alla definizione dell'entropia che gli ha permesso di stabilire che la natura non va a rovescio in modo spontaneo. Durante gli studi viaggiò spostandosi a Graz, Heidelberg , Berlino e Lipsia, per poi concludere la sua carriera universitaria nuovamente a Vienna. Fu uno dei grandi nomi della fisica del tempo e lavorò a stretto contatto con i principali protagonisti, anche se molti suoi contemporanei non riconobbero la validità delle sue teorie. L'amarezza per i mancati riconoscimenti e i lutti familiari segnarono la sua vita, che si concluse tragicamente con un suicidio nel 1906 a Duino, presso Trieste.

La probabilità fa il suo ingresso nella fisica

Le teorie sviluppate da Boltzmann collegano le proprietà macroscopiche dei sistemi con il comportamento delle loro componenti microscopiche, i miliardi di miliardi di atomi e molecole che li formano. Alla fine del Settecento Daniel Bernoulli avanzò l'ipotesi che i gas fossero formati da molecole che corrono qua e là, urtandosi come biglie. Per descriverli non bastano le equazioni della meccanica, ma servono anche concetti di probabilità e statistica per determinare qual è la frequenza con cui è possibile incontrare in un certo volume di sostanza un atomo o una molecola. La branca della fisica che si occupa di queste teorie è la meccanica statistica e Boltzmann ne è considerato un fondatore insieme all'americano J. Willard Gibbs.