LUDWIG BOLTZMANN - Vật lý, Âm nhạc, Triết học và Cái chết

Ludwig Edward Boltzmann sinh ngày 20/2/1844 ở quận Landstrasse thành Vienna, bắt đầu học vật lý ở Đại học Vienna năm 1863 và nhận học vị tiến sỹ năm 1866. Ở tuổi 25, Boltzmann trở thành giáo sư vật lý toán ở Đại học Grazvà sau đó trở về Đại học Vienna năm 1873. Năm 1876, Boltzmann lấy Henriette von Aigentler, một phụ nữ xinh đẹp với mái tóc dài và đôi mắt xanh đến từ Graz . Trong suốt 14 ngày hạnh phúc ở Graz , Boltzmann đã phát triển những ý tưởng của ông về khái niệm thống kê của tự nhiên.
Năm 1885, Boltzmann trở thành thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia, và năm 1877 là Hiệu trưởng Đại học Graz. Boltzmann cũng được mời làm trưởng khoa Vật lý lý thuyết Đại học Munich năm 1890. Sau khi quay lại Đại học Viennanăm 1894, Boltzmann đã cảm thấy khó tìm được ở đây một nhóm bạn và đồng nghiệp tốt như hồi ở Munich . Vì không chịu ở cùng với Ernst Mach (1838 -1916), đặc biệt là sau khi Mach trở thành giáo sư triết và lịch sử khoa học ở Đại học Viennanăm 1895, ông lại quyết định sang Leipzig và dạy vật lý lý thuyết ở đó. Sau khi Mach về nghỉ hưu, Boltzmann mới trở về Vienna vào mùa thu năm 1902.

Ngoài vật lý, Boltzmann cũng đã bắt đầu giảng dạy triết học vào năm 1903. Với cương vị là trưởng khoa triết học tự nhiên, ông đã dạy một loạt bài giảng với tiêu đề "Các Phương pháp và Lý thuyết Phổ quát của Khoa học Tự nhiên" nhằm thế chỗ loạt bài giảng trước đó của Mach có tên gọi "Lịch sử và Lý thuyết của Khoa học Quy nạp". Vào thời đó, các bài giảng Boltzmann về triết học tự nhiên đã rất nổi tiếng và thu hút được sự chú ý lớn. Ngay bài giảng đầu tiên đã có được thành công lớn. Mặc dù một hội trường lớn nhất đã được sử dụng cho bài giảng nhưng người đến dự vẫn đứng chật kín các lối đi và cầu thang. Sinh viên, trợ lý, giáo sư và cả các quý bà quý cô cũng đến. Tất cả báo chí đều đưa tin về sự kiện này. Hoàng đế Franz Joseph đã nói với Boltzmann rằng, ông rất vui về sự trở về của Boltzmann.

Bảo vệ thuyết nguyên tử

Hồi cuối thế kỷ 19, Boltzmann là người có công lớn nhất bảo vệ thuyết nguyên tử. Thời đó, nhiều nhà khoa học coi các nguyên tử và phân tử chỉ là những phép ẩn dụ - một sự hư cấu có ích dùng để giải thích các hiện tượng bằng toán học. Nhưng Boltzmann tin rằng, các phương trình thống kê của Maxwell đã mô tả một thế giới thực của các phân tử và nguyên tử. Ông đã nghiên cứu các chất khí và đặc tính của chúng. Ông đã biết rằng, việc một lượng khí có thể bị nén sẽ được giải thích nếu nó cấu tạo bởi rất nhiều những thực thể rất nhỏ. Boltzmann không thể nhìn thấy các nguyên tử nhưng ông có thể đo được các đặc tính của chúng. Phương pháp của ông dựa trên thống kê và đo lường, chúng đã dẫn ông đến "lý thuyết động học" về chất khí - một nền tảng quan trọng của nhiệt động lực học. Boltzmann đã chỉ ra rằng, chuyển động của các phân tử và nguyên tử sinh ra nhiệt. Ông cũng tìm ra quy luật phân bố vận tốc của các phân tử chất khí. Những khám phá của Boltzmann đã xây dựng nên cơ sở của vật lý thống kê, nhưng vào thời của ông có rất ít người nhận ra tầm quan trọng của chúng.

Bắc cầu cho vật lý hiện đại

Boltzmann là một nhà vật lý cổ điển, nhưng ông đã có ảnh hưởng to lớn đến sự hình thành các lĩnh vực vật lý hiện đại. Lý thuyết động học chất khí của ông đã là một nguyên mẫu đầu tiên của môn cơ học thống kê với những ứng dụng quan trọng cho đến ngày nay. Các phương trình Boltzmann là những ý tưởng trọng yếu cho nhiệt động lực học không cân bằng và các quá trình thuận nghịch. Chúng đã trở thành những vấn đề rất quan trọng của vật lý hiện đại cũng như là mối quan tâm lớn của triết học. Boltzmann cũng có công lớn trong việc xây dựng và bảo vệ định luật hai của nhiệt động lực học, phát triển định nghĩa entropy từ quan điểm thống kê thuần túy và đánh đổ quan điểm chết nhiệt vũ trụ. Max Planck viết: "Trong tất cả những nhà vật lý của thời đó, Boltzmann là người hiểu được ý nghĩa của entropy sâu sắc nhất".

Trên thực tế, ngoài Planck ra còn có một người có công đầu đề xuất ý tưởng cho thuyết lượng tử, đó chính là Boltzmann. Trong những công trình của Boltzmann năm 1872 (trước Planck 28 năm), ông đã lần đầu tiên chia năng lượng của một hệ thành những phần gián đoạn rất nhỏ. Tuy nhiên, ông đã chỉ nhận thức "sự lượng tử hóa" này như một thủ thuật toán học cho phép việc sử dụng các phương trình trong tính toán xác suất. Các lượng tử năng lượng đã không còn xuất hiện trong những phương trình cuối cùng, nhưng có một điều chắc chắn là chính Boltzmann đã dọn đường cho thuyết lượng tử.

Chống Schopenhauer

Boltzmann cũng cho thấy một cách chi tiết sự cố gắng vô nghĩa của Schopenhauer khi áp dụng giả thuyết của ông ta cho các nghệ thuật khác nhau. Ông giải thích rằng, thậm chí sự phân loại các nghệ thuật khác nhau của Schopenhauer cũng không hề bao hàm bất cứ thứ nghệ thuật khả dĩ nào.

Schopenhauer coi âm nhạc như sự biểu diễn trực tiếp của ý chí tới mức nó không còn là khách thể nữa. Trái lại, tất cả các nghệ thuật khác cũng biểu diễn ý chí nhưng chỉ là gián tiếp và được coi như một dạng khách thể cá biệt của âm nhạc. Sự tách biệt giữa âm nhạc và các nghệ thuật khác của Schopenhauer như vậy là xuất phát từ một cái nhìn thiếu hiện thực, dẫn đến những hệ quả buồn cười cũng như những mâu thuẫn nghiêm trọng. Theo Schopenhauer, âm nhạc là một tấm gương phản ánh toàn bộ thế giới, còn thế giới lại đang là một sự biểu hiện của ý chí vũ trụ và một thứ âm nhạc khác, có được bằng những cách khác và độc lập với thứ âm nhạc ban đầu. Như vậy, âm nhạc có thể tiếp tục tồn tại nếu thế giới không tồn tại. Nghĩa là trong cả những trường hợp không có đàn violin, không có không khí truyền âm thanh, không có những đôi tai hay không có những óc nhận thức thì âm nhạc vẫn tồn tại!

Một con người của khoa học, nghệ thuật và cái đẹp

Âm nhạc và nghệ thuật đóng một vai trò quan trọng trong cuộc đời của Boltzmann. Ông là một nghệ sỹ piano xuất sắc và đã từng học nhạc với Anton Bruckner, nhà soạn nhạc giao hưởng danh tiếng cuối thế kỷ 19. Boltzmann đã từng chỉ ra rằng, cái công việc của Schopenhauer - phân loại nghệ thuật để đọc ra các quy tắc của chúng chỉ là một trò thông thái rởm, ngớ ngẩn và nực cười. Có thể thấy được niềm ngưỡng mộ của Boltzmann  đối với nghệ thuật và cái đẹp qua những gì ông viết: "Có lần tôi đã cười ầm lên khi đọc được rằng, có một họa sỹ đã mất nhiều ngày đêm để đi tìm một màu đơn sắc, nhưng bây giờ tôi không cười về điều đó chút nào nữa. Tôi đã khóc khi tôi nhìn thấy màu sắc của biển; tôi không hiểu vì sao tôi lại khóc chỉ vì một màu sắc. Đó là ánh trăng, hay là sự phát sáng của mặt biển trong một đêm tối thăm thẳm. Nếu có điều gì đó đáng để chúng ta ngưỡng mộ hơn cả vẻ đẹp của tự nhiên, thì đó chính là nghệ thuật của con người... Kỳ quan vĩ đại nhất của tự nhiên chính là tư duy của loài người!"
Boltzmann là một nhà sư phạm xuất sắc và đối xử rất tốt với các học trò. Một học trò nổi tiếng của ông, Lise Meitner đã viết: "Ông có một tâm hồn trong sáng, thuần khiết và một trái tim nhân hậu. Mối quan hệ của ông với các sinh viên rất mang tính nhân văn. Ông vẫn thường chơi piano cho chúng tôi nghe và nghệ sỹ piano tài năng này cũng hay kể với chúng tôi về những câu chuyện cuộc đời của ông".
Boltzmann vẫn quan hệ tốt với những đối thủ của mình mặc dù ông có nhiều mâu thuẫn gay gắt với họ về những quan điểm triết học và khoa học. Boltzmann và Wilhelm Ostwald (1853 -1932) đã thường xuyên chống đối nhau trong triết học và khoa học nhưng về mặt cá nhân, họ vẫn là những người bạn tốt. Chẳng hạn, Boltzmann đã từng đến Leipzig vì một lời mời của Ostwald. Boltzmann rất khó chịu đối với tư tưởng của Mach, thậm chí ông đã dời bỏ thành Vienna yêu dấu của mình vào năm 1900 chỉ vì có sự tồn tại của Mach ở đây. Nhưng trên thực tế, hai người này vẫn cư xử rất lịch sự và tôn trọng nhau. Thực ra, một trong những lý do quan trọng khiến Boltzmann phê phán Schopenhauer mạnh mẽ là do Schopenhauer đã sử dụng những từ ngữ bất lịch sự để chống lại các nhà triết học khác. Boltzmann nói rằng với một học giả lớn thì không thể dùng những từ ngữ đó.

Nhưng người bạn của Boltzmann thường thấy ở ông những đặc điểm giống như một đứa trẻ, ngây thơ, chất phác và thánh thiện. Ostwald đã từng gọi Boltzmann là một "kẻ lạ trên thế giới này." Lý do khiến mọi người gọi ông là một đứa trẻ ngoan là bởi vì ông bảo vệ và tuân theo vô điều kiện những truyền thống và quy ước, nghĩa là tiếp cận những vấn đề trong khoa học và trong cuộc sống theo một con đường mở. Những thành tựu của ông đã chứng tỏ rằng, ngay cả trong cuộc sống hàng ngày ông cũng nhận thức rõ mục đích của mình, nhưng những hành động của ông thường là khác thường so với những người khác. Chẳng hạn, người ta kể rằng, sau khi mua một con bò cho ngôi nhà ở ngoại ô, ông đã đến nhờ một người bạn của mình, một giáo sư động vật học cố vấn cho ông về cách lấy sữa.

Khả năng làm việc của Boltzmann thực sự là tuyệt vời. Ông đã từng làm giáo sư toán, vật lý toán, vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm. Ông có bài giảng về rất nhiều lĩnh vực như cơ học, lý thuyết nhiệt, đàn hồi, lý thuyết toán cho âm học, mao dẫn, phương pháp tính, phép tính vi phân và tích phân, lý thuyết số, các chủ đề đặc biệt về giải tích nâng cao, hình học giải tích, lý thuyết hàm số, cơ học giải tích, lý thuyết khí, lý thuyết điện và từ, nhiệt động lực học và các nguyên lý trong triết học tự nhiên. Nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng H. A. Lorentz rất ngưỡng mộ Boltzmann và đã viết về ông như sau: "Ông là một nhà vật lý thông thái, những lời của ông đã đem ông đến gần với trái tim chúng tôi hơn... Ở đây, ông chia sẻ với chúng tôi những niềm vui và cả những trăn trở, ông đã dẫn dắt chúng tôi qua cái nhìn khoa học logic về Tự nhiên".   

"Năng lượng tinh thần" và Thượng đế

Trong tranh biện triết học, Boltzmann đã từng phân tích về các dạng năng lượng vật lý và năng lượng tinh thần. Ông cho rằng, không thể xét chung hai dạng năng lượng này trong cùng một thế giới được. "Trong khoa học tự nhiên, năng lượng là một đại lượng đo được với những đơn vị thích hợp và luôn duy trì giá trị của nó sao cho nếu nó triệt tiêu ở chỗ này thì ở chỗ khác sẽ có một lượng bằng như vậy được sinh ra. Cho nên nếu muốn xây dựng một khái niệm năng lượng tinh thần tương đương với năng lượng vật lý thì phải chứng minh rằng, năng lượng tinh thần cũng đo bằng đơn vị giống như năng lượng vật lý và một lượng của nó được sinh ra thì một lượng năng lượng vật lý chính xác bằng với lượng đó sẽ phải mất đi. Tuy nhiên, việc chứng minh nhận định này không thể nào thực hiện được. Bởi vì nó hoàn toàn sai. Sự tương đương giữa các các hiện tượng tinh thần và những quá trình vật lý của bộ não sinh ra khả năng là tất cả năng lượng được duy trì không đổi dưới dạng vật lý của nó bên trong khối lượng bộ não. Toàn bộ những quá trình tinh thần chỉ là những hiện tượng phụ tương đương và có lẽ cũng chỉ là một bức tranh thứ hai của các quá trình vật lý được nhìn ở một góc độ khác, mà cái đó thì chắc chắn là không chứa đựng bất cứ loại năng lượng mới nào có ý nghĩa vật lý". Theo Boltzmann, việc phổ biến cái gọi là lý thuyết về năng lượng tinh thần trong khoa học vật lý là không đúng. "Năng lượng vật lý và cái mà tôi gọi là năng lượng tinh thần là hai thứ hoàn toàn khác nhau, được gọi bởi cái tên giống nhau chỉ vì có một sự tương tự hời hợt. Tôi nghĩ là sai lầm khi người ta nói mà không phân biệt được các khái niệm về lý thuyết năng lượng trong cơ học, hóa học với các hiện tượng tinh thần như sự vui vẻ và những thứ tương tự".

Triết học của Boltzmann được coi là chủ nghĩa duy vật hiện thực (realism - materialism). Ông viết: "Chắc chắn là, chỉ một người điên mới phủ nhận sự tồn tại của Thượng đế. Nhưng điều này cũng tương đương với trường hợp là, tất cả các ý tưởng của chung ta về Thượng đế chỉ là những thuyết phỏng theo người (anthropomorphism) không dựa trên phương pháp luận khoa học chính thống. Thành ra, theo cách đó, những điều chúng ta tưởng tượng về Thượng đế sẽ không tồn tại. Nếu một người tin là Thượng đế tồn tại và một người khác không tin Thượng đế tồn tại thì có lẽ cả hai người đều nghĩ cùng những suy nghĩ mà thậm chí không nghi ngờ về nó. Chúng ta không được hỏi liệu Thượng đế có tồn tại hay không trừ phi chúng ta có thể tưởng tượng được điều gì đó xác định khi nói như vậy. Thay vào đó, chúng ta phải hỏi rằng, bằng những ý tưởng nào để chúng ta có thể đến gần hơn tới cái khái niệm cao nhất mà có thể bao quát mọi thứ."

Cái chết

Trong những năm cuối đời, sức khỏe của Boltzmann suy sụp nghiêm trọng. Ông đã thường xuyên tham gia vào những cuộc tranh cãi đầy mệt mỏi của mình. Thị lực của ông suy giảm đến mức ông phải thuê một người đọc các bài báo khoa học cho ông. Vợ ông cũng phải viết các tác phẩm ra giấy giúp ông. Ngoài căn bệnh hen suyễn vẫn dày vò hàng đêm, ông còn bị đau đầu nặng do làm việc quá nhiều. Tuy vậy, Boltzmann đã không bao giờ chú trọng đến sức khỏe, ông đã hy sinh nó cho những nghiên cứu miệt mài của mình.

Luwig Boltzmann, một trong những tư duy vĩ đại nhất của mọi dân tộc và mọi thời đại đã tự vẫn vào ngày 5/9/1906. Rất nhiều nhà khoa học nổi tiếng thời đó đã đến dự đám tang của ông với niềm kính trọng và thương tiếc. Cái chết của Boltzmann còn buồn hơn bởi vì lúc sinh thời chính ông đã từng nói rằng, ông không muốn chết bởi vì cái chết sẽ ngăn cản ông muốn được chứng kiến sự phát triển vượt bậc của khoa học. Boltzmann được chôn cất ở nghĩa trang trung tâm của thành Vienna . Trên ngôi mộ bằng đá của ông có khắc phương trình entropy S = k log W. Phương trình này là thành tựu khoa học vĩ đại nhất của Boltzmann. Nó đã và sẽ còn in sâu trên đá qua bụi thời gian hàng thế kỷ cũng như trở thành một trong những phương trình kinh điển và có giá trị nhất trong lịch sử khoa học.