Abstract
In 1866 Boltzmann began his scientific career with an attempt to give a purely mechanical explanation of the second law of thermodynamics. He gradually recognized the need to introduce statistical concepts in order to understand irreversibility and the second law. This paper follows the development of Boltzmann’s views, tracing the increasingly important role that he assigned to statistical concepts. Boltzmann’s critics played an important part in forcing him to clarify his own thinking about statistical mechanics, and the successive criticisms made over a period of a quarter of, a century are described and analyzed. There is also an attempt to estimate the degree to which Boltzmann’s ideas were generally understood and accepted by his contemporaries.
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Notes
Ludwig Boltzmann, “Über die mechanische Bedeutung des zweiten Hauptsatzes der Wärmetheorie”, Wiener Berichte 53 (1866), 195.
Reprinted in L. Boltzmann, Wissenschaftliche Abhandlungen, ed. F. Hasenöhrl (Leipzig, 1909 ), 1, 9–33. This collection will be referred to as Wiss. Abh. and page references to Boltzmann’s work will be made to this edition.
L. Boltzmann and J. Nabl, “Kinetische Theorie der Materie”, Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften, Vol.V, Part 8 (Leipzig, 1907 ).
See Engelbert Broda, Ludwig Boltzmann: Mensch, Physiker, Philosoph (Berlin, 1955) and Rena Dugas, La théorie physique au sens de Boltzmann et ses prolongements modernes (Neuchâtel, 1959 ).
Erwin Schrödinger, “The Statistical Law in Nature”, Nature 153 (1944), 704.
See, for example, E.J. Dijksterhuis, The Mechanization of the World Picture, transi. C. Dikshoorn (Oxford, 1961 ), p. 479.
John Herivel, The Background to Newton’s “Principia” (Oxford, 1965).
George E. Uhlenbeck, “Structure of Statistical Mechanics”, Proceedings of the 1966 Midwest Conference on Theoretical Physics (Bloomington, 1966), p. 1.
Christiaan Huygens, Treatise on Light, transi. S.P. Thompson (London, 1912 ), P. 3.
Heinrich Hertz, The Principles of Mechanics Presented in a New Form, transl. D.E. Jones and J.T. Walley (London, 1899), Author’s Preface.
L. Boltzmann, Populäre Schriften (Leipzig, 1905). Also see Broda and Dugas, op. cit., note 3.
L. Boltzmann, op. cit., note 1.
Rudolf Clausius, “Über verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie”, Pogg. Ann. 125 (1865), 353.
See Martin J. Klein, “Gibbs on Clausius”, Historical Studies in the Physical Sciences, ed R. McCormmach (Philadelphia, 1969) 1, 127.
This notation was introduced by Carl Neumann in his Vorlesungen über die mechanische Theorie der Wärme (Leipzig, 1875), p. ix.
Hermann von Helmholtz, Über die Erhaltung der Kraft (Berlin, 1847).
L. Boltzmann, op. cit., note 1, p. 30. Boltzmann later found other and stronger arguments against the applicability of this purely mechanical interpretation to nonperiodic systems. See his “Bemerkungen über einige Probleme der mechanischen Wärmetheorie”, Wiener Berichte 75 (1877), 62, especially Section III, “Bemerkungen zur mechanischen Bedeutung des zweiten Hauptsatzes der Wärmetheorie”, Wiss. Abh. 2, 122–148.
R. Clausius, “Über die Zurückführung des zweiten Hauptsatzes der mechanischen Wärmetheorie auf allgemeine mechanische Principien”, Pogg. Ann. 142 (1871), 433.
L. Boltzmann,’“Zur Priorität der Auffindung der Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatze der mechanischen Wärmetheorie und dem Prinzip der kleinsten Wirkung”, Pogg. Ann. 143 (1871), 211; Wiss. Abh. 1, 228–236.
Ibid., p. 236.
R. Clausius, “Bemerkungen zu der Prioritätsreclamation des Hrn. Boltzmann”, Pogg. Ann. 144 (1871), 265.
See L. Boltzmann, op. cit., note 1, especially pp. 20–23.
L. Boltzmann, Populäre Schriften, p. 96.
James Clerk Maxwell, “On the Dynamical Theory of Gases”, Phil. Trans. Roy. Soc. 157 (1867), 49. Reprinted in The Scientific Papers of James Clerk Maxwell, ed. W.D. Niven (Cambridge, 1890), 2, 26–78.
J.C. Maxwell, “Illustrations of the Dynamical Theory of Gases”, Phil. Mag. 19 (1860), 19; 20 (1860), 21,33. See Scientific Papers 1, 382.
L. Boltzmann, “Studien über das Gleichgewicht der lebendigen Kraft zwischen bewegten materiellen Punkten”, Wiener Berichte 58 (1868), 517; Wiss. Abh. 1, 49–96.
L. Boltzmann, “Über das Wärmegleichgewicht zwischen mehratomigen Gasmolekülen”, Wiener Berichte 63, (1871), 397; Wiss. Abh. 1, 237–258.
L. Boltzmann, “Einige allgemeine Sätze über Wärmegleichgewicht”, Wiener Berichte 63 (1871), 679; Wiss. Abh. 1, 259–287.
L. Boltzmann, op. cit., note 25, p. 50.
L. Boltzmann, op. cit., note 26(b), p. 284.
Paul and Tatyana Ehrenfest, “Begriffliche Grundlagen der statistischen Auffassung in der Mechanik”, Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften, Vol. IV, Part 32 (Leipzig, 1911). Reprinted in Paul Ehrenfest, Collected Scientific Papers (Amsterdam, 1959), pp. 213–300. English translation by M.J. Moravcsik, The Conceptual Foundations of Statistical Mechanics (Ithaca, 1959 ).
Stephen G. Brush, “Foundations of Statistical Mechanics 1845–1915”, Archive for History of Exact Sciences 4 (1967), 145–183.
Hannelore Bernhardt, “Über die Entwicklung und Bedeutung der Ergodenhypothese in den Anfängen der statistischen Mechanik”, N.T.M. 8 (1971), 13–25.
L. Boltzmann, “Analytischer Beweis des zweiten Hauptsatzes der mechanischen Wärmetheorie aus den Sätzen über das Gleichgewicht der lebendigen Kraft”, Wiener Berichte 63 (1871), 712; Wiss. Abh. 1, 288–308.
Max Planck properly claimed credit for introducing this constant. See his Wissenschaftliche Selbstbiographie (Leipzig, 1948).
Edward E. Daub, “Probability and Thermodynamics: The Reduction of the Second Law”, Isis 60 (1969), 318–330.
L. Boltzmann, “Weitere Studien über das Wärmegleichgewicht unter Gasmolekülen”, Wiener Berichte 66 (1872), 275; Wiss. Abh. 1, 316–402.
Ibid., p. 320.
Ibid., p. 324.
Ibid., p. 345.
Boltzmann’s proof required correction as H.A. Lorentz pointed out.
See H.A. Lorentz, “Über das Gleichgewicht der lebendigen Kraft unter Gasmolekülen”, Wiener Berichte 95 (1887), 115.
L. Boltzmann, “Neuer Beweis zweier Sätze über das Wärmegleichgewicht unter mehratomigen Gasmolekülen”, Wiener Berichte 95(1887), 153; Wiss. Abh. 3, 272–282.
See also L. Boltzmann, Lectures on Gas Theory, transl. S.G. Brush (Berkeley, 1964 ), pp. 49–55, 412–443. Richard C. Tolman, The Principles of Statistical Mechanics (Oxford, 1938), pp. 99–165.
L. Boltzmann, op. cit., note 33, p. 401.
L. Boltzmann, op. cit., note 33, p. 401.
Ibid., p. 346.
See L. Boltzmann, Populäre Schriften, pp. 141–161.
Also see R. Dugas, op. cit., note 3, pp. 25–29, 101–109;
E. Broda, op. cit., note 3, pp. 41–49.
L. Boltzmann, op. cit., note 33, p. 361–369.
L. Boltzmann, Wiss. Abh. 1, 403–615.
L. Boltzmann, “Über das Wärmegleichgewicht von Gasen, auf welche äußere Kräfte wirken”, Wiener Berichte 72 (1875), 427; Wiss. Abh. 2, 1–30.
L. Boltzmann, “Über das Wärmegleichgewicht von Gasen, auf welche äußere Kräfte wirken”, Wiener Berichte 72 (1875), 427; Wiss. Abh. 2, 1–30.
Josef Loschmidt, “Über den Zustand des Wärmegleichgewichtes eines Systems von Körpern mit Rücksicht auf die Schwerkraft”, Wiener Berichte 73 (1876), 139.
See the extensive discussion in R. Dugas, op. cit., note 3, pp. 158–184.
Also L. Boltzmann, “Über die Aufstellung und Integration der Gleichungen, welche die Molekularbewegung in Gasen bestimmen”, Wiener Berichte 74 (1876), 503; Wiss. Abh. 2, 55–102.
Also L. Boltzmann, “Über die Aufstellung und Integration der Gleichungen, welche die Molekularbewegung in Gasen bestimmen”, Wiener Berichte 74 (1876), 503; Wiss. Abh. 2, 55–102.
Also L. Boltzmann, “Weitere Bemerkungen über einige Probleme der mechanischen Wärmetheorie”, Wiener Berichte 78 (1878), 7, especially Section II, “Über das Wärmegleichgewicht in einem schweren Gas”, Wiss. Abh, 2, 264–288.
Also L. Boltzmann, “Weitere Bemerkungen über einige Probleme der mechanischen Wärmetheorie”, Wiener Berichte 78 (1878), 7, especially Section II, “Über das Wärmegleichgewicht in einem schweren Gas”, Wiss. Abh, 2, 264–288.
L. Boltzmann, “Bemerkungen über einige Probleme der mechanischen Wärmetheorie”, Wiener Berichte 75 (1877), 62, especially Section II, “Über die Beziehung eines allgemeinen mechanischen Satzes zum zweiten Hauptsatz der Wärmetheorie”, Wiss. Abh. 2,116–122.
L. Boltzmann, “Bemerkungen über einige Probleme der mechanischen Wärmetheorie”, Wiener Berichte 75 (1877), 62, especially Section II, “Über die Beziehung eines allgemeinen mechanischen Satzes zum zweiten Hauptsatz der Wärmetheorie”, Wiss. Abh. 2,116–122.
L. Boltzmann, op. cit., note 33, p. 345.
See R. Dugas, op. cit., note 3, pp. 185–191. Also see H. Bernhardt, “Der Umkehreinwand gegen das H- Theorem und Boltzmanns statistische Deutung der Entropie”, N.T.M. 4. (1967), No. 10, 35–44.
J.C. Maxwell to P.G. Tait, 11 December 1867. Quoted in Cargill Gilston Knott, Life and Scientific Work of Peter Guthrie Tait (Cambridge, 1911 ), p. 213.
See also M.J. Klein, “Maxwell, His Demon, and the Second Law of Thermodynamics”, American Scientist 58 (1970), 84–97.
C.G. Knott, op. cit., p. 214.
Ibid., p. 215.
J.C. Maxwell to J.W. Strutt, 6 December 1870. Quoted in Robert John Strutt, Life of John William Strutt, Third Baron Rayleigh ( Reprinted Madison, Wisconsin, 1968 ), p. 47.
J.C. Maxwell, Theory of Heat (Reprinted New York, 1872 ), p. 308.
J.C. Maxwell, “Tait’s Thermodynamics”, Nature 17 (1878), 257. Scientific Papers 2, 660–671.
Georg Helm, Die Energetik (Leipzig, 1898), p. 146.
Josiah Willard Gibbs, The Scientific Papers (Reprinted New York, 1961 ), 1, 167.
L. Boltzmann, “Über die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatze der mechanischen Wärmetheorie und der Wahrscheinlichkeitsrechnung respektive den Sätzen über das Wärmegleichgewicht”, Wiener Berichte 76 (1877), 373; Wiss. Abh. 2, 164–223.
Ibid., p. 168.
Ibid., p. 165.
Ibid., pp. 186–190.
Ibid., pp. 190–195.
Ibid., pp. 215–217.
Boltzmann had already shown that the functional E, defined by equation (17), could also be written in terms of velocity variables in essentially the form of equation (24). See L. Boltzmann, op. cit., note 33, p. 362.
L. Boltzmann, op. cit., note 57, p. 218.
See E. Broda, op. cit., note 3, pp. 9–15.
J.C. Maxwell to P.G. Tait, August 1873. Quoted in Knott, op. cit., note 49, 43. 114.
See H.W. Watson, A Treatise on the Kinetic Theory of Gases (Oxford, 2nd ed. 1893 )
S.H. Burbury, A Treatise on the Kinetic Theory of Gases (Cambridge, 1899 ).
P. and T. Ehrenfest, op. cit., note 29.(a). Translation pp. 17–39.
Ibid., pp. 9–16, 40–42, for discussions of the Stosszahlansatz.
Ibid., p.3.
See, for example, S.G. Brush, op. cit., note 29(b).
J.C. Maxwell, Scientific Papers, 1, 409.
J.C. Maxwell, “On the Dynamical Evidence of the Molecular Constitution of Bodies”, Nature 11 (1875), 357. Scientific Papers 2, 433.
A. Kundt and E. Warburg, “über die spezifische Wärme des Quecksilbergases”, Pogg. Ann. 157 (1876), 353.
L. Boltzmann, “Über die Natur der Gasmoleküle”, Wiener Berichte 74 (1876), 553
L. Boltzmann, “Über die Natur der Gasmoleküle”, Wiener Berichte 74 (1876), 553
William Thomson, Lord Kelvin, Baltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light (London, 1904), pp. 486–527.
G.H. Bryan, “Researches Relating to the Connection of the Second Law with Dynamical Principles”, B.A. A.S. Report 61 (1891), 85.
For a discussion of the work on monocycles and references see M.J. Klein, “Mechanical Explanation at the End of the Nineteenth Century”, Centaurus 17 (1972).
G.H. Bryan, “The Laws of Distribution of Energy and Their Limitations”, B.A.A.S. Report 64 (1894), 64.
L. Boltzmann, Lectures on Gas Theory, p. 22.
See Nature 50 (1894), 51 (1894–95). Full references are given in M.J. Klein, Paul Ehrenfest. The Making of a Theoretical Physicist (Amsterdam, 1970), pp. 111–112.
L. Boltzmann, “On Certain Questions of the Theory of Gases,” Nature 51 (1895), 413; Wiss.Abh. 3, 535–544.
L. Boltzmann, “On Certain Questions of the Theory of Gases,” Nature 51 (1895), 413; Wiss.Abh. 3, 535–544.
E.P. Culverwell, “Professor Boltzmann’s Letter on the Kinetic Theory of Gases”, Nature 51 (1895), 581.
L. Boltzmann, “Reply to Culverwell”, Nature 51 (1895), 581; Wiss. Abh. 3, 545.
L. Boltzmann, “Reply to Culverwell”, Nature 51 (1895), 581; Wiss. Abh. 3, 545.
For a recent discussion and references see Erwin N. Hiebert, “The Energetics Controversy and the New Thermodynamics” in Duane H.D. Roller, ed. Perspectives in the History of Science and Technology ( Norman, Oklahoma, 1971 ), pp. 67–86.
Ernst Zermelo, “Über einen Satz der Dynamik und die mechanische Wärmetheorie”, Wied. Ann. 57 (1896), 485–494.
See M. Planck, op. cit., note 31.
Henri Poincaré, “Sur le problème des trois corps et les équations de la dynamique”, Acta Math. 13 (1890) 67.
L. Boltzmann, “Entgegnung auf die wärmetheoretischen Betrachtungen des Hrn. E. Zermelo”, Wied. Ann. 57 (1896), 773; Wiss. Abh. 3, 567–578.
L. Boltzmann, “Entgegnung auf die wärmetheoretischen Betrachtungen des Hrn. E. Zermelo”, Wied. Ann. 57 (1896), 773; Wiss. Abh. 3, 567–578.
See also H. Bernhardt, “Der Wiederkehreinwand gegen Boltzmanns H-Theorem und der Begriff der Irreversibilität”, N.T.M. 6 (1969), No. 2, 27–36.
L. Boltzmann,“Zu Hrn. Zermelos Abhandlung ’Über die mechanische Erklärung irreversibler Vorgänge”, Wied. Ann. 60 (1897), 392; Wiss. Abh. 3, 579–586.
L. Boltzmann,“Zu Hrn. Zermelos Abhandlung ’Über die mechanische Erklärung irreversibler Vorgänge”, Wied. Ann. 60 (1897), 392; Wiss. Abh. 3, 579–586.
L. Boltzmann, op. cit., note 89, p. 576.
L. Boltzmann, Lectures on Gas Theory, p. 22.
Ibid., pp. 55–62.
L. Boltzmann, Vorlesungen über die Prinzipe der Mechanik I. Teil (Leipzig, 1897), p. iii.
L. Boltzmann, Lectures on Gas Theory, p. 215.
L. Boltzmann, “Über einen mechanischen Satz Poincaré’s”, Wiener Berichte 106 (1897), 12; Wiss. Abh. 3, 587–595.
L. Boltzmann, “Über einen mechanischen Satz Poincaré’s”, Wiener Berichte 106 (1897), 12; Wiss. Abh. 3, 587–595.
L. Boltzmann, “über die sogenannte H-Kurve”, Math. Ann. 50 (1898), 325; Wiss. Abh. 3, 629–637.
L. Boltzmann, “über die sogenannte H-Kurve”, Math. Ann. 50 (1898), 325; Wiss. Abh. 3, 629–637.
M. Planck, Treatise on Thermodynamics, transi. Alexander Ogg (Reprinted New York, n.d.), p. viii.
See M.J. Klein, “Max Planck and the Beginnings of the Quantum Theory”, Archive for History of Exact Sciences 1 (1962), 459–479;
M.J. Klein, “Thermodynamics and Quanta in Planck’s Work”, Physics Today 19 (1966), No. 11, 23.
L. Boltzmann, Lectures on Gas Theory, p. 216.
L. Boltzmann, op. cit., note 2, pp. 512–522.
L. Boltzmann, Populäre Schriften, pp. 405–407.
See M.J. Klein, Paul Ehrenfest, pp. 81–83, 119–140.
P. and T. Ehrenfest, “Über zwei bekannte Einwände gegen das Boltzmannsche H-Theorem”, Phys. Z. 8(1907), 311. Scientific Papers, pp.146–149. See also M.J. Klein, Paul Ehrenfest, pp. 114–119.
I gratefully acknowledge the support for this work provided by a grant from the National Science Foundation.
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Klein, M.J. (1973). The Development of Boltzmann’s Statistical Ideas. In: Cohen, E.G.D., Thirring, W. (eds) The Boltzmann Equation. Acta Physica Austriaca, vol 10/1973. Springer, Vienna. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-8336-6_4
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