Ludwig Boltzmann

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Ludwig Eduard Boltzmann (né le à Vienne, Autriche - mort le à Duino) est un physicien et philosophe autrichien. Il est considéré comme le père de la physique statistique et un fervent défenseur de l’existence des atomes[1]. Validant l’hypothèse de Démocrite selon laquelle « la matière peut être considérée comme un ensemble d'entités indivisibles », Boltzmann, à l'aide de son équation cinétique dite « de Boltzmann », a théorisé de nombreuses équations de mécanique des fluides et de théorie cinétique des gaz.

Biographie[modifier | modifier le code]

Enfance et adolescence[modifier | modifier le code]

Ludwig Eduard Boltzmann naît à Vienne, capitale de l'Empire Austro-Hongrois, la nuit du 19 au 20 février 1844, entre le mardi-gras et le mercredi des cendres. Boltzmann ironisera sur les circonstances de sa naissance qui seraient la cause de sa bipolarité, passant de moments d'enthousiasme à des moments de profonde dépression (p. 5)[2]. Son pére, Ludwig Georg, est percepteur à Vienne et sera par la suite muté à Wels puis à Linz où finira inspecteur en chef du Trésor impérial dans cette ville. Son grand-père paternel, originaire de Berlin, est horloger et fabricant de boites à musique à Vienne (p. 5)[2]. Sa mére, Katharina Maria Pauernfeind, est issue d'une famille de commerçants aisés de Salzbourg. Elle est arrière petite-fille de Johann Christian Paurnfeind, maire de Salzbourg de 1755 à sa mort en 1768. Ludwig a un frère, Albert, né en 1845, et une sœur, Hedwig, née en 1848 (p. 17)[3].

Les enfants Boltzmann reçoivent une éducation primaire à domicile par un précepteur. Ils bénéficient aussi des cours d'un professeur de musique. Ludwig apprécie la musique et sera pendant toute sa vie un excellent pianiste (p. 18)[3]. Les garçons font leurs études secondaires au lycée de Linz lorsque leur père meurt en 1859. Leur mère prend un soin particulier à ce que ses fils poursuivent leurs études, surtout qu'ils se révèlent tous deux particulièrement brillants. Grâce à sa fortune personnelle, elle peut subvenir aux besoins de sa famille (p. 34)[3]. Le 14 février 1863, Albert meurt, probablement de tuberculose. Ludwig est très affecté par la mort de son frère dont il était très proche. En juillet de la même année, il passe le baccalauréat avec la mention "Très Bien" et est admis à suivre les cours de Mathématiques et de Physique à l'Université de Vienne. La famille déménage à Vienne (p. 37)[3].

Étudiant à l'Université de Vienne (1863-1869)[modifier | modifier le code]

En octobre 1863, Boltzmann commence ses études à l'Université de Vienne. Il a Joseph Petzval pour professeur de Mathématiques, Josef Stefan et Andreas von Ettingshausen pour professeurs de Physique. En 1864, Boltzmann reçoit une bourse de recherche et commence ses travaux sous la direction de Stefan à l'Institut de Physique. L'Institut de Physique de l'Université de Vienne a été fondé en 1849 par Christian Doppler (1803-1853). Il est alors dirigé par von Ettingshausen. En 1865, Boltzmann publie son premier article scientifique sur Le mouvement de l'électricité sur les surfaces courbes. Son deuxième article, paru en 1866, intitulé Importance mécanique du second principe de la thermodynamique, amorce les recherches qui occuperont toute sa vie et assureront sa réputation (p. 41)[3]. Cette publication peut être considérée comme sa thèse de doctorat bien que l'Université de Vienne n'ait institué le doctorat qu'en 1872 (p. 6)[2]. La même année, Josef Stefan prend la direction de l'Institut de Physique et propose à Boltzmann un poste de professeur-assistant. Les quelques années passées à l'Institut, dans une ambiance studieuse et enthousiaste, marque Ludwig Boltzmann qui s'en souviendra comme d'une période heureuse et féconde :

« Ainsi, l'Institut, installé à l'époque rue Erdberg, était la preuve que de grandes victoires pouvaient être obtenues dans de petits locaux d'enseignement. D'ailleurs, tout au long de mon existence, je n'ai cessé de considérer Erdberg comme le symbole d'une activité expérimentale sérieuse et ingénieuse. Quand j'ai réussi à insuffler un peu de vie à l'Institut de Physique de Graz, je l'appelais "le petit Erdberg". Il n'avait rien de petit puisqu'il était deux fois plus grand que celui de Stefan, mais je n'étais pas encore parvenu à y recréer l'esprit de l'Institut de la rue Erdberg. » (Éloge funèbre de Boltzmann à Josef Stefan (p. 38)[3])

Au cours de l'année scolaire 1867-1868, Boltzmann reçoit le venia legendi, l'équivalent de l'agrégation, qui lui donne le droit d'enseigner. Il donne ses premiers cours à l'université sur les principes de la théorie mécanique de la chaleur. En 1868, il publie son troisième article intitulé Etude sur l'équilibre de la force vive de points matériels en mouvement.

Jozef_Stefan
Jozef Stefan

A l'Institut de la rue Erdberg, Boltzmann est particulièrement influencé par deux personnalités : Josef Stefan et Johann Josef Loschmidt. Stefan avait une grande culture scientifique et était aussi poète. Il s'intéressait à tous les développement touchant la Physique, de l'électromagnétisme à la thermodynamique. Il avait une grande estime pour James Clerk Maxwell dont il a fait connaître les travaux à son assistant Boltzmann (p. 40)[3]. C'est Stefan qui formula en 1879, sur des bases expérimentales, la loi qui porte son nom et relie l'énergie rayonnée par un corps noir à sa température. C'est Boltzmann qui donnera en 1884 la démonstration théorique de la loi de Stefan qui deviendra ainsi la loi de Stefan-Boltzmann. Et c'est logiquement que, à la mort de Stefan en 1890, l'Université de Vienne offre la chaire de Physique mathématique à Boltzmann, son plus brillant élève.

Johann_Josef_Loschmidt
Johann Josef Loschmidt

Le second personnage qui influence Boltzmann est Josef Loschmidt. Loschmidt était diplômé en Physique et en Chimie de l'Université de Vienne en 1846. Il avait 23 ans de plus que Boltzmann. Comme il n'avait pas pu obtenir de poste d'enseignant, il avait passé 20 ans dans diverses activités industrielles de chimie. A la suite de la faillite de son entreprise, il rejoint l'Institut de Physique en 1866. Loschmidt devient assistant-professeur en 1868 puis professeur de Chimie physique en 1872 à l'Université de Vienne. Parmi ses recherches éclectiques, il donna en 1865 la première approximation du nombre de molécules d'air par unité de volume. Il estima qu'il y avait 1,81 x 1024 molécules par m3 d'air. Ce nombre fut ré-estimé à 1,9 x 1025 par Maxwell qui l'appela constante de Loschmidt (p. 45)[3]. Amedeo Avogadro avait émis l'idée selon laquelle le volume d'une certaine quantité d'un gaz devait être proportionnel au nombre de molécules contenues dans ce volume. En 1906, Jean Perrin a calculé le nombre de molécules contenues dans une mole de gaz et l'a appelé Nombre d'Avogadro : NA= 6,02 x 1023. Sachant qu'une mole de gaz occupe 22,4 l dans les conditions normales de température et de pression, la constante de Loschmidt est égale à L=2,69 x 1025 m-3. Cette découverte de Loschmidt fut très importante pour le jeune Boltzmann. Elle consolida ses conceptions atomistes et son approche probabiliste de sa théorie de la chaleur. Boltzmann et Loschmidt furent bons amis, ce qui n'empêcha pas Loschmidt de critiquer vigoureusement la première tentative de Boltzmann de traiter de façon cinétique le second principe de la thermodynamique. Cette critique obligera Boltzmann a approfondir son approche statistique de l'entropie (p. 64)[3].

Voici ce qu'écrit Boltzmann de ses deux mentors à l'Institut de Physique:

« Parce qu'ils étaient sans prétention aucune, de par leur simplicité et leur modestie, ils se ressemblaient beaucoup. Ils n'essayaient jamais de faire montre de leur supériorité intellectuelle. Pendant les longues années que je passai auprès d'eux, d'abord comme étudiant, puis comme assistant, ils me traitèrent toujours comme un ami. Leur sérénité olympienne et leur humour si fin, qui faisaient des discussion les plus âpres un divertissement ludique pour les étudiants, me marquèrent au point d'influencer ma manière d'être. (p. 41)[3] »

Professeur de Physique mathématique à Graz (1869-1873)[modifier | modifier le code]

Ludwig Boltzmann à 24 ans
Ludwig Boltzmann à 24 ans

La chaire de Physique mathématique est devenue vacante à l'Université de Graz lorsque son titulaire, Ernst Mach, est parti pour l'Université Charles de Prague en 1867. Sur recommandation de Stefan et avec l'appui d'August Toepler, professeur de Physique expérimentale à Graz, Ludwig Boltzmann est nommé par l'empereur François-Joseph à la chaire de Physique mathématique de l'Université de Graz à l'âge de 25 ans. Boltzmann et Toepler s'entendent bien. Ils publient plusieurs travaux réalisés en collaboration. Toepler est un homme entreprenant qui lance la construction d'un nouveau bâtiment de laboratoires de Physique (p. 6)[2] et qui trouve l'argent pour l'équiper (p. 13)[2]. Boltzmann s'épanouit à Graz. Ses cours sont appréciés. Son travail de recherche avance. Son salaire est rapidement et considérablement augmenté (p. 53)[3]. Cependant, il se rend compte qu'à Vienne ses maîtres Stefan et Loschmidt travaillaient en vase clos, ne se déplaçaient pas et ne participaient pas aux rencontres internationales, ce qui nuisait à leur travail et à leur notoriété. Pour ne pas reproduire ces travers, il demande à l'Université l'autorisation de s'absenter pour visiter des collègues en Allemagne, autorisation qui lui est accordée.

En avril-mai 1870, il se rend à Heidelberg pour visiter le chimiste Robert Bunsen. Au cours de ce séjour, il assiste à un séminaire du mathématicien Leo Königsberger pendant lequel il propose une solution à un problème présenté comme impossible à résoudre. Après une discussion dans le bureau de Königsberger, celui-ci l'incite à rencontrer le très célèbre physicien Gustav Kirchhoff (p. 53)[3]. Boltzmann se présente donc dans le laboratoire de Kirchhoff et, au cours de leur échange, il lui signale une erreur dans l'un de ses articles. Kirchhoff est d'abord très mécontent de se faire corriger par un jeune homme inconnu, autrichien de surcroît, mais il reconnait son erreur et apprécie la franchise et l'acuité intellectuelle de son visiteur. Les deux hommes garderont une estime réciproque et resteront en relation professionnelle et amicale (p. 54)[3].

Gustav_Robert_Kirchhoff
Gustav_Robert Kirchhoff

Pendant le semestre d'hiver 1871-1872, Boltzmann visite Hermann von Helmholtz à l'Université Friedrich Wilhelm à Berlin. Ses entretiens avec Helmholtz sur la Physique et les Mathématiques sont très enrichissants pour Boltzmann mais la froideur et ce qu'il juge être l'arrogance d'Helmholtz tempèrent son enthousiasme (p. 54)[3]. Il déclare un jour qu'« il y a des problèmes dont je ne peux parler qu'avec Helmholtz mais il est trop distant (p. 10)[2]. » De retour à Graz, il publie un de ses articles les plus importants : Nouvelles études sur l'équilibre thermique des molécules gazeuses. C'est dans cette publication que l'équation de Boltzmann est introduite. Elle décrit les propriétés statistique d'un gaz constitué de molécules et, d'un point de vue historique, c'est la première équation qui décrit l'évolution temporelle d'une probabilité (p. 7)[2].

En 1872, Boltzmann intervient en faveur d'une brillante étudiante de l'École Normale de Graz, Henriette von Aigentler, qui veut suivre les cours de Mathématiques et de Physique mais à qui l'Université interdit l'accès parce qu'elle est une femme. Bien que l'intervention de Boltzmann soit partiellement infructueuse, Ludwig et Henriette restent en contact épistolaire, car Ludwig part à Vienne (p. 67)[3]. Ils se marieront en 1876 quand Ludwig revient à Graz. Henriette est née le 16 novembre 1854 à Stainz. Son père, avocat, est mort en 1854 et sa mère en 1873. L'orpheline est adoptée par le maire de Graz, Wilhelm Kienzl, le père du compositeur Wilhelm Kienzl (p. 71)[3]. Elle est la première femme à suivre les cours de Mathématiques, Physique et Philosophie à l'Université de Graz comme auditrice extraordinaire. Dans une de ses lettres, Boltzmann exprime combien il est important pour lui que son épouse soit capable d'apprécier et de partager ses préoccupations scientifiques :

« S'il est vrai que, pour un mari dont le seul capital est son propre travail, les vertus d'une maîtresse de maison sobre et rigoureuse et d'une bonne mère de famille sont essentielles, il me semble qu'on ne peut parler d'amour durable si son épouse ne montre ni compréhension ni enthousiasme devant les efforts de son travail et qu'elle se contente d'être sa servante et non la compagne qui lutte à ses côtés (p. 68)[3]. »

Professeur de Mathématiques à Vienne (1873-1876)[modifier | modifier le code]

En 1873, la chaire de Mathématiques de l'Université de Vienne se libère. Boltzmann présente sa candidature appuyée par Stefan. Bien que classé 3ème dans un premier temps, il obtient le poste (p. 68)[3]. Il donne des cours de Mathématiques, mais aussi de Physique et continue son travail de recherche en Thermodynamique. En 1875, l'École Polytechnique Fédérale de Zurich lui propose un poste de professeur permanent. Boltzmann en informe le Ministère qui, immédiatement augmente son salaire et les moyens mis à sa disposition pour le garder. A cette époque, l'Université de Fribourg lui fait aussi une proposition. Mais Boltzmann a d'autres projets : en septembre 1875, il propose formellement à Henriette de l'épouser.

Ludwig et Henriette
Ludwig et Henriette en 1875

Professeur de Physique expérimentale à Graz (1876-1890)[modifier | modifier le code]

August Toepler qui dirigeait l'Institut de Physique de Graz n'était pas satisfait des conditions de recherche à Graz. Il décida donc de partir pour l'École Polytechnique Saxonne de Dresde (p. 71)[3]. Boltzmann propose sa candidature pour lui succéder comme professeur de Physique expérimentale et directeur de l'Institut de Physique tout neuf et bien équipé. Sa nomination à Graz serait d'autant plus opportune qu'il se marie avec Henriette à Graz le 17 juillet 1876. Mais Ernst Mach, un physicien expérimental reconnu, est aussi candidat. Mach a fait ses études avec Wilhelm Kienzl, le fils du maire de Graz. Par son camarade, il est au courant des tractations en cours à l'Université au sujet de la succession de Toepler. Cependant Boltzman bénéficie des mêmes informations par son épouse Henriette qui est fille adoptive du maire et qui fait campagne en sa faveur auprès des professeurs de l'Université de Graz. Finalement, Mach retire sa candidature et laisse la place à Boltzmann (p. 72)[3].

Ludwig et Henriette furent heureux à Graz pendant une dizaine d'années bien qu'ils durent héberger sous leur toit Katharina, la mère de Ludwig, et Hedwig, sa sœur, qui avait des problèmes de santé mentale. Ils eurent cinq enfants : Ludwig Hugo, né en 1878, Henriette, née ne 1880, Arthur Ludwig, né en 1881, Ida, née en 1884, et Elsa, née à Vienne en 1891. Boltzmann était très attentif et affectueux avec ses enfants. Il disposait d'un appartement de fonction à l'Université. Il acheta une ferme dans les environs pour que ses enfants puissent vivre à la campagne et profiter de la nature. Il constitua lui-même un herbier et une collection de papillons. Il avait un chien et avait acheté une vache (p. 93)[3]. Il aimait marcher et nager l'été, et patiner l'hiver. Il prétendait faire de l'exercice physique qu'il n'avait pas pu faire dans sa jeunesse (p. 16)[2]

A Graz, il aimait recevoir et distrayait ses hôtes par sa grande culture scientifique, littéraire et musicale. C'était un bon vivant qui aimait la bonne chère et les discussions autour d'une bière. Il fut souvent invité à dîner au palais impérial. Mais il était frustré de ne pas pouvoir profiter des plats qui étaient servis d'une part parce que l'empereur mangeait très peu et d'autre part parce que sa vue défaillante ne lui permettait pas de voir dans son assiette (p. 94)[3].

Ces occupations n'empêchent pas Boltzmann de poursuivre ses recherches sur la Thermodynamique. La chaire de Physique théorique qu'il a abandonnée quelques années plus tôt est tenue par Heinrich Streintz qui ne lui fait pas d'ombre et avec qui il s'entend bien. Pour l'aider, les autorités académiques créent un poste d'assistant qui est attribué à Albert von Ettingshausen, un neveu d'Andreas, qui prend en charge les questions administratives du laboratoire. Ce physicien aura une certaine célébrité en découvrant l'effet thermomagnétique (p. 15)[2]. Les critiques suscitées par son article de 1872 obligent Boltzmann à approfondir sa théorie. Ce qu'il expose dans un nouvel article en 1877 intitulé Rapport entre le second théorème de la théorie mécanique de la chaleur et le calcul des probabilités relatives aux résultats de l'équilibre thermique. Dans ce travail, il formule ce qu'Albert Einstein appellera le principe de Boltzmann, c'est-à-dire l'interprétation du concept d'entropie comme une mesure mathématiquement définie de ce qu'on appelle le désordre des atomes, qui était déjà apparu dans l'article de 1872 mais qui est étendu et devient un principe général (p. 18)[2]. Pendant l'année 1878-1879, il est nommé doyen de la faculté des arts. En 1884, il publie sa démonstration la loi de Stefan qu'Hendrik Lorentz qualifiera de « perle de la physique théorique ». En 1885-1887, il engage un débat scientifique avec deux collègues britanniques, Peter Guthrie Tait et William Burnside. Ces échanges contribuent à sa réputation outre- Manche (p. 19)[2].

Boltzmann en 1887
Ludwig Boltzmann et son groupe en 1887. Debout de gauche à droite : Walter Nernst, Heinrich Streintz, Svante Arrhenius (en visite), Richard Hiecke. Assis de gauche à droite : Eduard Aulinger, Albert von Ettingshausen, Ludwig Boltzmann, Ignaz Klemencic, Victor Hausmanninger


La vie à Graz, jusque là heureuse et productive, est perturbée par la mort de Katharina Boltzmann le 23 janvier 1885. La perte de sa mère, dont il était très proche depuis la mort de son père, est un choc qui plonge Boltzmann dans une profonde dépression. C'est la première manifestation sérieuse de sa bipolarité. En 1887, la nomination de Boltzmann au poste de recteur de l'Université est un honneur qui tourne rapidement à la catastrophe car Boltzmann n'est guère diplomate et se révèle incapable de prendre de la distance vis à vis des personnes et des situations (p. 95)[3]. Pour Mach, « Boltzmann n'est pas méchant mais il est incroyablement naïf et informel. Il ne sait tout simplement pas imposer des limites » (p. 99)[3]. Une autre situation embarrassante se noue au même moment.

En 1887, son collègue et ami, Gustav Kirchhoff, qui avait quitté Heidelberg pour Berlin, meurt. L'année suivante, L'Université Friedrich Wilhelm de Berlin, sur proposition d'Hermann von Helmholtz, qui avait aussi quitté Heidelberg pour Berlin, propose à Boltzmann de succéder à Kirchhoff. Boltzmann se rend à Berlin, visite le laboratoire de Physique et donne son accord de principe. De retour à Graz, le doute le saisit. De plus, ses collègues, qu'il n'a pas prévenus, apprennent sa démarche par des voies détournées. L'empereur est furieux. Que le meilleur physicien autrichien parte en Allemagne relevait de la trahison. Boltzman finit par renoncer à la chaire de Berlin en prétextant de sa mauvaise santé et de sa mauvaise vue (p. 100)[3]. La chaire vacante est finalement attribuée à Max Planck. L'épisode ruine la crédibilité de Boltzmann et l'entraîne dans une nouvelle crise de dépression aggravée par deux décès successifs. En 1888, son fils aîné, Hugo, 10 ans, succombe à une appendicite non diagnostiquée à temps. En 1889, c'est sa sœur Hedwig qui meurt à 41 ans. Pour sortir de cette ambiance morbide, Boltzmann part enseigner à l'Université de Munich (p. 102)[3].

Professeur de Physique théorique à Munich (1890-1894)[modifier | modifier le code]

Une nouvelle chaire de Physique théorique est créée pour Boltzmann à l'Université Ludwig Maximilians de Munich. Il apprécie de se trouver avec des collègues d'un niveau scientifique plus élevé qu'à Graz : Adolf von Baeyer (1835-1917), futur Prix Nobel de Chimie, le physicien Carl von Linde (1842-1934), spécialiste de la cryogénie, ou l'astronome Hugo von Seeliger (1849-1924). Ses étudiants l'apprécient et certains d'entre eux, étudiants à Graz, l'ont suivi à Munich. Cependant, Boltzmann devient presque aveugle. Il dicte ses lettres et ses articles à Henriette. Il prend une secrétaire pour lui lire les articles de ses collègues. D'autre part, le gouvernement bavarois n'assure pas la retraite des universitaires. Boltzmann, qui a des problèmes de santé physique et psychique, s'inquiète pour son avenir. Il a aussi le mal du pays. Quand son maître, Josef Stefan, meurt en 1893 et que l'Université de Vienne le sollicite pour reprendre la chaire de Physique théorique, il accepte avec soulagement. Il reste encore une année à Munich puis rejoint Vienne (p. 103)[3].

En 1892, Boltzmann assiste au 300e anniversaire de Trinity College à Dublin. En 1894, l'Université d'Oxford lui confère le titre de docteur honoris causa, ce qui témoigne du prestige dont il jouit en Grande Bretagne (p. 103)[3].

Professeur de Physique théorique à Vienne (1894-1900)[modifier | modifier le code]

De retour à Vienne en 1894, Boltzmann est déçu. Il trouve les étudiants passifs, sans initiatives ni enthousiasme. Il a l'impression d'être professeur de lycée. En 1895, une chaire d'Histoire et de Philosophie des Sciences inductives est créée pour Ernst Mach, collègue physicien de Boltzmann, qui professe d'emblée des critiques acerbes des conceptions atomistes, évolutionnistes et probabilistes de Boltzmann (p. 104)[3]. Après une conférence de Boltzmann à l'Académie des Sciences de Vienne, Mach déclare qu'il ne croit pas aux atomes. Mach est partisan d'un monde continu dans lequel la matière et l'énergie sont les deux faces de la réalité. Boltzmann supporte mal le travail de démolition dirigé contre lui par ses collègues. Il met toute son énergie à contrer ces théories et à affermir ses propres conceptions.

En 1895, lors d'un congrès à Lübeck, Wilhelm Ostwald présente une conférence intitulée Au delà du matérialisme. Boltzmann prend vigoureusement la parole pour contrer les thèses "énergétistes" du conférencier. Arnold Sommerfeld qui assiste à l'échange le comparera plus tard à une corrida :

« Helm, le défenseur de l'énergétique, était accompagné par Ostwald et tous deux brandissaient ensemble le bouclier de la philosophie d'Ernst Mach (qui n'était pas présent). Ils faisaient face à Boltzmann accompagné de Félix Klein. La bataille entre Boltzmann et Ostwald paraissait un duel entre un taureau et un torero très adroit. Cependant, cette fois, le taureau vainquit le toréador, malgré l'adresse de ce dernier.Les arguments de Boltzmann donnèrent dans le mille. Tous les jeunes mathématiciens, dont je faisais partie, étaient rangés derrière Boltzmann. Pour nous, on ne pouvait déduire d'une seule équation de l'énergie les équations du mouvement d'un point matériel et encore moins d'un système constitué d'un nombre arbitraire de degrés de liberté. Je dois tout de même signaler, à la décharge d'Ostwald, le commentaire qui figure dans son livre Grosse Männer (Leipzig, 1909, p.405) où il appelle Boltzmann l'homme dont la science nous a dépassé par sa perspicacité et sa clarté (p. 108)[3]. »

Cette dernière remarque peut être interprétée de deux façons. D'une part, malgré l’âpreté du combat intellectuel entre atomistes et énergétistes, Boltzmann garda des rapports courtois avec ses adversaires.D'autre part, en 1909, compte tenu des travaux de Max Planck (1900) et d'Albert Einstein (1905), il apparaissait qu'effectivement Boltzmann avait été très perspicace en 1895.

Alors que le contexte lui est hostile à Vienne et qu'il est ignoré en France, Boltzmann est connu et reconnu dans les pays anglo-saxons[4]. Il est nommé membre étranger de la Royal Society en 1899. La même année il est invité à l'Université Clark à Worcester, Massachusetts. Il s'y rend accompagné d'Henriette (p. 28)[2]. L'université Clark lui confère un diplôme d'honneur. Il y donne une série de quatre cours [5]. Au cours de ce premier voyage d'un mois aux États-Unis, les Boltzmann visitent Boston, Pittsburgh, Washington, Baltimore et Philadelphie ainsi que Montréal.

A son retour à Vienne, il accepte l'offre d'Ostwald de venir enseigner à Leipzig et part sans même prévenir ses collègues viennois (p. 120)[3].

Professeur de Physique théorique à Leipzig (1900-1902)[modifier | modifier le code]

Bien qu'Ostwald soit un adversaire intellectuel dont les conceptions philosophiques sont proches de celles de Mach, Boltzmann juge qu'il lui faut sortir de son combat obsessionnel avec Mach et s'éloigner de Vienne. Il débute ses cours à Leipzig le 1er septembre 1900. Il n'est pas bien. Il a peur de perdre la mémoire et appréhende d'entrer dans l’amphithéâtre. Il est parfois obligé d'annuler ses cours. Pour se distraire, il effectue une croisière en Méditerranée avec son fils Arthur pendant l'été 1901. Mais il souffre de la chaleur et rentre fatigué. Il déprime et fait une tentative de suicide. Il est soigné à l'hôpital psychiatrique par le docteur Paul Flechsig. Son état dépressif est de notoriété publique. La situation est telle que lorsqu'une occasion se présente de retourner à Vienne, les Boltzmann n'hésitent pas.

Professeur de Physique théorique et professeur de Philosophie à Vienne (1902-1906)[modifier | modifier le code]

Ernst Mach ayant pris sa retraite en 1901 à la suite d'un accident vasculaire cérébral, Boltzmann manifeste son désir de revenir à Vienne. Mais l'Empereur François-Joseph se montre réticent à redonner une chaire à un homme qui a quitté ses fonctions et l'Autriche quelques années plus tôt dans des conditions peu correctes (p. 121)[3]. Ses collègues viennois, connaissant son état psychique fragile, doutent qu'ils puissent assumer ses fonctions de professeur. Boltzmann prend des vacances en famille au bord de la mer et retrouve un certain équilibre. Finalement, il est accepté et reprend ses cours de Physique théorique à Vienne en octobre 1902. L'année universitaire se passe bien. Il passe à nouveau l'été au bord de la mer où il prépare activement ses cours. A la rentrée 1903, il prend en charge la chaire de Philosophie et d'Histoire des Sciences qui était vacante depuis le départ de Mach. Ses cours de Philosophie (deux heures par semaine) ont un énorme succès. Il n'y a pas assez de places dans l'amphithéâtre pour accueillir tous ceux qui veulent l'entendre. Il retrouve l'estime et la bienveillance de l'Empereur qui l'invite à nouveau au palais. Il savoure sa revanche sur Ernst Mach (p. 117)[3]. En 1903 il fonde avec Gustav von Escherich et Emil Müller la Société mathématique autrichienne.

Boltzmann s'investit dans ses cours de Philosophie et dans la rédaction de ses conférences de Physique. Il ne produit plus de travail de recherche original. Il assiste à des congrès en Allemagne, en Angleterre et à Paris. Cependant, la majorité de ses collègues physiciens sont anti-atomistes et jugent ses travaux "démodés" car ancrés dans l'atomisme de Démocrite. Pour Mach, Boltzmann est « le dernier pilier de l'atomisme (p. 107)[3] ». En 1904, il entreprend son deuxième voyage en Amérique pour se rendre au congrès de Mathématiques de Saint-Louis. Il est accompagné de son fils Arthur. Sa communication est classée dans la section de Physique appliquée. Boltzmann constate qu'on l'a écarté de la section de Physique théorique, qu'il considère comme sienne. Il en est humilié. Entre la fin août et le début octobre, il visite Detroit et Chicago. Malgré la fatigue du voyage, il reprend ses cours aussitôt son retour à Vienne.

Tombe de Boltzmann, à Vienne. On peut y lire la formule S = k log W.
Tombe de Boltzmann au cimetière central de Vienne. On peut y lire la formule S = k log W au dessus du buste.

En juin 1905, il est invité à Berkeley pour une école d'été. Il retraverse l'Atlantique sur le Kronprinz Wilhelm au départ de Brème. Il traverse les États-Unis de New York à San Francisco en 4 jours et 4 nuits de train. Il donne à Berkeley une série de 30 cours qui sont moyennement appréciés par les étudiants du fait de son peu de maîtrise de l'anglais (p. 127)[3]. Boltzmann est vivement intéressé et impressionné par sa visite le Lick Observatory. Il effectue le voyage de retour sur le Kaiser Wilhelm II. Ce voyage a du lui plaire car, au retour, il en fait un récit humoristique intitulé : Voyage d'un professeur allemand en Eldorado (p. 31)[2]. Boltzmann est de nouveau de bonne humeur et a retrouvé sa forme (p. 126)[3]. Mais début mai 1906, il a un nouvel accès de neurasthénie sévère. Il est très corpulent, pratiquement aveugle et souffre d'insuffisance rénale et d'angine de poitrine. Il est paralysé par la peur d'entrer en cours. Il est obligé d'arrêter ses cours qui sont repris par Stefan Meyer. Ernst Mach écrit :

« Boltzmann allait donner des cours pendant le semestre d'été, mais il dut les annuler, probablement en raison de sa maladie nerveuse. On savait dans les cercles informés que Boltzmann ne pourrait probablement plus jamais faire cours. On entendait dire qu'il devait être placé sous surveillance médicale constante, car il avait déjà essayé de se donner la mort. » (p. 129)[3]

Pendant l'été, Henriette prend l'initiative de l'emmener en vacances au bord de la mer Adriatique à Duino, près de Trieste, alors en territoire austro-hongrois. Le 5 septembre 1906, pendant qu'elle est à la plage, Boltzmann se suicide. Sa fille Elsa, 15 ans, le trouve pendu dans sa chambre d'hôtel. Il n'a laissé aucune note explicative de son geste (p. 125)[3]. Boltzmann est enterré quelques jours plus tard à Vienne. Sa mort est une grosse déception pour les étudiants qui s’apprêtent à suivre ses cours. Parmi eux, Ludwig Wittgenstein qui finit le lycée à Linz et se propose d'assister aux cours de Boltzmann à Vienne. Il choisit alors de faire des études d'ingénieur à Berlin (p. 130)[3].

Boltzmann laisse une épouse et quatre enfants. Henriette Boltzmann lui survivra 32 ans. Elle meurt à Vienne le 3 décembre 1938. Sa fille Henriette, enseignante célibataire meurt le 8 mars 1945. Arthur Ludwig, physicien et ingénieur, aura 3 enfants. Il meurt le 6 novembre 1952. Ida, étudiante en Mathématiques et Physique, meurt à 25 ans le 11 avril 1910. Elsa, formée en Suède pour devenir physiothérapeute, épouse en 1920 le physicien Ludwig Flamm, ancien étudiant de son père. Ils auront 4 enfants. Elle meurt le 27 août 1965.

Boltzmann professeur[modifier | modifier le code]

Professeur de Mathématiques et Professeur de Physique[modifier | modifier le code]

Boltzmann a beaucoup bougé géographiquement et, semble-t'il, thématiquement. Il a tour à tour occupé des chaires de Mathématiques ou de Physique Théorique ou de Physique expérimentale. En fait, c'était un excellent mathématicien et un excellent physicien dont la vraie vocation était la Physique théorique. Mais, à la différence d'Einstein qui faisait uniquement des expérience de l'esprit, Boltzmann était aussi un bon expérimentateur, ce qui rendait ses cours particulièrement attractifs (p. 68)[3].

Alors qu'il n'était que professeur-assistant à Vienne en 1868-1870, il donnait des cours sur la théorie mécanique de la chaleur, la théorie de l'élasticité, la théorie mathématique de l’acoustique et la théorie mathématique de la capillarité. A Graz il enseigna le calcul différentiel et intégral, la théorie des nombres, la géométrie analytique, la théorie des fonctions, mais aussi la théorie mécanique de la chaleur. A Vienne, « il donna un cours qui dura 4 ans. Il comprenait la mécanique classique, l'hydrodynamique, la théorie de l'élasticité, l'électrodynamique et la théorie cinétique des gaz (Lise Meitner, (p. 38)[2]). »

Professeur brillant et apprécié[modifier | modifier le code]

Lise_Meitner
Lise Meitner vers 1900

Boltzmann était très apprécié comme professeur. Il intéressait ses étudiants et leur communiquait sa passion pour la matière enseignée. Ses cours étaient extrêmement clairs. Lise Meitner, première femme à avoir obtenu un doctorat à l'Université de Vienne et découvreuse de la fission nucléaire, qui suivit ses cours de 1902 à 1905, en a gardé un souvenir lumineux:

« Il avait l'habitude d'écrire les équations principales sur un tableau très large. Sur le côté il y avait deux tableaux plus petits sur lesquels il inscrivait les étapes intermédiaires. Tout était écrit sous une forme claire et bien organisée. J'avais souvent l'impression qu'on pouvait reconstruire la totalité du cours à partir de ce qui était inscrit sur les tableaux. [...] C'était un professeur brillant, dont les cours étaient les plus admirables et les plus stimulants qui soient. Il faisait montre d'un tel enthousiasme pour les connaissances qu'il transmettait que nous avions le sentiment d'un nouveau monde se dévoilant à nos yeux après chaque cours (p. 38)[2](p. 69)[3]. »

Sa réputation était telle que les étudiants d'autres disciplines venaient assister à ses cours. Franz Skaupy, qui était un industriel célèbre en Autriche, avait assisté à ses cours en 1902-1904: « La salle était toujours pleine car, parmi les élèves, il y avait non seulement les physiciens, mais aussi les chimistes comme moi (p. 70)[3]. »

La disparition prématurée de Boltzmann a été une grosse déception pour Erwin Schrödinger. En 1929, il déclara que les théories de Boltzmann avaient été son premier amour en sciences et que « personne n'avait réussi à le captiver à ce point (p. 130)[3]. »

Il pimentait ses cours de remarques, d'anecdotes ironiques parfois virulentes sur ses confrères ou sur lui-même. Il était très chaleureux envers ses étudiants, à tel point qu'à la fin, il avait beaucoup de mal à refuser un candidat aux examens. Il entretenait une correspondance avec beaucoup de ses étudiants et de ses collègues. Il a notamment correspondu fréquemment avec Svante Arrhenius, prix Nobel de Chimie 1903 (p. 71)[3].

Nous disposons du précieux témoignage d'un auditeur étranger de Boltzmann à Munich. Il s'agit d'une lettre d'Hantaro Nagaoka au Journal des Sciences de Tokyo, datée d'avril 1894, bien que les faits rapportés semblent s'être déroulés en 1890, à l'arrivée de Boltzmann à Munich. A cette époque, Nagaoka avait 26 ans. Il deviendra professeur à Tokyo en 1901 et sera un ardent promoteur de la recherche en Physique au Japon.

« Munich est appelée cité des arts, tout comme notre Kyoto. Bien qu'il ne s'y passe en général rien de spécial en sciences, je m'y suis rendu début avril pour suivre les cours du professeur Boltzmann qui venait d'arriver. Heureusement, il va donner ses fameux cours sur la "Théorie cinétique des gaz" et sur "l'Application du principe d'Hamilton à la Physique". Nous avons entendu dire que le professeur Boltzmann avait été invité à Berlin pour succéder à Kirchhoff mais qu'il n'avait pas accepté l'invitation et qu'il avait choisi Munich. Je ne sais pas pourquoi il a fait cela. Je pense que personne n'est aussi compétent que lui, à part peut-être Helmholtz. Ses cours sont extrêmement clairs. Il parle distinctement, pas comme Helmholtz qui parle de façon un peu bizarre. Mais c'est un type un peu excentrique qui, parfois, finit par faire des choses stupides.[...] Le professeur Boltzmann est d'origine autrichienne. Mais il admire Maxwell et prend la position de Maxwell en de nombreuses occasions. Cette situation est confortable pour moi puisque j'ai été formé dans la tradition britannique. Je suis spécialement intéressé par la Théorie des Gaz qui a été développée par lui, Clausius et Maxwell. En particulier, à partir des cours de Boltzmann lui-même, je peux vraiment comprendre la doctrine de distribution de l'énergie de Maxwell-Boltzmann qui a fait récemment l'objet de controverses. (p. 25)[2] »

Le même Nagaoka écrit à un collègue:

« Le professeur Bol est un homme à la barbe buissonneuse comme vous le savez. Les étudiants sont très impressionnés par son aspect. Mais ses cours sont incroyablement clairs contrairement à ceux du professeur Hel. Il semble avoir un cerveau exceptionnel car il a exposé sans note les fonctions Hamiltonniennes et les intégrales du 6ème ordre. [...] Le professeur Bol est sympathique et honnête. Il a une personnalité qui le fait aimer des étudiants contrairement à ce que son apparence laisserait supposer (p. 26)[2]. »

Travaux[modifier | modifier le code]

Physique[modifier | modifier le code]

Les conceptions atomistes à la base des recherches de Boltzmann[n 1] lui ont valu une vigoureuse hostilité de la part de ses confrères. Faute de développements nouveaux, ses résultats entraînèrent un certain discrédit sur ses travaux théoriques, jusqu’à ce que ceux-ci soient remis à l'honneur par les découvertes de Max Planck dans l'analyse du rayonnement du corps noir, puis celles d'Albert Einstein avec l'effet photoélectrique

Philosophie[modifier | modifier le code]

Au cours de sa carrière de physicien, Boltzmann eut également l'occasion d'adopter un point de vue philosophique plus général sur les sciences. Tout en s'inscrivant pleinement dans la tradition de philosophie des sciences autrichiennes, ses positions peuvent également être considérées tout à la fois comme une anticipation des conceptions de Thomas Kuhn relatives aux révolutions scientifiques. Partisan d'une approche évolutionniste inspirée des travaux de Charles Darwin, Boltzmann considère les théories scientifiques comme autant d' « images du monde » susceptibles d'évoluer en fonction de notre cadre culturel. Il développe également la thèse selon laquelle la connaissance consiste principalement en une élaboration de modèles, et il systématise cette idée dans l'article Modèle qu'il rédige pour l'Encyclopædia Britannica. Ces conceptions exerceront une influence sur le positivisme logique du Cercle de Vienne, ainsi que sur Ludwig Wittgenstein[7].

Œuvres/Principales publications[modifier | modifier le code]

  • Leçons sur la théorie des gaz. Seconde partie, 1905, texte en ligne disponible sur IRIS

Notes et références[modifier | modifier le code]

Note[modifier | modifier le code]

  1. Ainsi que son rejet de la phénoménologie[6].

Références[modifier | modifier le code]

  1. « Ludwig Eduard Boltzmann », sur l'Encyclopædia Britannica (consulté le 27 juin 2013).
  2. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p et q (en) Carlo Cercignani, Ludwig Boltzmann, the man who trusted atoms, Oxford, Oxford University Press, , 329 p. (ISBN 978-0-19-850154-1, lire en ligne)
  3. a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, w, x, y, z, aa, ab, ac, ad, ae, af, ag, ah, ai, aj, ak, al, am, an, ao, ap, aq et ar Eduardo Arroyo Pérez, Boltzmann et l'entropie, Paris, RBA France, , 159 p. (ISBN 978-2-8237-0235-4)
  4. Jacques Bouveresse, « Ludwig Boltzmann, la science autrichienne et le problème de sa réception à l'étranger », Revue Austriaca n°63,‎ , p. 13-32 (lire en ligne)
  5. « Ludwig Boltzmann at Clark », sur stp.clarku.edu (consulté le 11 août 2018)
  6. Pierre Costabel, « BOLTZMANN LUDWIG (1844-1906) : 1. Une vie de recherche », sur Encyclopædia universalis (consulté le 24 mars 2015).
  7. Jacques Bouveresse, « Journée du centenaire de la mort de Ludwig Boltzmann », sur Le Collège de France, .

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Blackmore, John : « Boltzmann’s concessions to Mach’s Philosophy of science », in Ludwig Boltzmann – Gesamtausgabe, éd. Roman Sexl et John Blackmore, vol. 8 Ausgewählte Abhandlungen, Braunschweig, F. Vieweg, 1982, 156-190
  • Jacques Bouveresse, « La philosophie naturelle de Boltzmann », Philosophia Scientiae, no 3(2),‎ 1998-1999, p. 9-30 (lire en ligne)
  • Bouveresse, Jacques : « Hertz, Boltzmann et le problème de la ‘vérité’ des théories », in André Lichnérowicz et Gilbert Gadoffre, La vérité est-elle scientifique ?, Paris, Éditions universitaires, 1991, 119-141
  • Broda, Engelbert : « Boltzmann and Darwin », in Ludwig Boltzmann – Gesamtausagabe, éd. Roman Sexl et John Blackmore, vol. 8 Ausgewählte Abhandlungen, Braunschweig, F. Vieweg, 1982, 129-143
  • D’Agostino, Salvo : « Boltzmann and Hertz on the Bild-conception of Physical Theory » in History of Science, 28, 1990, p. 380-398
  • Wilson, Andrew D. : « Mental Representations and Scientific Knowledge : Boltzmann’s Bild Theory of Knowledge in Historical Context », in Physis, 28, 1991, 770-795

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Physique
Physiciens

Liens externes[modifier | modifier le code]

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