بیوگرافی رودلف کلازیوس؛ فیزیکدان آلمانی پیش‌گام در علم ترمودینامیک

رودولف یولیوس امانوئل کلازیوس (Rudolf Julius Emanuel Clasius) فیزیک‌دان و ریاضی‌دان آلمانی قرن نوزدهم بود که یکی از بنیان‌گذاران اصلی مفهوم ترمودینامیک شناخته می‌شود. او با اصلاح مفاهیم ارائه‌شده‌ی نیکولا سعدی کارنو، چرخه‌ی کارنو را بهبود بخشید و تعریف جدیدی از نظریه‌ی گرما ارائه داد.

قانون دوم ترمودینامیک نتیجه‌ی یکی از مقاله‌های کلازیوس با عنوان «نیروی محرکه‌ی گرما» بود. مقاله‌ی او در سال ۱۸۵۰ منتشر شد و اولین ایده‌ها از قانون دوم را ایجاد کرد. در سال ۱۸۶۵، کلازیوس مفهوم مهم‌تری در ترمودینامیک به‌نام «انتروپی» را تشریح کرد و چند سال بعد، «قضیه‌ی ویریال» از دل آن زاده شد.

امضای منتسب به رودلف کلازیوس

تولد و تحصیل

پدر رودلف کلازیوس Rev C E G Clausius نام داشت که در دانشگاه سلطنتی پادشاهی پروس عضو هیئت‌امنا بود. او مدرسه‌ای خصوصی نیز تأسیس کرد و درکنار مدیریت آن، در مقام کشیش نیز در کلیسای محلی مشغول به فعالیت بود. رودلف در ۲ژانویه‌ی۱۸۲۲ در شهر کاسلین پروس، بخشی از لهستان کنونی، به‌دنیا آمد. او در خانواده‌ای بزرگ تربیت شد و ششمین فرزند خانواده بود.

کلازیوس در سال ۱۸۴۰ وارد دانشگاه برلین شد و البته، هنوز در انتخاب رشته و مسیر تحصیل مطمئن نبود. او مدتی به تاریخ علاقه‌مند شد؛ اما سپس، ریاضیات و فیزیک را به‌عنوان شاخه‌ی تمرکز تحصیلی خود انتخاب کرد. کلازیوس پس از تغییر رشته، زیرنظر استادانی همچون اهم و ددکیند تعلیم دید. رودلف در سال ۱۸۴۴ تحصیلات خود را در دانشگاه و همان رشته‌های ریاضی و فیزیک به‌پایان رساند و پس از آن، یک سال در ژیمنازیوم فردریک‌وردر به‌عنوان آموزگار مشغول به‌کار شد. رشته‌ی تدریس کلازیوس در آن مرکز، ریاضیات و فیزیک پیشرفته بود.

نمای کنونی شهر کاسلین، محل تولد کلازیوس

رودولف کلازیوس در سال ۱۸۴۶ برای ارائه‌ی پایان‌نامه‌ به دانشگاه سلطنتی Boeck رفت. موضوع پایان‌نامه وی مسئله‌ی بازتاب نور در آسمان بود. رودلف در سال ۱۸۴۷ و در دانشگاه Halle از پایان‌نامه‌‌اش دفاع کرد. درنهایت، این دانشجوی آلمانی مدرک دکتری خود را در ۱۵ژوئیه۱۸۴۸ دریافت کرد. موضوعی که رودلف برای پایان‌نامه‌‌اش انتخاب کرده بود، به‌نوعی با هدف توضیح آبی‌بودن آسمان و رنگ نارنجی طلوع و غروب و قطبیت در تابش مرتبط بود.

این دانشمند بزرگ در پایان‌نامه‌ی دکتری خود، دلایل رنگ‌ها و قطبیت را به بازتاب نور مرتبط کرده بود. این درحالی‌که بود مفاهیم اساسی فیزیک در آن زمان و مطالعات دانشمندان بعدی، همچون تامسون، پراکندگی را دلیل ایجاد رنگ‌ها بیان می‌کرد. به‌همین‌دلیل، پایان‌نامه‌ی دکتری کلازیوس تاحدودی ارزش علمی خود را ازدست داد. به‌هرحال، رودلف در آن تحقیقات بیش از همه‌ی دانشمندان پیشین از ریاضیات در حل مسئله‌ی فیزیکی استفاده کرده بود. نکته‌ی این تحقیق در تاریخ علم، تأثیر فراوان مسائل فیزیکی بر بهبود و پیشرفت ریاضیات محسوب می‌شود.

دانشگاه Halle در سال ۱۸۳۶

تدریس و تحقیقات مشترک ریاضی و فیزیک

اولین مقاله‌ی کلازیوس درباره‌ی نظریه‌ی مکانیکی گرما در سال ۱۸۵۰ منتشر شد. این مقاله مهم‌ترین اثر این دانشمند آلمانی محسوب می‌شود که در ادامه، به‌تفصیل آن را توضیح خواهیم داد. ارزش اولین مقاله‌ی رسمی کلازیوس به‌سرعت در مجامع علمی دریافت شد و او به‌صورت رسمی در ۲۵سپتامبر۱۸۵۰، برای تدریس در مقام استادی در دانشگاه سلطنتی نظامی و مهندسی برلین، دعوت شد. در آن زمان، وی برای تدریس در دانشگاه برلین نیز به‌عنوان استاد میهمان افتخاری دعوت شده بود.

زندگی و تدریس در زوریخ کشمکشی درونی را نیز برای کلازیوس ایجاد می‌کرد. از یک طرف، او علاقه‌مند به تحقیق و تدریس درکنار بزرگان علم در زوریخ و از طرف دیگر، عاشق کشور آلمان بود. در سال ۱۸۵۸، پیشنهاد تدریس در دانشگاه پلی‌تکنیک کارلسروهه به رودلف داده شد؛ ولی او این پیشنهاد را رد کرد.

دانشگاه وورتسبورگ

کلازیوس در سال ۱۸۵۹ با آدلاید ریمپام ازدواج کرد. در سال ۱۸۶۲، پیشنهادی از دانشگاه پلی‌تکنیک محل تولد همسر رودولف، یعنی براونشوایگ، به این دانشمند مشهور داده شد که او بازهم آن را رد کرد. ۴ سال بعد نیز دانشگاه وین از او دعوت کرد و موفق نشد این دانشمند ریاضی‌فیزیک را جذب کرد.

سرانجام در سال ۱۸۶۷، دانشگاه وورتسبورگ کلازیوس را به آلمان بازگرداند و او پیشنهاد این دانشگاه را برای اشتغال در مقام استاد تمامی پذیرفت. رودلف از ترک زوریخ ناراحت بود؛ اما نمی‌توانست تا ابد دربرابر وسوسه‌ی بازگشت به وطنش، آلمان مقاومت کند. پس از یک سال تدریس در وورتسبورگ، مونیخ به او پیشنهاد تدریس داد که با مخالفت دانشمند آلمانی رو‌به‌رو شد. در سال ۱۸۶۹، سرانجام دانشگاه بُن موفق شد کلازیوس را جذب کند.

از سال‌های پایانی دهه‌ی ۱۸۶۰، مشکلات سیاسی آلمان روی زندگی دانشمندان، به‌ویژه کلازیوس، تأثیر گذاشت. بیسمارک در شمال آلمان، کنفدراسیونی ایالتی تشکیل داده بود و تلاش می‌کرد ایالت‌های جنوبی را به‌ عضوشدن دعوت کند. ازطرفی، فرانسه تصور می‌کرد ایالت‌های جدید آلمان را می‌تواند به‌راحتی شکست دهد. بیسمارک از این تهدید بهره برد و متوجه شد جنگ با فرانسه بهترین فرصت برای متحدکردن هرچه‌بیشتر آلمانی‌ها است.

نقشه‌ی جنگ امپراطوری پروس و فرانسه

فرمانروای آن سال‌های آلمان درنهایت، سناریویی طراحی و فرانسوی‌ها را به شروع جنگ تحریک کرد. البته، هر دو کشور به شروع آن نبرد عطش فراوانی داشتند. پس از شروع جنگ، کلازیوس به‌عنوان میهن‌پرستی واقعی برای حضور در جنگ داوطلب شد. در آن زمان، وی حدودا ۵۰ ساله بود. به‌هرحال، جنگ بین دو کشور شروع شد و آلمانی‌ها به‌سختی فرانسوی‌ها را شکست دادند و آن‌ها را مجبور به عقب‌نشینی کردند. برادر کلازیوس درباره‌ی حضور او در جنگ می‌نویسد:

وطن‌پرستی دوآتشه‌ی او اجازه نمی‌داد در زمان جنگ سال‌های ۱۸۷۰ و ۱۸۷۱، در خانه بماند. او با همکاری دانشجویان دانشگاه بُن گروهی را برای مدیریت آمبولانس‌های جنگی شکل داد. او در دو نبرد اصلی، یعنی ویونویل و گریولوت، در جابه‌جایی مجروحان و کاهش تلفات نقش مهمی ایفا کرد.

نمونه‌ای از صلیب آهنین آلمان

پزشک رودلف به او پیشنهاد کرد برای تدریس و رفت‌وآمد به محل کار، اسب‌سواری بیاموزد. در سال ۱۸۷۸، او یادگیری را سوارکاری را آغاز کرد و کمی بعد، سوارکاری حرفه‌ای شد.

کلازیوس در سال ۱۸۸۴، به‌عنوان مدیر دانشگاه بُن انتخاب شد و یک سال در آن سمَت فعالیت کرد. در سال ۱۸۸۶، وی با سوفی استک ازدواج کرد که حاصل آن، یک فرزند پسر دیگر بود. او تا سال‌های پایانی عمرش نیز درباره‌ی مسائل متعدد فیزیک و ریاضی مطالعه و تحقیق می‌کرد. کلازیوس سرانجام در ۲۴اوت۱۸۸۸ در شهر بُن آلمان دیده از جهان فروبست.

تأثیر عمیق بر تاریخ فیزیک نظری

در تاریخ علم، کلازیوس به‌عنوان دانشمندی نظری در حوزه‌ی فیزیک شناخته می‌شود. درواقع، او بر شکل‌گیری فیزیک نظری به‌عنوان مفهومی پایه‌ای نیز تأثیر عمیقی گذاشت. همان‌طورکه در ابتدای این مطلب اشاره شد، مشهورترین مقاله‌ی این دانشمند آلمانی با نام Über die bewegende Kraft der Wärmeb در سال ۱۸۵۰ در مجله‌ی Annalen der Physik چاپ شد. آن مقاله، به‌نوعی پایه‌های اولیه‌ی ترمودینامیک را شرح می‌دهد.

سعدی کارنو، مؤلف چرخه‌ی کارنو

در زمان کلازیوس، مفهوم نظریه‌ی گرما در بین فیزیک‌دانان بسیار شهرت داشت و به «نظریه‌ی کالریک» نیز مشهور بود. نظریه‌ی کالریک که امروزه به‌نوعی منسوخ شده، بر دو اصل اسوار بود: ۱. گرمای موجود در زمین را به‌نوعی در آن حبس می‌دانست؛ ۲. گرمای هر ماده را نتیجه‌ی حالت آن بیان می‌کرد. دانشمندان پیش از کلازیوس، همچون لاپلاس و کلاپیرون، از آن مفهوم به‌عنوان پایه‌های مطالعاتی‌شان استفاده می‌کردند.

کلازیوس در مقاله‌ی مشهورش در سال ۱۸۵۰، به‌نوعی مفاهیم نظریه‌ی کالریک را نقض و دو قانون ترمودینامیک جدید را معرفی کرد. در نظریه‌ی او، توضیحی بر ماهیت گرمای آزاد و گرمای نهان نیز بیان شده بود.

کلازیوس در مقاله‌هایش، گرمای آزاد را به‌عنوان انرژی جنبشی ذرات ماده تفسیر کرد. کاری که برای افزایش این انرژی جنبشی انجام شود، درنهایت، دمای ماده را افزایش خواهد داد. طبق تعریف این دانشمند، گرمای نهان نیز گرمایی است که در کارِ انجام‌گرفته برای مقابله با نیروهای بین مولکولی مواد صرف می‌شود.

توضیح ساده‌ی چرخه‌ی کارنو

اولین فرمول اساسی که کلازیوس آن را برای تشریح قوانین مذکور ارائه کرد، dQ = dU + dW بود. در آن فرمول، dQ افزایش گرمایی و dU تغییر انرژی جسم و dW تغییر در کار خارجیِ انجام‌شده تعریف می‌شود. تعریف U به‌عنوان انرژی ماده، کشفی بزرگ محسوب می‌شد؛ البته، کلازیوس در آن زمان نام خاصی برای مفهوم جدیدش انتخاب نکرده بود. چند سال پس از انتشار مقاله‌ی مشهور کلازیوس، تامسون نام انرژی داخلی را برای U برگزید که به‌معنای مجموع کاری است که می‌توان از ماده استخراج کرد. تامسون در مقاله‌ی خود به‌روشنی کشف آن مفهوم را به کلازیوس نسبت می‌دهد.

جوسیا ویلارد گیبس دانشمند فیزیک‌دان دیگری بود که از کلازیوس به‌عنوان عاملی مهم در پیشرفت علم ترمودینامیک یاد کرد. گیبس در نوشته‌هایش، دانشمند آلمانی را اصل اساسی پیشرفت علم ترمودینامیک می‌داند. افزون‌براین، معتقد است پس از معرفی قانون دوم ترمودینامیک در مقاله‌ی سال ۱۸۵۰، سال‌های بعدی تحقیقات فیزیکی کلازیوس نیز پیرامون این مفاهیم می‌گذشت.

کلازیوس علاوه‌بر توضیح مفاهیم اولیه‌ی ترمودینامیک، چرخه‌ی کارنو را نیز به‌نوعی بازطراحی و اصلاح کرد. تحقیقات او اصول بازدهی ماشین‌های گرمایی را متحول کرد. بعدها، نتیجه‌ی تحقیقات این دانشمند آلمانی با نام «معادله‌ی کلازیوس‌کلاپیرون» مشهور شد که رابطه‌ی بین فشار و دما را در حالت تعادل دو جسم تفسیر می‌کند. 

سنگ یادبود کلازیوس در دانشگاه Koszalin

در جریان اصلاح چرخه‌ی کارنو، کلازیوس مفهوم جدیدی به‌نام انتروپی را شناسایی کرد. او انتروپی را کمّیّتی معرفی کرد که در جریان تغییر حجم و دما در چرخه‌ی کارنو ثابت می‌ماند. البته، کلازیوس لغت انتروپی را در آن زمان مطرح نکرد. به‌هرحال در سال ۱۸۶۵ و پس از شناسایی دقیق کمّیّت جدید، کلازیوس دو قانون اصلی ترمودینامیک را به‌صورت زیر معرفی کرد:

در سال ۱۸۵۷، یکی دیگر از دستاوردهای مهم کلازیوس در فیزیک به‌دست آمد. او اولین نظریه‌ی کامل «سینتیک مواد» را منتشر کرد. نظریه‌ی او برای اولین‌بار در تاریخ، از مفاهیم مکانیک آماری استفاده می‌کرد. مدل ایجادشده به‌دنبال آن نظریه، مدلی ایده‌آل برای ساختار گازها و اجرای قوانین مکانیک در آن‌ها بود. کلازیوس برپایه‌ی نظریه‌ی سینتیک خود، «معادله‌ی حالت» را نیز برای گازهای واقعی کشف کرد.

پیش‌ازاین، به وطن‌پرستی افراطی کلازیوس اشاره کردیم. چنین باورهایی برخی اوقات به تحقیقات علمی‌اش خدشه وارد می‌کرد و به‌نوعی مشکلاتی هم برای وی به‌همراه داشت. او اختلاف‌نظرهای زیادی نیز با دانشمندان متعدد داشت که یکی از مشهورترین آن‌ها، تامسون بود. تامسون در یکی از مقاله‌های خود، به یافته‌های ژول اشاره کرده بود و کلازیوس از او انتقاد می‌کرد. درواقع، کلازیوس معتقد بود ابتدا دانشمندی آلمانی و نه ژول انگلیسی، به یافته‌های مهم ترمودینامیک دست یافته است.

یکی دیگر از بحث‌های کلازیوس و تیت، در سال ۱۸۷۲ و پس از انتشار مقاله‌ی مکسوِل با نام نظریه‌ی گرما شروع شد. کلازیوس ادعا می‌کرد انگلیسی‌ها قصد دارند اعتبار کشف نظریه‌ی گرما را برای خود بیشتر کنند؛ درحالی‌که او به‌تنهایی آن نظریه را ارائه کرده است. افزون‌براین، مکسوِل در طول سال‌های تحقیق، همیشه به کشفیات کلازیوس احترام می‌گذاشت و با او وارد بحث نشد. نکته‌ی تأسف‌آور تأثیر ادعاها و بحث‌های کلازیوس بر اعتبار شخصی و دستاوردهای خودش بود.

به‌‌هرحال، بحث‌ها و تعصب‌های بیش‌‌از‌‌اندازه‌ی کلازیوس صدماتی به اعتبار او زد و حتی برخی مورخان، اشاره‌نکردن این دانشمند به یافته‌های پیشینیان را دلیلی بر کم‌ارزش‌شدن دستاوردهایش می‌دانند. البته، هیچ‌گاه نمی‌توان ادعا کرد یافته‌های کلازیوس اهمیتی در تاریخ علم نداشتند. به‌علاوه، او فقط درباره‌ی ترمودینامیک تحقیق نمی‌کرد و از سال ۱۸۷۵، الکترودینامیک نیز موضوع تحقیقات کلازیوس بود.

یکی از یافته‌های مهم‌ کلازیوس در حوزه‌ی الکترودینامیک، حفظ انرژی بود که به قانون نیروی اعمال‌شده از دور وابسته می‌شد. طبق آن قانون و برخلاف نظریه‌ی کلمب، انرژی به سرعت و شتاب وابسته بود. نظریه‌ی کلازیوس به یافته‌های آزمایش‌های تجربی نزدیک بود؛ اما انتقادهایی نیز در مجامع علمی به‌همراه داشت. به‌هرحال، آن نظریه با تمام مشکلاتش، نقشی اساسی در توسعه‌ی نظریه‌ی الکترودینامیک ایفا کرد.

جوایز و افتخارات