Нобелевские лауреаты: Йоханнес Ван дер Ваальс

Сегодняшний герой рубрики «Как получить Нобелевку» начал свой путь с самых низов. Его с полным правом можно назвать «селф мейд меном»: не имея права официально учиться в университете, он самостоятельно получил образование, будучи школьным учителем, написал докторскую, удостоенную внимания самого Максвелла, и, в конце концов, именно он окончательно подтвердил существование молекул. Итак, встречайте: Йоханнес Ван дер Ваальс.

Йоханнес Дидерик Ван дер Ваальс

Родился: 23 ноября 1837 года, Лейден, Нидерланды.

Умер: 8 марта 1923 года, Амстердам, Нидерланды.

Нобелевская премия по физике 1910 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За работу, посвященную уравнению состояния газов и жидкостей (for his work on the equation of state for gases and liquids)».

Йоханнес Ван дер Ваальс был сыном плотника в Лейдене, старшим из десяти детей Якобуса Ван дер Ваальса и Элизабет Ван дер Берг. Он родился 27 ноября 1837 года и стал одним из самых возрастных лауреатов Нобелевской премии первого десятилетия. Увы, законы в XIX веке были не самые добрые, и человек из низших классов и в «просвещенной» Европе, по крайней мере, в Нидерландах, не имел никакого права учиться в университете. Поэтому, окончив среднюю школу, юный Ван дер Ваальс пошел… учителем в младшую школу. Пять лет, с 1856 по 1861 годы, он посещал специальные курсы для того, чтобы иметь право преподавать в средней школе.

В 1862 году он начал посещать лекции по астрономии, математике и физике, став вольнослушателем Лейденского университета. Тем не менее, он не мог считаться обычным студентом, поскольку не получил образования в классических языках, латыни и греческом, который преподавали в классических нидерландских гимназиях. Но после того, как он прошел все эти курсы, он получил право преподавать в любой школе и даже руководить ей. Получив возможность выбора, Ван дер Ваальс в 1866 году поехал работать директором школы в Гаагу. Почему Гаага? От нее было недалеко до Лейдена, в университете которого Ван дер Ваальс надеялся все-таки учиться.

Вообще, создалась очень странная ситуация: Йоханнесу – 29. Он уже директор школы, по мнению многих, обладает блестящими знаниями, прирожденным талантом к научной работе – но не имеет права не то, чтобы закончить университет, но и поступить туда. Все дело в том, что у него нет диплома по латыни и греческому. Но вдруг законы поменялись, и, по новой формулировке закона о высшем образовании, министр образования мог разрешить принять в университет человека без латыни и греческого. Как только стало возможно, министр такое разрешение дал, а Ван дер Ваальс сразу же сдал экзамены – вступительно-выпускные и квалифицировался в докторантуру.

В 1873 году он защищает диссертацию Over de Continuïteit van den Gas en Vloeistoftoestand («О непрерывности жидкого и газообразного состояний».

Можно сказать, что диссертация буквально взорвала научный мир. И это неудивительно: в то время даже существование молекул было под вопросом, и мощное движение философов во главе с Эрнстом Махом отрицало их существование, называя молекулы «ненужной гипотезой». А многие физики считали, что жидкость и пар химически неэквивалентны. Неудивительно, что строгое доказательство обратного было важным шагом. Даже великий Джеймс Клерк Максвелл, упомянув диссертацию Ван дер Ваальса в своем обзоре в Nature сказал: «не может быть сомнений в том, что имя Ван-дер-Ваальса скоро будет среди лидеров науки о молекулах».

Уже в своей докторской диссертации он рассматривал две важнейшие физические величины, которые, в итоге, привели школьного учителя к Нобелевской премии: объем молекул и взаимодействие между ними.

На новые идеи Ван дер Ваальса сподвигла статья Карла Клаузиуса, известного тем, что он сформулировал первое и второе начала термодинамики. В прочитанной Ван дер Ваальсом статье была сформулирована теория, согласно которой молекулы газа быстро движутся в разных направлениях. Их удары о стенки содержащего их сосуда определяют давление газа, а средняя скорость молекул, то есть, их кинетическая энергия, напрямую зависит от температуры. Эта теория объясняла эмпирический закон Бойля, который утверждает, что для заданной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем постоянно. Объем уменьшается — растет давление. Все помнят из средней школы: PV=const.

Из той же средней школы мы помним и закон Шарля (он же – второй закон Гей-Люссака): «при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре сохраняет постоянное значение». Если эти законы «скрестить», то получится хорошо известная формула PV = RT.

Это все было известно, но также было известно, что уравнение PV = RT «работает» не всегда. Те газы, при которых оно справедливо, назвали идеальными. Видимо, идеальными для физиков – просто рассчитывать.

Ван дер Ваальс решил выяснить, откуда «растут ноги» у тех случаев, когда газ неидеален. Оказалось, что в теории есть два допущения: молекулы не имеют размера (как говорят физики – «материальные точки»), и они только сталкиваются, и более никак не взаимодействуют. Ученый ввел объем молекул и некую силу притяжения между ними – и стало намного лучше.

Кстати, несмотря на то, что саму силу притяжения между молекулами Ван дер Ваальс не объяснял, да и объяснили ее уже с привлечением квантовой механики, к этому слабому взаимодействию так и приклеилось название ван-дер-ваальсового (почему-то в русском языке его пишут именно так). А ведь оно играет куда более фундаментальную роль: и в упаковке белков, и даже в способности геккона ходить по стеклу.

Но мы отвлеклись. Новая формула стала выглядеть сложнее (P + α/ν (ν – β) = RT, где α выражает взаимное притяжение молекул газа (деленное на ν², чтобы учесть ослабление этой силы в большем объеме при большем среднем расстоянии между молекулами), а Р выражает молекулярный объем. Как α, так и Р принимают разные значения для разных газов.

Так получилось уравнение состояния реального газа. Оно, конечно, не полностью отвечало эксперименту – но зато было сильно лучше, чем уравнение идеального газа. Работа Ван дер Ваальса помогла объяснить и существование критической температуры, выше которой газ было невозможно превратить в жидкость, как бы его ни сжимали.

В 1880 году появилось главное детище Ван дер Ваальса: закон соответственных состояний.

«Если поведение некоторого газа и соответствующей жидкости известно при всех температурах и давлениях, то состояние любого другого газа или жидкости можно вычислить для любой температуры и давления при условии, что известно их состояние при критической температуре», гласит этот закон. Почему он так важен? Потому что теперь стало понятно, при каких температурах можно получить сжиженный газ. Именно пользуясь законом Ван дер Ваальса, в 1898 году Джеймс Дьюар смог получить жидкий водород, а в 1908 году коллега ученого, Хейке Камерлинг-Онесс (тоже будущий лауреат Нобелевской премии и первооткрыватель сверхпроводимости) – жидкий гелий.

Меж тем, научная карьера никогда не бывшего официально студентом Ван дер Ваальса наконец-то вошла в нормальную колею.

В 1877 году его пригласили стать первым профессором физики в Университете Амстердама. Он пробыл на этом посту 41 год, до 70-летнего возраста, и передал кафедру в 1908 году… Йоханнесу Дидерику Ван дер Ваальсу. Младшему. Своему сыну, тоже весьма талантливому физику-теоретику.

Ван дер Ваальсу довелось поработать с очень талантливыми коллегами. Про одного из них, Камерлинг-Оннеса, мы уже говорили, он получит Нобелевскую премию в 1913 году. Второй, Якоб Хендрик Вант-Гофф, стал первым лауреатом по химии.

В 1910 году настала очередь и самого Ван дер Ваальса. Представляя лауреата, член Шведской королевской академии наук Оскар Монтелиус сказал: «Труды Ван дер Ваальса имеют огромное значение не только для чистой науки. Современное конструирование холодильных установок, которые ныне являются столь мощным фактором нашей экономики и индустрии, базируется в основном на теоретических исследованиях награжденного».

Кстати, если говорить о номинациях на Нобеля, то вообще наш герой был в них аутсайдером: за всю историю, с 1901 по 1910 год – «всего» девять номинаций (кстати, первым, в 1901 году, его номинировал Камерлинг-Оннес). В 1910, удачном для лауреата году – всего одна номинация из 56, из которых 35 – у Анри Пуанкаре, на котором настаивали Мария Кюри, Гульельмо Маркони, Альберт Майкельсон, Габриель Липпманн, Хендрик Лоренц… А кроме Пуанкаре – Эйнштейн, Планк, Ланжевен, Ангстрем, Камерлинг-Оннес… Но премия досталась Ван дер Ваальсу, 73-летнему человеку без формального высшего образования.

Он прожил еще тринадцать лет скромной и размеренной жизни, отдавая досуг пасьянсу и бильярду. Как истинный великий ученый.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.