100 знаменитых ученых
Шрифт:
ВАН-ДЕР-ВААЛЬС ЙОХАННЕС ДИДЕРИК
(1837 г. – 1923 г.)
Нередко исследователи и простые обыватели задаются вопросом, нужно ли создавать одаренному человеку особые условия для реализации его талантов. Иногда можно услышать суждения о том, что гений в любом случае найдет свое место в жизни. Мы, конечно же, не собираемся отстаивать справедливость этого, по меньшей мере, спорного утверждения. Кто знает, сколько потенциальных «Платонов и быстрых разумом Невтонов» остались безвестными крестьянами, ремесленниками, солдатами? Но профессор Амстердамского и Лейденского университетов, член Нидерландской и Парижской академий, нобелевский лауреат Йоханнес Дидерик Ван-дер-Ваальс является ярчайшим примером гениального ученого, который
Будущий ученый родился 23 ноября 1837 года в Лейдене. Его отец, Якобус Ван-дер-Ваальс, был плотником, мать, урожденная Элизабет Ван-ден-Бург, также происходила из семьи ремесленников. Интересно, что сохранившиеся хроники Лейдена позволяют проследить предков Ван-дер-Ваальсов вплоть до XVII века. И все они были трудолюбивыми ремесленниками.
Всего в семье плотника родилось десять детей, из которых Иоханнес был старшим. Вряд ли можно говорить о том, что воспитание в трудовой семье ничего не дало будущему ученому. Из среды потомственных тружеников он вынес необычайное трудолюбие, упорство, преданность выбранному делу, требовательность к себе. Но все эти качества далеко не сразу смогли компенсировать нехватку систематического образования, которое Ван-дер-Ваальсы своим детям, разумеется, дать не могли. Да, видимо, и не считали нужным: зачем образование потомственному ремесленнику? Так или иначе, но в гимназию мальчика не отдали. Со временем это создало очень серьезные проблемы – не зная классических языков, Йоханнес не мог поступить в университет. К счастью, в те времена Нидерланды были уже весьма просвещенным государством, и это дало Иоханнесу некоторые шансы, которыми он сумел воспользоваться.
Ван-дер-Ваальс учился в обыкновенной школе. В Голландии тогда существовала традиция: лучшие ученики становились так называемыми «ученическими учителями». Они преподавали те или иные предметы более слабым однокашникам и младшим ученикам. Стоит ли говорить, что Иоханнес Ван-дер-Ваальс учился просто блестяще. В 15 лет он стал преподавать в школе. В таком непрочном статусе будущий ученый находился довольно долго. Только в 1860 году, прослушав специальный курс и сдав сложный экзамен, он получил «акт», утвердивший его в звании учителя.
Как мы уже отмечали, поступить в университет Ван-дер-Ваальс не мог. Но с 1862 по 1865 год он на правах вольного слушателя посещал Лейденский университет, где изучал математику, физику, астрономию. Параллельно Йоханнес готовился к еще одному экзамену – на должность преподавателя так называемых повышенных гражданских школ, недавно открытых в Голландии. Он превосходно сдал экзамены и теперь мог преподавать физику и математику в повышенных школах. Уже 21 сентября 1864 года, после первого экзамена, Ван-дер-Ваальса утвердили в должности преподавателя физики повышенной гражданской школы города Девентера.
Через неделю после утверждения в должности в жизни Йоханнеса Ван-дер-Ваальса произошло еще одно радостное событие: он женился на восемнадцатилетней Анне Магдалене Смит. Анна, как и Йоханнес, происходила из простой семьи, ее отец был столяром, а мать шляпницей. Брак был очень счастливым. Анна подарила мужу четверых детей: трех девочек и мальчика.
Проработав год в Девентере, Ван-дер-Ваальс получил предложение от одной из школ Гааги. Уже через год после переезда в Гаагу он занял должность директора школы. Казалось бы, человек, не имевший университетского образования, на большее рассчитывать и не мог. Но вскоре университетские правила в Нидерландах несколько изменились: студенты были освобождены от обязательного предварительного классического образования. К этому времени Ван-дер-Ваальс уже имел серьезные собственные научные разработки и идеи. 14 июня 1873 года в Лейдене он защитил докторскую диссертацию «О непрерывности газообразного и жидкого состояния». Мы рассмотрим эту работу несколько подробней (насколько это возможно в рамках нашего небольшого очерка), но при этом сделаем небольшое отступление, рассказав о том, от чего отталкивался в своих рассуждениях голландский ученый.
В 1820 году английский ученый Джон Герпат представил Лондонскому королевскому обществу работу, содержащую основы кинетической теории газов. В то время на его статью внимания не обратили. Причиной тому во многом было несовершенство теории и незавершенность многих идей, изложенных в работе. Позже, в 1840-х годах, Герпат изрядно пересмотрел свои теоретические выкладки и изложил их в 1847 году в объемном труде «Математическая физика». В частности, он теоретически вывел закон состояния идеального газа, ранее полученный на основе экспериментальных данных Бойля, Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, Авогадро. Согласно этому закону, произведение давления идеального газа на его объем пропорционально абсолютной температуре. Герпат в своих расчетах отталкивался от модели газа, молекулы которого как бы представляют собой упругие шарики. Непосредственным толчком к работе Ван-дер-Ваальса стало знакомство со статьей немецкого ученого Рудольфа Клаузиуса, который также является одним из основоположников кинетической теории газов.
Как мы видим из названия, закон состояния, выведенный Герпатом и его предшественниками-практиками, описывал соотношение между параметрами «идеального» газа. Идеальным газом называют модель, в которой не учитываются силы взаимодействия между молекулами. Такая модель достаточно точно описывает разряженные реальные газы, находящиеся при температуре, далекой от их конденсации. Ван-дер-Ваальс решился на попытку математически описать поведение реальных газов и жидкостей, модернизировав уравнение состояния. Он указал на два основных фактора, которые присущи реальным газам и жидкостям, но не учитываются уравнением Герпата. Во-первых, между молекулами веществ существуют силы притяжения. В разреженных газах эти силы пренебрежимо малы, ибо они убывают с расстоянием. Но в газах, находящихся в ином состоянии, а тем более в жидкостях, эти силы заставляют молекулы сближаться, вызывая эффект, аналогичный происходящему при увеличении давления. Этот эффект в газах увеличивается при уменьшении их объема, а, следовательно, «добавка» к давлению (или «внутреннее давление» в терминологии Ван-дер-Ваальса) должна быть обратно пропорциональна какой-то степени объема. Во-вторых, уравнение состояния идеального газа не учитывает размер молекул: идеальный газ как бы состоит из точечных молекул. На самом деле, при расчете объема следует учитывать собственный объем молекул. Таким образом, взяв за основу уравнение состояния идеального газа, Ван-дер-Ваальс модернизировал его до уравнения состояния реального газа, которое сейчас носит его имя.
Силы межмолекулярного взаимодействия ныне называют ван-дер-ваальсовыми. Но уравнение Ван-дер-Ваальса имеет и большое теоретическое значение. Оно математически описывает процессы фазового перехода. Так, очевидно, что по мере уменьшения объема под действием внешнего давления «внутреннее давление» возрастает, причем быстрее внешнего. В тот момент, когда внутреннее давление превысит внешнее, ван-дер-ваальсовы силы уже не дадут молекулам удалиться друг от друга, газ превратится в жидкость. Кроме того, следует отметить, что уравнение Ван-дер-Ваальса демонстрирует кубическую зависимость между объемом и давлением при данной температуре. Кубические же уравнения имеют не более трех действительных корней. Следовательно, при некоторых температурах и давлениях объем может иметь одно из трех значений. Одно соответствует жидкой фазе, второе – газообразной, а третье – состоянию фазового перехода. Уравнение помогло математически объяснить одно ранее непонятное явление, а именно: если температура газа превышает некоторую критическую (для данного вещества величину), то никакие изменения давления не смогут вызвать его сжижения. Дело в том, что при критических температурах все три корня уравнения Ван-дер-Ваальса сливаются в один.
Но вернемся, собственно, к биографии ученого. Благодаря докторской диссертации Ван-дер-Ваальс приобрел известность в научном мире. Например, Джеймс Максвелл, который, надо заметить, не во всем соглашался со своим нидерландским коллегой, тем не менее, писал, что работа Ван-дер-Ваальса «сразу поставила его имя в один ряд с самыми выдающимися именами в науке» и «направила внимание исследователей на изучение голландского языка». 4 мая 1875 года Ван-дер-Ваальс был провозглашен действительным членом Амстердамской академии наук. Еще через два года он стал первым и единственным профессором физики недавно открытого Амстердамского университета. Несмотря на большую преподавательскую нагрузку, Ван-дер-Ваальс продолжал исследования. В 1880 году он сделал на основании своего уравнения важное обобщение: введя так называемые «приведенные параметры», ученый получил уравнение состояния, не содержащее индивидуальных для каждого вещества констант; из этого уравнения следовал закон соответствующих состояний. Согласно этому закону, если для рассматриваемых веществ значения двух приведенных переменных одинаковы, должны совпадать и значения третьей приведенной переменной. Этот закон также не идеально описывает поведение реальных веществ, но он имеет большое практическое значение. Так, руководствуясь им, англичанин Джеймс Дьюар в 1898 году получил жидкий водород, а еще через 10 лет голландец Хейке Камерлинг-Оннес – жидкий гелий.
Казалось, что Йоханнес Ван-дер-Ваальс находится в начале блестящей научной карьеры. Но в 1881 году произошла трагедия: в декабре от туберкулеза скоропостижно скончалась Анна Магдалена Ван-дер-Ваальс. Йоханнес был сломлен этим тяжелым ударом. Полностью оправится от него ученый не смог до конца своих дней. В новый брак он так и не вступил и посвятил себя воспитанию детей. В этом ему очень помогала старшая дочь Анна Мадлен, которая после смерти матери взяла на себя домашние заботы. Дети Ван-дер-Ваальса получили хорошее образование. Дочь Жаклин Элизабет стала историком и весьма известной поэтессой, а сын, Йоханнес Дидерик-младший пошел по стопам отца и занимался физикой.