Ларс Онсагер (Онзагер) (27 ноября 1903 г. – 5 октября 1976 г.)

Норвежско–американский химик Ларс Онзагер родился в Осло, в семье Эрлинга Онзагера, адвоката Верховного суда Норвегии, и Ингрид (Киркеби) Онзагер. Посещая школу в Осло, он изучал литературу, норвежские саги, философию и искусство. В 1925 г. он получил диплом инженера–химика в Норвежском технологическом институте в Тронхейме.

Онзагер особенно интересовался химией и физикой электролитов – соединений, которые в растворе диссоциируют на заряженные частицы (ионы), проводящие электрический ток. В Федеральном технологическом институте в Цюрихе Петер Дебай и его ассистент Эрик Хюккель разработали общую теорию для описания термодинамического поведения растворов сильных электролитов. Работая независимо от них в Норвегии, Онзагер проверил их расчеты и в 1925 г. представил Дебаю свои аргументы. Работа Онзагера произвела на Дебая настолько благоприятное впечатление, что тот на следующий год принял его к себе в лабораторию в качестве ассистента.

В 1928 г. Онзагер был назначен преподавателем химии в Университете Джонса Хопкинса в Балтиморе (штат Мэриленд). Обучая первокурсников, он обнаружил, что не в состоянии читать лекции на том элементарном уровне, какой для них подходит, и вскоре был уволен. Затем Онзагеру предложили должность куратора–исследователя в Университете Брауна в Провиденсе (штат Род–Айленд), где он также читал лекции по статистической механике. (Этот курс его студенты в шутку называли «первый норвежский усложненный».) Три закона классической термодинамики описывают взаимосвязь между свойствами систем в состоянии равновесия. В них ничего не говорится о времени или скоростях реакций. Согласно первому началу термодинамики (закону сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам), энергия одного вида может быть превращена в энергию другого вида, но не может появляться или исчезать. Второе начало термодинамики определяет, может ли та или иная химическая реакция происходить спонтанно, и устанавливает энтропию (меру беспорядка) системы. Третье начало термодинамики описывает расчет констант равновесия.

Работая в Университете Брауна, Онзагер создал теории для описания необратимых реакций, которые происходят при неравновесных процессах. Например, когда холодный кусок сахара растворяется в горячем чае, тепло переходит от горячего тела к холодному и в то же время молекулы сахара растворяются в жидкости. С помощью статистической механики, основанной на законах движения, Онзагер показал, как одновременно протекающие реакции влияют друг на друга в соотношениях, известных в настоящее время как соотношения взаимности Онзагера. Он также доказал, что соотношения взаимности представляют собой математический эквивалент более общего принципа наименьшей диссипации, который утверждает, что скорость возрастания энтропии в связанных необратимых процессах минимальна. Его теоретическое описание необратимых процессов, опубликованное в 1931 г., не было в то время воспринято всерьез. Более того, когда Онзагер представил эту работу в Норвежский технологический институт в Тронхейме в качестве докторской диссертации, то она была признана неприемлемой. Со времени окончания второй мировой войны уравнения соотношения (в настоящее время называемые четвертым началом термодинамики) начали получать признание благодаря тому значению, какое они имели для физики, химии, биологии и технологии.

Когда заведующий кафедрой химии Университета Брауна предложил Онзагеру, помимо теоретического анализа, заняться экспериментальной работой, Онзагер согласился попробовать разделить изотопы термодиффузией (изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов). Единственный необходимый для этого аппарат представлял собой платиновую трубку с тремя отсеками. Однако экономические трудности, вызванные Великой депрессией, привели к тому, что должность, которую занимал Онзагер в Университете Брауна, в 1933 г. была ликвидирована, и этот опыт был осуществлен лишь 10 лет спустя учеными, работавшими над Манхэттенским проектом.

После ликвидации должности, которую он занимал, Онзагер поступил работать на химический факультет Йельского университета, где он должен был заниматься научными исследованиями на стипендию Стерлинга и Гиббса, которая предоставляется тем, кто защитил докторскую диссертацию. Вскоре после прибытия Онзагера администрация обнаружила, что у него нет степени доктора философии. Химический факультет предложил, чтобы Йельский университет присудил Онзагеру эту степень при условии, что он представит какую–нибудь свою недавнюю публикацию вместо докторской диссертации. Однако ученый написал новую статью, где излагал математические обоснования своих исследований слабых электролитов. Кафедры химического и физического факультетов заявили, что они недостаточно компетентны, чтобы оценить эти тезисы, и передали их на математический факультет. В 1935 г. Онзагеру была присуждена докторская степень по химии, а годом ранее он был назначен ассистент–профессором.

В 1936 г. ученый опубликовал большую статью о поведении полярных жидкостей (молекул – таких, как молекулы воды и многих кислот, – которые электрически асимметричны) в приложенном электрическом поле. Эта работа, имеющая важное значение для интерпретации электрических диполей аминокислот и белков в растворах, заключала в себе поправки к еще одной теории, разработанной Дебаем, которые тот принял лишь много лет спустя.

Поскольку Онзагер до 1945 г. не был гражданином США, он не принимал участия в работах, связанных с проектами военных ведомств, которыми занималось большинство ученых во время второй мировой войны. Вместо этого он провел все военные годы, анализируя одну из проблем физики, которая почти всеми считалась неразрешимой. Это была проблема возможности объяснения с помощью статистической механики фазовых переходов материи. Например, многие вещества, такие, как ферромагнитные материалы, обнаруживают спонтанную упорядоченность, когда они подвергаются охлаждению. Иными словами, при высокой температуре они не намагничены, а при охлаждении до некоторой критической температуры становятся намагниченными. Шведский физик Густав Изинг предложил простую двухмерную модель ферромагнитного материала – квадратную решетку из атомов, ориентированных либо вверх, либо вниз. Общая энергия системы представляет собой сумму всех соседних или антипараллельных парачастиц. По мере того как температура решетки приближается к критической точке, область эффективного взаимодействия атомов увеличивается и каждый атом влияет на все остальные атомы в системе. Применив свои знания из малоизвестных областей математики, включая алгебру кватернионов и спиноров и теорию эллиптических функций, Онзагер доказал, что теплоемкость системы в точке перехода увеличивается до бесконечности. Этот вывод был повсюду признан как один из наиболее важных вкладов в теоретическую физику, сделанных за последнее десятилетие.

Онзагер продолжал вносить значительную лепту в развитие теории фазовых переходов в течение многих лет. Он также занимался проблемами турбулентности, квантовых эффектов в сверхтекучем гелии, электрического и магнитного поведения металлов в сильных магнитных полях, поведением жидких кристаллов и свойствами вирусных суспензий в воде. Открытия, сделанные Онзагером, вдохновили ученых на проведение двух международных конференций – «Термодинамика необратимых процессов и статистическая механика фазовых переходов», которая состоялась в 1962 г. в Университете Брауна, и «Явления в окрестностях критической точки», которая прошла в Вашингтоне в 1965 г.

В 1968 г. Онзагеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за открытие соотношений взаимности в необратимых процессах, названных его именем, которые имеют принципиально важное значение для термодинамики необратимых процессов. «Внесенный вами вклад в физику и химию можно считать краеугольным для развития науки, – отметил Стиг Классов во вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук. – Ваше открытие соотношений взаимности занимает особое место. Оно представляет собой один из крупных шагов на пути развития науки в XX столетии».

С 1945 по 1972 г. Онзагер был профессором теоретической химии в Йельском университете, а когда вышел в отставку, был избран заслуженным профессором Майамского университета в Корал–Гейблзе (штат Флорида), где работал в Центре теоретических исследований и нейронаучных программ.

В 1933 г. Онзагер женился на Маргарет Арледтер. У супругов родились три сына и дочь. На своей ферме в Нью–Гемпшире Онзагер любил работать в саду, заниматься плаванием и плотницкими работами. Он много читал и перевел несколько древних скандинавских саг на английский язык. Умер ученый в Корал–Гейблзе в возрасте 72 лет.

Несмотря на то что признание его вклада в науку пришло поздно, Онзагер был удостоен многих наград. Помимо Нобелевской премии, он получил золотую медаль Румфорда Американской академии наук и искусств (1953), медаль Лоренца Нидерландской королевской академии наук (1958), награду Петера Дебая по физической химии Американского химического общества (1965), награду Белфера в области чистой науки Университета Йешивы (1966) и национальную медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1968). Он был обладателем почетных степеней Гарвардского, Браунского, Кембриджского университетов, Университета штата Огайо, а также Норвежского технологического института в Тронхейме и Чикагского университета. Ученый являлся членом Американского физического общества, американской Национальной академии наук, Американской академии наук и искусств, Американского философского общества, Американского химического общества, Норвежской и Шведской академий наук, а также и Нидерландской королевской академии наук.

 

Макс Планк (1858–1947) (Макс Карл Эрнест Людвиг) — немецкий физик, один из основоположников квантовой теории, иностранный член–корреспондент Петербургской АН (1913) и почетный член АН СССР (1926). Ввел (1900) квант действия (постоянная Планка) и, исходя из идеи квантов, вывел закон излучения, назван его именем. Труды по термодинамике, теории относительности, философии естествознания. Нобелевская премия (1918).

Макс Планк родился 28 апреля 1858 (Киль) в семье юриста, профессора права Кильского университета Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка и Эммы Планк, урожденной Патциг. Когда мальчику исполнилось девять лет, семья переехала в Мюнхен. В Королевской Максимилиановской гимназии, учеником которой он стал, преподавателем математики был Г. Мюллер. Человек изобретательный и остроумный, умевший продемонстрировать на простых и убедительных примерах законы физики, он пробудил у одаренного ученика интерес к естественным и точным наукам. Впоследствии Планк писал, что закон сохранения энергии был принят им «как Евангелие», как первый из тех «абсолютных законов», которые управляют внешним миром.

Однако, выбирая профессию, Макс Планк не сразу избрал физику. Его привлекала и классическая филология, и музыка, незаурядные способности к которой он проявлял еще в детстве, выучившись играть на фортепиано и органе. И хотя физика одержала верх, музыка всегда оставалась на видном месте в жизни Планка и даже в некоторые периоды вытесняла остальные интересы.

После окончания гимназии в 1874 М. Планк три года занимался в Мюнхенском университете, где получил хорошую математическую подготовку. Но только после перехода в университет в Берлине, где он проучился год под руководством таких выдающихся физиков, как Герман Гельмгольц и Густав Кирхгоф, определилось его призвание. Как писал впоследствии Планк, это произошло благодаря изучению их трудов, а не лекциям (Гельмгольц как следует не готовился к лекциям и подчас ошибался у доски, а Кирхгоф, хотя и готовился очень тщательно, но читал скучно и монотонно), а также знакомству с публикациями немецкого физика Р. Клаузиуса, одного из основателей термодинамики и молекулярно–кинетической теории.

Именно работы Клаузиуса обусловили на долгие годы особое пристрастие Планка к термодинамике. Не удовлетворившись определением необратимых процессов, данным Клаузиусом, Макс Планк предложил более общее определение. Эти работы, к огорчению Планка, не вызвали интереса в научных кругах, не помогли и личные контакты, и переписка с рядом известных специалистов по термодинамике. Но М.Планк продолжал упорно работать. В 1879 он защитил докторскую диссертацию, посвященную второму началу термодинамики, и уже через год получил должность приват–доцента Мюнхенского университета, а в 1885 стал профессором. В 1897 впервые появилась его книга «Лекции по термодинамике», впоследствии многократно переиздававшаяся и переведенная на многие языки.

В 1887 Максу Планку предложено место экстраординарного профессора в Кильском университете. День, когда пришло это приглашение, Планк считал одним из счастливейших в своей жизни. Он активно работает и добивается, в частности, важных результатов в области молодой и развивающейся науки — физической химии, в которой в изобилии совершаются открытия, а также разрабатывает термодинамическую теорию диссоциации газов, осмотического давления, изменения точки замерзания растворов.

В 1889 Планк приглашен на философский факультет Берлинского университета на кафедру теоретической физики вначале экстраординарным, а с 1892 ординарным профессором. Именно в это время он впервые получил возможность установить личные научные контакты с ведущими немецкими физиками того времени.

Не осталась в стороне и музыкальная деятельность. Департаменту физики была передана большая фисгармония со многими регистрами, которая, по предложению Гельмгольца, была выполнена в нетемперированной настройке. Освоив этот сложный инструмент, Макс Планк произвел сравнение с темперированной настройкой, введенной Бахом, и описал результаты сравнения в статье, опубликованной в 1893, в которой обосновал преимущества настройки Баха.

В середине 90–х гг. в физике сформировалась школа «энергетиков», придерживавшихся мнения, что на базе закона сохранения энергии можно объяснить все физические и химические явления. Против этой позиции выступил австрийский физик Людвиг Больцман. Планк также принял участие в дискуссии и в своей статье, вышедшей с 1896, поддержал Больцмана, хотя в то время (как сам Планк подчеркивал позже) он был не только безразличен к статистическому подходу Больцмана, но даже сомневался в его правильности. Причиной тому была убежденность Планка в универсальности закона возрастания энтропии, тогда как Больцман трактовал этот закон как вероятностный. По этому поводу также возникла дискуссия, порой принимавшая острые формы, и не слишком дружественное отношение Больцмана к Планку изменилось лишь после «атомистического» вывода последним законов теплового излучения.

Интерес к проблемам теплового излучения тел возник у Планка под влиянием экспериментальных исследований, проводившихся в то время в Государственном физико–техническом институте (Берлин — Шарлоттенбург) и теоретических работ Кирхгофа, посвященных излучению абсолютно черного тела. Кирхгоф доказал, что спектральный состав равновесного излучения не зависит от природы излучающих тел и в этом смысле является универсальным. Это утверждение не могло не вызвать интереса Планка, склад ума которого делал для него особенно привлекательными положения, несущие черты чего–то «абсолютного». С другой стороны, оно открывало важные возможности теоретического анализа, поскольку позволяло, исследуя излучение, заменять реальные тела некими «моделями». Наиболее простой и поэтому удобной явилась предложенная Планком модель электрических осцилляторов — заряженных частиц, гармонически колеблющихся подобно маятникам. Уравнения Максвелла позволяли вычислить, как осцилляторы излучают и поглощают электромагнитные волны, а статистические законы Больцмана давали возможность связать особенности колебаний с температурой. На основании вышесказанного, можно было, казалось, точно рассчитать спектральный состав равновесного излучения. Однако все попытки такого рода встречали серьезные затруднения у исследователей.

Попытки самого Планка решить эту проблему, описать экспериментальные данные единой теоретической формулой, увенчались успехом только после того, как он (вопреки всем известным законам физики) фактически принял, что осциллятор, колеблющийся с частотой n, излучает дискретными порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте Е = hn. Полученную формулу для распределения энергии в спектре электромагнитного излучения абсолютно черного тела Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. Этот день по праву называют днем рождения квантовой теории. Изменения, начало которым он положил, явились поистине революционными. Их масштабы прекрасно понимал и сам Планк, писавший о кванте действия (так он называл множитель h, численное значение которого им было найдено, известный теперь как «постоянная Планка»), что это «... либо фиктивная величина, и тогда весь вывод закона излучения был в принципе ложным и представлял собой всего лишь пустую игру в формулы, лишенную смысла, либо же вывод закона излучения опирается на некую физическую реальность, и тогда квант действия должен приобрести фундаментальное значение в физике и означает собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении, основывавшемся со времен Лейбница и Ньютона, открывших дифференциальное исчисление, на гипотезе непрерывности всех причинных соотношений».

Для Планка, который, по словам хорошо знавшего его Макса Борна, «от природы был консерватором, ничего не имел от революционера и весьма скептически относился к спекулятивным рассуждениям», было весьма нелегко примириться с идеей дискретности, противоречившей всем традициям классической теории. Планк много лет тщетно пытался преодолеть эти противоречия. Он с энтузиазмом встретил появление работ Эрвина Шредингера, создателя волновой механики, которому в 1928, достигнув 70 лет, передал кафедру теоретической физики в университете.

Но даже оставив кафедру, Макс Планк продолжал упорно работать. Он не создал того, что называют научной школой, но круг его научного общения был достаточно широк. Заметное место в нем занял Альберт Эйнштейн, для которого в 1913 Прусская академия, благодаря инициативе ряда ведущих ученых, в том числе и Планка, открыла специальную кафедру. Двух великих физиков сблизила и большая любовь к музыке, и, возможно, их отношение к вероятностной интерпретации квантовой механики.

Последние десятилетия жизни Планка были омрачены трагическими событиями. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885, умерла в 1909, оставив четверых детей, трое из которых не пережили Первой мировой войны (1914–18). В 1916 был убит воевавший во Франции старший сын Карл, в последующие два года умерли от родов две его дочери–близнецы. От первой жены оставался только один сын Эрвин, но и его пережил Планк. В 1944 Эрвин был вовлечен в заговор против Гитлера и казнен.

Планк воспринял приход фашистов в 1933 к власти в Германии как национальную трагедию. Человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, он открыто выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать за границу. Будучи президентом Общества фундаментальных наук Кайзера Вильгельма, Планк использовал все возможности, чтобы сохранить немецкую науку, прекратить преследования ученых–евреев. Порой его действия «приводили Гитлера в такой раж, что уже ничего не оставалось, как молча все выслушать и удалиться». В дальнейшем Планк изменил тактику, стал более сдержанным и осмотрительным, хотя нацисты, несомненно, знали о его взглядах.

Макс Планк не дожил несколько месяцев до своего девяностолетия. Он скончался в Пруссии – 4 октября1947 года, в Геттингене. Его научные заслуги, прежде всего «открытие квантовой энергии», были отмечены Нобелевской премией по физике в 1919, избранием во все немецкие и австрийские академии и в академии многих других стран. Общество, президентом которого он был много лет, носит теперь его имя. Но самым значительным памятником Планку останется квантовая теория, отцом которой он может быть назван по праву.

 

Мариан фон Смолан–Смолуховский – польский физик. Родился в Фордербрюле близ Вены. Окончил Венский университетт (1895). Стажировался в лабораториях у Г. Липпмана, У. Томсона и Э. Варбурга. В 1899–1913 гг. работал во Львовском университете (с 1900 г. профессор). С 1913 г. профессор Краковского.университета (в 1917 г. ректор).

Основные научные работы посвящены молекулярной физике, термодинамике, статистической механике, в частности кинетической теории газов и жидкостей, теории броуновского движения, молекулярной статистике. В 1898 г. теоретически обосновал явление температурного скачка на границе «газ – твёрдое тело», открытое экспериментально в 1870–х гг., что стало достаточно сильным аргументом в пользу молекулярно–кинетической теории. Выполнил исследования по броуновскому движению и по вопросам границ применения второго начала термодинамики, обосновывающие и развивающие идеи Л. Больцмана. Исходя из кинетического закона распределения энергии, создал (1905–1906) теорию броуновского движения, которая доказала справедливость кинетической теории теплоты и содействовала ее окончательному утверждению.

Установил (1904) законы флуктуации равновесных состояний в молекулярных системах, которые использовал для обоснования идеи об ограниченности классической трактовки Р. Клаузиусом второго начала термодинамики, приводившей к «тепловой смерти» Вселенной. Теория термодинамических флуктуаций дала возможность определить время, через которое наступает новое аномальное состояние системы, и нанесла серьёзный удар гипотезе «тепловой смерти».

Выполнил ряд исследований в области аэродинамики и физики коллоидов. Вывел уравнение в частных производных (ур. Смолуховского), играющее важную роль в Марковских процессах.

Польским физическим обществом учреждена медаль им М. Смолуховского, вручаемая с 1965 г. за достижения в области физики.

 

Адриан Фоккер (1887–1972) – нидерландский физик, родился 17 августа 1887 года. В 1913 году Фоккер окончил Лейденский университет, после чего год проработал в этом университете. С 1923 по 1927 год Фоккер работал профессором в Высшей технической школе. С 1923 по 1955 годы руководил физическим кабинетом Тейлоровского музея в Гарлеме.

Работы Адриана Фоккера относятся к радиоактивности, рентгеновским лучам, электронной теории, теории относительности, гравитации, теории флуктуации.
Он установил закон распределения средней энергии вращающегося электрического диполя в поле излучения (уравнение Фоккера – Планка), усовершенствовав метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения – хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости.

В 1914 с А.Эйнштейном Фоккер развил теорию гравитации Нордстрема с применением тензорного анализа.

В 1933 году Адриан Фоккер основал международный физический журнал и являлся его редактором до 1959 года.

Скончался Адриан Фоккер 24 сентября 1972 года.