Введение

Немецкий физик и физико-химик (1864–1941)

Вальтер Герман Нернст (; 25 июня 1864 – 18 ноября 1941) – немецкий физик и физико-химик, известный своими работами в области термодинамики, физической химии, электрохимии и физики твердого тела. Его формулировка теоремы Нернста о теплоемкости способствовала созданию третьего закона термодинамики, за что он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1920 году. Он также известен разработкой уравнения Нернста в 1887 году. Он изучал физику и математику в университетах Цюриха, Берлина, Граца и Вюрцбурга, где получил докторскую степень в 1887 году. В 1889 году он завершил процедуру получения права преподавать (абилитацию) в Лейпцигском университете.

Ранние годы

Нернст родился в Бризене в Западной Пруссии (ныне Вабржезно, Польша) в семье Густава Нернста (1827–1888) и Оттилии Нергер (1833–1876). Его отец был судьей в сельской местности. У Нернста было три старшие сестры и один младший брат. Третья его сестра умерла от холеры. Нернст посещал начальную школу в Грауденце (ныне Грудзёндз).

Исследования

Нернст начал обучение в Цюрихском университете в 1883 году, затем, после перерыва в Берлине, вернулся в Цюрих. Он написал свою диссертацию в университете Граца, где профессором был Людвиг Больцман, хотя работал под руководством Альберта фон Эттингсхаузена. Они открыли эффекты Эттингсхаузена и Нернста: магнитное поле, приложенное перпендикулярно металлическому проводнику в температурном градиенте, порождает разность электрических потенциалов, и, наоборот, разность электрических потенциалов создает тепловой градиент. Затем он перешел в Вюрцбургский университет под руководством Фридриха Кольрауша, где представил и защитил свою диссертацию.

Профессиональная карьера

Вильгельм Оствальд пригласил его возглавить первое отделение физической химии в Лейпцигском университете. Нернст перешел туда ассистентом, занимаясь термодинамикой электрических токов в растворах. Получив должность лектора, он преподавал некоторое время в Гейдельбергском университете, а затем переехал в Геттингенский университет. Три года спустя ему предложили профессорство в Мюнхене, и чтобы удержать его в Пруссии, правительство учредило для него кафедру в Геттингене. Там он написал знаменитый учебник «Теоретическая химия», который был переведен на английский, французский и русский языки. Он также вывел уравнение Нернста для электрического потенциала, возникающего при разной концентрации ионов, разделенных проницаемой для ионов мембраной. Это уравнение широко используется в клеточной физиологии и нейробиологии. Применявшаяся тогда углеродная нить накаливания была тусклой и дорогой из-за необходимости создания вакуума в колбе. Нернст изобрел твердотельный излучатель с нитью из оксидов редкоземельных металлов, известный как «гловер Нернста», который до сих пор имеет значение в области инфракрасной спектроскопии. Непрерывный омический нагрев нити приводит к электропроводности. Гловер наиболее эффективно работает в диапазоне длин волн от 2 до 14 микрометров. Он дает яркий свет, но только после периода прогрева. Нернст продал патент за миллион марок, разумно отказавшись от роялти, поскольку вскоре появилась вольфрамовая лампа с нитью накаливания, заполненная инертным газом. Благодаря своему богатству, в 1898 году Нернст приобрел первый из восемнадцати автомобилей, которыми он владел за свою жизнь, и поместье площадью более пятисот гектаров для охоты. Он увеличивал мощность своих первых автомобилей, устанавливая баллон с закисью азота, которую можно было впрыскивать в карбюратор. После восемнадцати плодотворных лет в Геттингене, посвященных изучению осмотического давления и электрохимии, а также разработке теории проведения нервных импульсов, он переехал в Берлин и получил титул тайного советника (Geheimrat).

В 1905 году он выдвинул свою «Новую теорему о тепле», позже известную как Третий закон термодинамики. Он показал, что при приближении температуры к абсолютному нулю энтропия стремится к нулю, в то время как свободная энергия остается выше нуля. Эта работа, за которую его больше всего помнят, позволила химикам определять свободные энергии (и, следовательно, точки равновесия) химических реакций на основе измерений тепла. Теодор Ричардс утверждал, что Нернст украл его идею, но почти всеобщее признание досталось Нернсту как первооткрывателю. Нернст подружился с кайзером Вильгельмом, которого убедил основать Общество кайзера Вильгельма по развитию науки с первоначальным капиталом в одиннадцать миллионов марок. Лаборатория Нернста обнаружила, что при низких температурах удельные теплоемкости заметно снижаются и, вероятно, исчезнут при абсолютном нуле. Это снижение было предсказано для жидкостей и твердых тел в статье Альберта Эйнштейна 1909 года о квантовой механике удельных теплоемкостей при криогенных температурах. Нернст был настолько впечатлен, что отправился в Цюрих, чтобы навестить Эйнштейна, который в 1909 году был относительно неизвестен, и люди говорили: «Эйнштейн, должно быть, очень умный человек, если великий Нернст проделал весь путь из Берлина в Цюрих, чтобы поговорить с ним». Нернст и Планк лоббировали создание специальной профессорской должности в Берлине, и Нернст пожертвовал средства на ее финансирование. В 1913 году они отправились в Швейцарию, чтобы убедить Эйнштейна принять эту должность мечты: именную профессорскую должность в ведущем университете Германии без преподавательских обязанностей, дающую ему полную свободу для исследований. В 1911 году Нернст и Макс Планк организовали первую конференцию Сольве в Брюсселе. В следующем году художник-импрессионист Макс Либерман написал его портрет.

Первая мировая война

В 1914 году Нернсты принимали коллег и студентов, которых они привезли в своё поместье, путешествуя в частном железнодорожном вагоне, когда узнали об объявлении войны. Их два старших сына поступили в армию, а отец записался добровольцем в корпус водителей. Он поддержал немецкую армию против обвинений противника в варварстве, подписав «Манифест девяноста трёх». 21 августа 1914 года он доставил документы из Берлина командиру немецкого правого фланга во Франции и продвигался вместе с ними в течение двух недель, пока ночью не увидел отблески парижских огней. Переломный момент наступил в битве на Марне. Когда на фронте установился тупик, он вернулся домой. Он связался с полковником Максом Бауэром, штабным офицером, ответственным за боеприпасы, с идеей выбить защитников из окопов снарядами, начиненными слезоточивым газом. Когда его идею решили испытать, одним из наблюдателей был Фриц Габер, который утверждал, что потребуется слишком много снарядов, и лучше использовать облако отравляющего газа, более тяжёлого, чем воздух. Первая атака хлорным облаком 22 апреля 1915 года не была поддержана мощным пехотным наступлением, поэтому шанс на то, что газ прорвёт тупик, был навсегда упущен. Нернст был награждён Железным крестом II класса. В качестве научного консультанта штаба Императорской немецкой армии он руководил исследованиями в области взрывчатых веществ, большая часть которых проводилась в его лаборатории, где они разработали перхлорат гуанидина. Затем он работал над созданием траншейных миномётов. Он был награждён Железным крестом I класса, а затем орденом Pour le Mérite. Когда высшее командование рассматривало вопрос о развязывании неограниченной подводной войны, он попросил кайзера предоставить ему возможность предупредить о колоссальном потенциале Соединённых Штатов как противника. Его не послушали, генерал Эрих Людендорф заглушил его криками, назвав его идеи «некомпетентной чепухой».

Возвращение к исследованиям

Нернст опубликовал свою книгу «Основы теоремы нового тепла». В 1918 году, после изучения фотохимии, он предложил теорию атомной цепной реакции. Она заключалась в том, что реакция, в которой образуются свободные атомы, способные разлагать целевые молекулы на ещё большее количество свободных атомов, приводит к цепной реакции. Его теория тесно связана с естественным процессом ядерного деления. В 1920 году он и его семья ненадолго бежали за границу, поскольку он был в списке союзников как один из военных преступников. Позже в том же году он получил Нобелевскую премию по химии за работы в области термохимии. Он был избран ректором Берлинского университета на 1921–1922 годы. Он организовал агентство для финансирования молодых ученых из государственных и частных средств и отказался от предложения стать послом в Соединенных Штатах. Два несчастливых года он был президентом Физикально-технического института (Национальной физической лаборатории), где не мог справиться с «сочетанием посредственности и бюрократии». В 1924 году он стал директором Института физической химии в Берлине. В 1927 году зависимость удельного тепла от температуры была расширена на газы. Он изучал теории космических лучей и космологию. Несмотря на то, что в пресс-релизе его описывали как «совершенно немузыкального человека», Нернст в 1930 году совместно с компаниями Bechstein и Siemens разработал электропиано Neo Bechstein Flügel, заменив резонансную деку усилителями на вакуумных лампах. В пианино использовались электромагнитные звукосниматели для создания электронно модифицированного и усиленного звука, подобно электрической гитаре. На самом деле, он был пианистом и иногда аккомпанировал Эйнштейну, игравшему на скрипке.

Рост антисемитизма

В 1933 году Нернст узнал, что коллега, с которым он надеялся сотрудничать, был уволен из института за то, что был евреем. Нернст немедленно поехал к Хаберу, чтобы попросить о месте в его институте, который не находился под контролем правительства, но узнал, что Хабер переезжает в Англию. Вскоре Нернст столкнулся с проблемами из-за отказа заполнить правительственную анкету о его расовой принадлежности. Он вышел в отставку с должности профессора, но был отстранен от правления Института имени императора Вильгельма. Он жил уединенно в сельской местности; в 1937 году он отправился в Оксфордский университет, чтобы получить почетную степень, и также навестил свою старшую дочь, ее мужа и трех внуков. В 1939 году у Нернста случился тяжелый сердечный приступ. Он умер в 1941 году в Гау, Нижняя Силезия, Восточная Пруссия (ныне Нивица, Польша) и был похоронен трижды. Впервые его похоронили недалеко от места смерти. Однако его останки были перевезены в Берлин, где его похоронили во второй раз. В конечном итоге их снова перенесли и похоронили рядом с Максом Планком, Отто Ганом и Максом фон Лауэ в Геттингене, Германия.

Личная жизнь и семья

В 1892 году Нернст женился на Эмме Ломейер, с которой у него было двое сыновей и три дочери. Оба сына Нернста погибли, сражаясь в Первой мировой войне. Вместе с коллегами из Лейпцигского университета, Якобусом Хенрикусом ван’т Хоффом и Сванте Аррениусом, он заложил основы нового теоретического и экспериментального направления в химии и предложил поджечь неиспользуемые угольные пласты, чтобы повысить глобальную температуру. Он был резким критиком Адольфа Гитлера и нацизма, и две из его трех дочерей вышли замуж за евреев. После прихода Гитлера к власти они эмигрировали, одна в Англию, а другая в Бразилию.

Личность

Говорили, что Нернст был практичным человеком, постоянно размышлявшим о том, как применить новые открытия в промышленности. В его увлечения входили охота и рыбалка. "Его кабинет и лаборатория всегда представляли собой картину крайнего хаоса, который его коллеги уместно называли 'состоянием максимальной энтропии'".

Почести

В 1923 году ботаник Игнац Урбан описал Nernstia — род цветковых растений из Мексики, относящийся к семейству Rubiaceae и названный в его честь.

Публикации

Вальтер Нернст, "Обоснование теоретической химии: девять статей (1889–1921)" (нем., Begründung der Theoretischen Chemie : Neun Abhandlungen, 1889–1921). Франкфурт-на-Майне : Verlag Harri Deutsch, ок. 2003. Вальтер Нернст, "Теоретические и экспериментальные основы нового закона теплоты" (нем., Die theoretischen und experimentellen Grundlagen des neuen Wärmesatzes). Галле [Гер.] W. Knapp, 1918 [пер. 1926]. [ред., это сборник термодинамических работ из физико-химического института Берлинского университета (1906–1916); Перевод доступен от Гая Барра.] Вальтер Нернст, "Теоретическая химия с точки зрения закона Авогадро и термодинамики" (нем., Theoretische Chemie vom Standpunkte der Avogadroschen Regel und der Thermodynamik). Штутгарт, F. Enke, 1893 [5-е издание, 1923].

Ссылки на источники

Стоун, А. Дуглас (2013) Эйнштейн и квантовая механика. Издательство Принстонского университета.