Онзагер (Onsager), Ларс

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.