Полани (Polanyi), Джон Чарльз

Канадский химик Джон Чарльз Полани (Поланьи) родился в Берлине, в семье венгров по происхождению Майкла Полани и Магды Элизабет (Кемени) Полани. Когда мальчику было четыре года, семья переехала из Германии в Англию, в Манчестер, где его отец стал профессором химии Манчестерского университета.

Получив начальное и среднее образование в манчестерской школе, Полани в 1946 г. поступил в Манчестерский университет и успел прослушать лекции по химии своего отца, который вскоре ушел с химического факультета, став в этом же университете профессором философии.

Коллеги отца Полани по химическому факультету были в значительной мере сторонниками изучения простых химических реакций, исходя из молекулярной основы. Один из бывших студентов Полани-старшего Эрнст Уорарст стал научным руководителем Полани Тема докторской диссертации Уорарста была связана с опытами, которые осуществлялись с применением прибора с натриевым пламенем. Эти опыты позволили отцу Полани и его коллегам определять вероятность того, приведет ли к реакции столкновение атома натрия с той или иной молекулой или нет. Под руководством Уорарста Полани измерял энергии химических связей с помощью пиролиза (разложения под действием высокой температуры). В 1952 г. ученый получил докторскую степень по химии.

В годы, проведенные в Манчестерском университете, определилось направление последующей работы Полани над молекулярной основой химических реакций. В Манчестерском университете главное внимание уделялось нерешенной проблеме абсолютных скоростей реакций, т.е. вопросу о том, приведет ли молекулярное столкновение определенной силы к образованию новых химических веществ. Полани переориентировал эту задачу на рассмотрение вопроса о том, какие типы сил наиболее часто приводят к возникновению реакции. Он решил, что ответ на этот вопрос легче всего найти, изучая перемещения только что возникших продуктов реакции, поскольку силы, действующие в «переходном состоянии» (от того момента, когда реагенты вступают в соприкосновение, до появления продуктов реакции), не могут не оставить отпечатка на продуктах реакции. После защиты докторской диссертации, работая в 1952–1954 гг. вместе с Э.У.Р. Стейси в лабораториях Государственного научно-исследовательского совета Канады в Оттаве, Полани все больше убеждался в том, что он правильно поставил вопрос и что ему следует заняться поисками ответа на него. Нельзя сказать, что в студенческие годы, проведенные в Англии, ученый чувствовал призвание к избранной профессии. Его основные интересы, скорее, лежали в области политики, журналистики и поэзии. Интерес к науке был где-то на заднем плане. Солнечный климат Оттавы, однако, разбудил в ученом жажду творчества: Полани с увлечением начал заниматься лабораторной работой. Вместе со Стейси он решил проверить, обладает ли «пророческой силой» господствовавшая тогда теория переходного состояния скоростей реакции, и, проведя определенные расчеты, пришел к заключению, что эта теория бездоказательна, поскольку в ней ничего не говорилось о силах, действовавших в переходном состоянии. Несколько месяцев из двух лет, проведенных в Государственном научно-исследовательском совете, он проработал в лаборатории Герхарда Херцберга, где собрал спектроскопическую установку для проверки колебательного и вращательного возбуждения в молекулах йода. «Меня, должно быть, направляла какая-то невидимая рука», – вспоминал Полани об этом периоде позднее. И действительно, впоследствии ученому довелось измерять в продуктах реакции именно те виды перехода, которые он изучал в лаборатории Херцберга.

После этого Полани по приглашению американского химика Хью Стотта Тейлора два года работал в Принстонском университете в США на стипендию, выделенную ему как доктору наук для проведения научных исследований. Здесь он познакомился с двумя коллегами Тейлора – Майклом Баудартом и Дэйвидом Гарвином, которые исследовали колебательное возбуждение в продуктах реакции атомарного водорода с озоном. При этой реакции наблюдалось оранжевое свечение, когда продукт реакции самопроизвольно переходил от состояния крайне возбужденных колебаний к очень низкому состоянию возбуждения. Несмотря на то что Полани не принимал участия в этих экспериментах, они оказали на него большое влияние. Относительно высокая частота излучения (высокие обертоны) от этих колебательных переходов навела Полани на мысль о возможности обнаружения значительно более вероятных «фундаментальных переходов», вызываемых меньшими изменениями в колебательном состоянии, при которых должно наблюдаться инфракрасное излучение меньшей частоты. Возвратившись в 1956 г. в Канаду, чтобы читать лекции по химии в университете в Торонто, Полани не забыл эту осенившую его в Принстоне идею.

Вместе со студентами своего первого выпуска ученый наблюдал увеличение скорости образования хлорида водорода при колебательном возбуждении на экзотермической реакции (при которой высвобождается тепло) атомарного водорода и молекулярного хлора. Опыт с хлоридом водорода, сообщение о котором впервые появилось в 1958 г., помог Полани и его группе избрать направление их основной работы.

Этот эксперимент был прост и дешев. Атомарный водород, образующийся при электрическом разряде (с применением неонового трансформатора для обеспечения высокого напряжения), при низком давлении смешивался с потоком газообразного хлора в сосуде, снабженном «окошками» из хлорида натрия, прозрачными в инфракрасной области. Перед «окошком» был помещен инфракрасный спектрометр. Сосуд, в котором проходила реакция, на ощупь оставался холодным, но давал инфракрасный спектр, который указывал на присутствие водорода при температуре в несколько тысяч градусов. Это молекулярное возбуждение было химическим по своей природе и представляло собой инфракрасную хемилюминесценцию.

В 1958 г. Полани и его студент Дж.К. Кэшион закончили сделанное ими сообщение утверждением, что «благодаря этому методу можно получить сведения, касающиеся распределения колебательной, а возможно, и вращательной энергии среди продуктов трехцентровой реакции. И такого рода информация – только первая из тех возможностей, которые открывает перед химиками этот метод».

Однако данное ими обещание было выполнено только 10 лет спустя. Была проделана большая работа, в которой приняли участие студенты Полани многих выпусков. Одна из проблем, затруднявших исследование, заключалась в колебательном и вращательном «затухании». Эта проблема была решена благодаря использованию распыления газообразных реагентов, которые пересекались в центре вакуумированной камеры, испуская инфракрасное излучение, сопровождающее образование продуктов реакции. Затем устранялись продукты конденсации на стенках камеры, охлажденных жидким азотом, прежде чем те успевали релаксировать (прийти в основное состояние). Эта прерванная релаксия привела к первым количественным определениям «детализированных констант скоростей», т.е. скоростей, при которых в ходе реакции образуются продукты со специфическими колебательными и вращательными состояниями и, следовательно, трансляционным (переносимым) возбуждением.

Измерения, касающиеся трансляционного возбуждения, заложили основу для разработки сразу двух методов – метода инфракрасной хемилюминесценции Полани и метода исследования пересекающихся молекулярных пучков, которые представляли собой главное альтернативное средство осуществления таких измерений. Метод пересекающихся молекулярных пучков, при котором первоначально измеренные количества представляют собой трансляционные и угловые распределения, был открыт Дадли Р. Хершбахом и Яном Ли в 1967 г.

Главные технологические выкладки проведенных Полани исследований описаны в его работе «Инфракрасный мазер, основанный на колебательном возбуждении», написанной в 1960 г. Однако «Physical Review Letters», куда Полани представил эту статью, отказался ее публиковать как не представляющую научного интереса. В этой статье Полани развил идею, выдвинутую в 1958 г. Чарльзом Х. Таунсом и Артуром Л. Шавловом, которая позднее привела к созданию лазера. Таунс и Шавлов предусматривали электронно возбужденную среду. Полани же предложил, чтобы среда создавалась колебательно и вращательно возбужденными молекулами. Его предложение обладало несколькими привлекательными сторонами. Во-первых, благодаря феномену, который Полани назвал частичной инверсией заселенности, активная среда лазера может создаваться просто путем частичного охлаждения горячего газа. Во-вторых, активная среда может быть генерирована путем химической реакции; такой способ в настоящее время известен как лазер с химической накачкой. Более того, Полани высказал предположение, что такие лазеры должны существовать в природе в верхних слоях атмосферы.

«Physical Review Letters» не напечатал и отчет американского физика Теодора Х. Меймана о первом действующем лазере на том же основании, какое выдвинул, отказавшись публиковать статью Полани. Когда Полани узнал об этом, он в сентябре 1960 г. передал свою статью без каких бы то ни было изменений в «Journal of Chemical Physics». И там она была немедленно опубликована. С тех пор колебательные (разработанные Ч.К.Н. Пейтелом), в частности химические, лазеры (разработанные Дж.Ч. Паймантелом) стали самым мощным источником инфракрасного излучения. Беседуя с теми финансирующими фундаментальные исследования спонсорами, кто настаивает на доказательстве возможности практического применения научных открытий, Полани с удовольствием задает им вопрос о том, оказались ли бы они настолько дальновидными, чтобы субсидировать исследование едва обнаруживаемого свечения, видя в нем способ разработки самых мощных из ныне существующих лазеров.

Несмотря на свою простоту, инфракрасная хемилюминесценция обеспечивает получение наиболее полной, подробной и доступной информации об энергетическом распределении продуктов химических реакций. Такая информация используется для проверки теорий молекулярного механизма простых реакций обмена. Научно-исследовательская группа, возглавляемая Полани, с самого начала проведения своих экспериментов применяла компьютерное моделирование. Высокоскоростные компьютеры позволяли решать сложные уравнения движения реагирующих частиц, а соединение теории с практикой открывало возможность глубоко заглянуть в суть процессов. Инфракрасная хемилюминесценция не ограничивается измерением степени возбуждения продуктов реакции. Она также может быть использована для определения того, каким образом колебательное и вращательное возбуждение различных реагентов влияет на вероятность протекания реакций.

В 1986 г. Полани совместно с Дадли Р. Хершбахом и Яном Ли была присуждена Нобелевская премия по химии за сделанный вклад в «развитие новой области исследований в химии – динамики химической реакции». Полани был отмечен как автор «метода инфракрасной хемилюминесценции, с помощью которого измеряется и анализируется чрезвычайно слабое инфракрасное излучение только что образовавшейся молекулы», и как ученый, применивший «этот метод для выяснения проблемы высвобождения энергии в ходе химических реакций».

В последнее время сфера научных интересов Полани расширяется. Он занимается спектроскопией реакционного переходного состояния, стремясь проникнуть в суть «молекулярного танца», наблюдая участвующие в нем молекулы в тот момент, когда они, как Полани образно определяет этот процесс, находятся «на сцене, а не за кулисами, непосредственно перед началом танца и после его завершения». Группа Полани исследует также фотохимию абсорбированного состояния, используя ультрафиолетовую лазерную радиацию для индуцирования реакций между соседними молекулами, прилепившимися к твердой поверхности. Группа надеется, что ей удастся, размещая молекулы по любой заранее заданной схеме, побуждать их вступать в реакцию определенным способом.

В конце 50-х гг. Полани пришел к убеждению, что ученым необходимо принимать участие в общественной жизни, особенно в век ядерного оружия, когда остро стоит проблема выживания. В 1960 г. Полани стал основателем и председателем канадской группы ученых, входящей в Пагуошское движение, и оставался ее председателем до 1978 г. Полани – активный член Комитета по проблемам международной безопасности Национальной академии наук США и Канадского центра по контролю за вооружениями и разоружению.

Полани активно участвует в работе Королевского общества, Канадского комитета по проблемам свободы научной деятельности, а также Канадского комитета ученых. Он находит время для того, чтобы принимать участие в «Канадских дискуссиях по проблемам политики в области науки». Полани считает, что только фундаментальная наука способна внести вклад в будущее развитие человечества, а на укор о непрактичности чисто теоретических исследований отвечает: «Нет ничего непрактичнее науки, ориентированной на нужды только сегодняшнего дня».

В 1958 г. Полани женился на Анне Феррар Дэйвидсон из Торонто, музыканте и преподавательнице музыки. У супругов дочь и сын. Полани считает себя «невеждой в музыке», но получает эстетическое удовольствие от искусства, литературы и поэзии. Он и его жена, соответственно распределяя роли, пишут слова и музыку для профессионально исполняемых шутливых пародий. В юности ученый увлекался греблей на каноэ, был летчиком-любителем высокого класса, а теперь он отдает предпочтение лыжным и пешим прогулкам.

Помимо Нобелевской премии, Полани получил много наград, в числе которых медаль Марлоу Фарадеевского общества (1962), премия Стейси в области естественных наук (1965), медаль Генри Маршалла Тоури Королевского общества Канады (1977) и премия Вульфа (1982). Он неоднократно признавался ведущим лектором. Ученому были присвоены почетные степени 12 университетами Канады и 2 ведущими учебными заведениями США – Гарвардским университетом и Ронсселеровским политехническим институтом. В 1974 и в 1979 гг. Полани стал кавалером ордена Канады разных степеней. Он член Канадского и Лондонского королевских обществ, иностранный член Американской академии наук и искусств, американской Национальной академии наук и Папской академии наук в Риме.