НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ – 1968 ГОДИНА – ХИМИЯ – ЛАРС ОНСАГЕР

Ларс Онсагер (Lars Onsager)

27 ноември 1903 г. – 5 октомври 1976 г.

Нобелова награда за химия

(За откриването на взаимните съотношения, които носят неговото име и които са фундаментални за термодинамиката на необратимите процеси.)

Норвежко-американският химик Ларс (на норвежки: Лаш – бел. П. Н.) Онсагер е роден в Осло, в семейството на Ерлинг Онсагер, адвокат в Норвежкия върховен съд, и Ингрид (Киркеби) Онсагер. Посещавайки училище в Осло, той учи литература, норвежки саги, философия и изкуство. През 1925 г. получава диплома на инженер-химик от Норвежкия технологичен институт в Трондхайм.

Онсагер се интересува по-специално от химия и физика на електролитите – съединения, които в разтвори се дисоциират на заредени частици (йони), провеждащи електрически ток. Във Федералния технологичен институт в Цюрих Петер Дебай и неговият асистент Ерик Хюкел разработват обща теория, описваща термодинамичното поведение на разтворите на силните електролити. Работейки независимо от тях в Норвегия, Онсагер проверява техните изчисления и през 1925 г. представя на Дебай своите аргументи. Работата му прави на Дебай толкова благоприятно впечатление, че през следващата година той го кани в своята лаборатория като асистент.

През 1928 г. Онсагер е назначен за преподавател по химия в университета „Джон Хопкинс“ в Балтимор (щат Мериленд). Обучавайки първокурсниците, той открива, че не е в състояние да чете лекции на елементарното равнище, подходящо за тях, и скоро е уволнен. След това му предлагат длъжността куратор-изследовател в университета „Браун“ в Провидънс (щат Род Айлънд), където започва да чете лекции по статистическа механика. (Този курс студентите наричат на шега „първи норвежки усложнен“).

Трите закона на класическата термодинамика описват взаимната връзка между свойствата на системите в състояние на равновесие. В тях не се казва нищо за времето или скоростта на реакциите. Според първия принцип на термодинамиката (закона за запазване на енергията по отношение на термодинамичните процеси) енергията от един вид може да се превръща в енергия от друг вид, но не може да се появява или да изчезва. Вторият принцип на термодинамиката определя може ли една или друга химична реакция да става спонтанно и установява ентропията (мярата на безпорядъка) в системите. Третият принцип на термодинамиката описва равновесните константи.

Работейки в университета „Браун“, Онсагер създава теория, която описва необратимите реакции, протичащи при неравновесните процеси. Когато например студено парче захар се разтваря в горещ чай, топлината преминава от горещото тяло към студеното и в същото време молекулите на захарта се разтварят в течността. С помощта на статистическата механика, основаваща се на законите за движението, Онсагер посочва как едновременно протичащите реакции си влияят в съотношения, известни днес като взаимни съотношения на Онсагер. Той доказва също така, че взаимните съотношения са математически еквивалент на по-общия принцип за най-малката дисипация, който гласи, че скоростта на нарастването на ентропията при свързани необратими процеси е минимална. Неговото теоретично описание на необратимите процеси, публикувано през 1931 г., не е прието сериозно. Нещо повече, когато Онсагер представя разработката си в Норвежкия технологичен институт в Трондхайм като докторска дисертация, тя е отхвърлена. Но след края на Втората световна война уравненията за съотношенията (днес наричани четвърти принцип на термодинамиката) започват да получават признание благодарение на значението, което имат за физиката, химията, биологията и технологията.

Когато ръководителят на катедрата по химия в университета „Браун“ предлага на Онсагер, освен с теоретичен анализ, да се заеме с експериментална дейност, той се съгласява да осъществи разделяне на изотопи при термодифузия (изотопите на един и същи елемент имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони). Единственият необходим за това апарат е платинена тръбичка с три отделения. Но икономическите трудности, предизвикани от Голямата депресия, довеждат до това, че длъжността, която Онсагер заема в университета „Браун“, е съкратена през 1933 г. и този опит е осъществен едва десет години по-късно от учените, работещи по Манхатънския проект.

След съкращаването на длъжността, която заема, Онсагер постъпва на работа в химическия факултет на Йейлския университет, където трябва да се занимава с научни изследвания, финансирани със стипендията „Стърлинг и Гибс“, която се предоставя на учени, защитили докторска дисертация. Скоро след пристигането на Онсагер в университета администрацията открива, че той няма докторска степен. Химическият факултет предлага Йейлският университет да му присъди докторска степен, при условие че представи някаква своя скорошна публикация вместо докторска дисертация. Но ученият пише нова статия, в която представя математическите обосновки на своите изследвания върху слабите електролити. Катедрите на химическия и физическия факултет заявяват, че не са достатъчно компетентни да оценят изложените тези, и ги предават на математическия факултет. През 1935 г. на Онсагер е присъдена докторска степен по химия, а една година преди това е назначен и за асистент-професор.

През 1936 г. ученият публикува голяма статия за поведението на полярните течности (чиито молекули – като на водата и на много киселини – са електрически асиметрични) при приложено електрическо поле. Тази работа, имаща важно значение за интерпретацията на електрическите диполи на аминокиселините и протеините в разтворите, съдържа в себе си поправки на още една теория, разработена от Дебай, които той приема едва много години по-късно.

Понеже до 1945 г. не е гражданин на САЩ, Онсагер не участва в работите, свързани с проектите на военните ведомства, с каквито се занимават повечето от учените по време на Втората световна война. Вместо това той прекарва годините на войната, анализирайки един от проблемите във физиката, който се смята от почти всички за неразрешим. Става въпрос за възможността да се обяснят в помощта на статистическата механика фазовите преходи на материята. Например много вещества, като феромагнитните материали, показват спонтанна последователност, когато се подложат на охлаждане. С други думи, при висока температура не са намагнитизирани, а при охлаждане до известна критична температура стават намагнитизирани. Шведският физик Густав Изинг предлага прост двумерен модел на феромагнитния материал – квадратна решетка от атоми, ориентирани или нагоре, или надолу. Общата енергия на системата е сума от всички съседни или антипаралелни парачастици. Когато температурата на решетката наближава критична точка, областта на ефективно взаимодействие на атомите се увеличава и всеки атом влияе на всички останали атоми в системата. Използвайки знанията си в малко известни области на математиката, сред които алгебрата на кватернионите и спинорите и теорията за елиптичните функции, Онсагер доказва, че топлинният капацитет на системата в точката на преход се увеличава до безкрайност. Този извод е признат за един от най-важните в областта на теоретичната физика през тогавашното десетилетие.

Онсагер продължава да допринася значително за развитието на теорията за фазовите преходи в продължение на много години. Той се занимава също така с проблемите на турбулентността, на квантовите ефекти в хелия, на електрическото и магнитното поведение на металите в силни магнитни полета, на поведението на течните кристали и на свойствата на вирусните суспензии във вода. Откритията, направени от Онсагер, вдъхновяват учените за провеждането на две международни конференции – „Термодинамика на необратимите процеси и статистическа механика на фазовите преходи“, която се провежда през 1962 г. в университета „Браун“, и „Явления в областта на критичната точка“, състояла се във Вашингтон през 1965 г.

От 1945 до 1972 г. Онсагер е професор по теоретична химия в Йейлския университет, а когато се пенсионира, е избран за заслужил професор от Майамския университет в Корал Гейбълс (щат Флорида), където работи в Центъра за теоретични изследвания и невронаучни програми.

През 1933 г. Онсагер се жени за Маргарет Арледтър. Семейството има трима сина и една дъщеря. В своята ферма в Ню Хемпшир Онсагер обича да работи в градината, да плува и да се занимава с дърводелство. Чете много и превежда няколко древни скандинавски саги на английски език. Страда от тромбофлебит и умира в Корал Гейбълс на 72 години.

Въпреки че признанието за научния му принос идва късно, Онсагер е удостоен с много награди. Освен с Нобелова награда е удостоен със златния медал Румфорд на Американската академия на науките и изкуствата (1953 г.), с медала Лоренц на Нидерландската кралска академия на науките (1958 г.), с медала Питер Дебай за физическа химия на Американското химическо дружество (1965 г.), с наградата Белфер на университета „Йешива“ (1966 г.) и с националния медал „За научни достижения“ на Националния научен фонд (1968 г.). Има почетни степени от Харвардския университет, от университета „Браун“, от Кеймбриджкия университет, от университета на щат Охайо, а също така от Норвежкия технологичен институт в Трондхайм и от Чикагския университет. Член е на Американското физическо дружество, на американската Национална академия на науките, на Американската академия на науките и изкуствата, на Американското философско дружество, на Американското химическо дружество, на Норвежката и Шведската академия на науките, а също така на Нидерландската кралска академия на науките.

Превод от руски: Павел Б. Николов