2020-06-10
160
(1834–1907)
В истории развития науки известно много крупных открытий. Но немногие из них можно сопоставить с тем, что сделал Менделеев — один из крупнейших химиков мира. Хотя со времени открытия его закона прошло много лет, никто не может сказать, когда будет до конца понято всё содержание знаменитой «таблицы Менделеева».
Дмитрий Менделеев родился 27 января (8 февраля) 1834 года в Тобольске в семье директора гимназии и попечителя народных училищ Тобольской губернии Ивана Павловича Менделеева и Марии Дмитриевны Менделеевой, урождённой Корнильевой. Воспитывала его мать, поскольку отец будущего химика ослеп вскоре после рождения своего сына.
Осенью 1841 года Митя поступил в Тобольскую гимназию. Он был принят в первый класс с условием, что останется там два года, пока ему не исполнится восемь лет.
Несчастья преследовали семью Менделеевых. Осенью 1847 года умер отец, а через три месяца — сестра Аполлинария. Весной 1849 года Митя окончил гимназию, и Мария Дмитриевна, распродав имущество, вместе с детьми отправилась сначала в Москву, а затем в Петербург. Ей хотелось, чтобы младший сын поступил в университет.
Лишь по ходатайству матери 9 августа 1850 года Дмитрий был зачислен студентом Главного педагогического института в Петербурге на физико-математический факультет. Ведь в педагогическом институте набор студентов происходил раз в два года, и осенью 1850 года приёма не было.
Менделеев стал жить в пансионе. В педагогическом институте режим больше походил на казарменные порядки. Даже отлучиться в город студенты могли лишь на непродолжительное время, получив разрешение. Менделееву пришлось догонять своих сокурсников и самостоятельно изучать материал, который его коллеги прошли в первый год. Такая нагрузка сказалась на его здоровье.
В Педагогическом институте преподавали в то время выдающиеся русские учёные — математик Остроградский, физик Ленц, химик Воскресенский и другие. Воскресенский и профессор минералогии Куторга предложили Менделееву разработать метод анализа минералов ортита и пироксена, доставляемых из Финляндии. Результаты своей работы он изложил в статье «Химический анализ ортита из Финляндии», опубликованной в 1854 году. Это был первый научный труд Менделеева, на следующий год заканчивающего институт.
В мае 1855 года Учёный совет присудил Менделееву титул «Старший учитель» и наградил золотой медалью. Врачи рекомендовали ему сменить нездоровый петербургский климат и уехать на юг.
В Одессе Менделеева назначили преподавателем математики, физики и естественных наук в гимназию при Ришельевском лицее. Много времени он отдавал работе над магистерской диссертацией, в которой рассматривал проблему «удельных объёмов» с точки зрения унитарной теории Жерара, полностью отбросив дуалистическую теорию Берцелиуса. Эта работа показала удивительную способность Менделеева к обобщению и его широкие познания в химии.
Осенью Менделеев блестяще защитил диссертацию, с успехом прочёл вступительную лекцию «Строение силикатных соединений» и в начале 1857 года стал приват-доцентом при Петербургском университете.
В 1859 году он был командирован за границу. Два года Менделеев провёл в Германии, где организовал собственную лабораторию. Там он добился неплохих результатов. В частности, ему удалось доказать существование максимальной температуры кипения жидкости, выше которой вещества могут существовать лишь в газообразном состоянии. Это имело практическое значение для сжижения газов.
В конце февраля 1861 года Менделеев приехал в Петербург. Найти преподавательскую работу в середине учебного года было невозможно. Он решается написать учебник органической химии. Вышедший вскоре в свет учебник, а также перевод «Химической технологии» Вагнера принесли Менделееву большую известность.
Весной 1863 года Дмитрий Иванович женился на Феозве Никитичне Лещёвой, и молодожёны отправились в свадебное путешествие по Европе. Академия наук наградила Менделеева полной Демидовской премией за книгу «Органическая химия». Сумма была значительной, и этих денег вполне хватило на путешествие.
1 января 1864 года Менделеев получил назначение на должность штатного доцента органической химии Петербургского университета с окладом 1200 рублей в год. Одновременно с этой должностью Менделеев получил место профессора в Петербургском технологическом институте. Профессорам предоставлялась и квартира в институте. Теперь забот о материальном обеспечении семьи стало меньше, и Менделеев приступил к работе над докторской диссертацией.
Исследования продолжались почти год. Проследив изменение удельного веса в зависимости от процентного содержания спирта в воде, Менделеев установил, что самую большую плотность имеет раствор, в котором соотношение между молекулами спирта и воды составляет один к трём. Впоследствии это открытие стало основой гидратной теории растворов.
Защита диссертации состоялась 31 января 1865 года. Через два месяца Менделеев был назначен экстраординарным профессором по кафедре технической химии Петербургского университета, а в декабре — ординарным профессором.
В летние месяцы Дмитрий Иванович часто выезжал вместе с женой и сыном Володей в имение Боблово. Менделеев купил его, чтобы иметь возможность проводить некоторые исследования, связанные с плодородием почвы. Он регулярно приезжал в Боблово, наблюдал за работой крестьян, давал указания по использованию минеральных удобрений.
В то время возникла острая необходимость создать новый учебник по неорганической химии, который бы отражал современный уровень развития химической науки. Эта идея захватила Менделеева. Одновременно он начал собирать материал для второго выпуска учебника, куда должно было войти описание химических элементов.
Менделеев тщательно изучил описание свойств элементов и их соединений. Но в каком порядке их проводить? Никакой системы расположения элементов не существовало. Тогда учёный сделал картонные карточки. На каждую карточку он заносил название элемента, его атомный вес, формулы соединений и основные свойства. Постепенно корзина наполнялась карточками, содержащими сведения обо всех известных к этому времени элементах. И всё равно долгое время ничего не получалось. Говорят, что периодическую таблицу элементов учёный увидел во сне, оставалось её лишь записать и обосновать.
Постепенно Менделеев понял, что с изменением атомного веса меняются и свойства элементов. Приближался к концу февраль 1869 года. Через несколько дней рукопись статьи, содержащей таблицу элементов, была закончена и сдана в печать. Менделеев уехал в срочную командировку на один из химических заводов. 6 марта его друг профессор химии Меншуткин сообщил об этом открытии на заседании Русского химического общества. Любопытно, что вначале русские химики не поняли, о каком великом открытии идёт речь.
Зато значение таблицы осознал сам Дмитрий Иванович. С того дня, когда за простыми рядами символов химических элементов Менделеев увидел проявление закона природы, другие вопросы отошли на задний план. Он забросил работу над учебником «Основы химии», не занимался и исследованиями. Распределение элементов в таблице казалось ему несовершенным. По его мнению, атомные веса во многих случаях были определены неточно и поэтому некоторые элементы не попадали на места, соответствующие их свойствам. Взяв за основу периодический закон, Менделеев изменил атомные веса этих элементов и поставил их в один ряд со сходными по свойствам элементами.
В статье, вышедшей на немецком языке в «Анналах», издаваемых Либихом, Менделеев отвёл большое место разделу «Применение периодического закона для определения свойств ещё не открытых элементов». Он предсказал и подробно описал свойства трёх неизвестных ещё науке элементов — эка-бора, эка-алюминия и эка-кремния.
Для Менделеева вопрос о периодическом законе был исчерпан. И снова лекции в университете, исследования в лаборатории, сельскохозяйственные опыты в Боблово, поездки по стране на различные химические предприятия.
В это же время Менделеев глубоко заинтересовался ещё одним вопросом — состоянием газов при очень высоком давлении. Председателю Русского технического общества П. А. Кочубею удалось раздобыть средства, и это дало возможность нанять сотрудников, купить аппаратуру. Самым большим результатом этой работы было выведенное Менделеевым уравнение состояния газов, которое имело более общий вид, чем известное уравнение Клапейрона.
Однажды осенью 1875 года, когда Менделеев просматривал Доклады Парижской академии наук, взгляд его упал на сообщение Лекока де Буабодрана об открытии нового элемента, названного им галлием. Но французский исследователь указал удельный вес галлия — 4,7, а по вычислениям Менделеева у эка-алюминия получалось 5,9 Менделеев решил написать учёному, указав, что, судя по свойствам открытого им галлия, это не что иное, как предсказанный в 1869 году эка-алюминий.
И действительно, более точные определения удельного веса галлия дали значение 5,94. Открытие галлия вызвало настоящую сенсацию среди учёных. Имена Менделеева и Лекока де Буабодрана сразу стали известны всему миру. Учёные, воодушевлённые первым успехом, начали искать остальные, ещё не открытые элементы, которые были предсказаны Менделеевым. В десятках лабораторий Европы закипела работа, сотни учёных мечтали о необыкновенных открытиях.
И успехи не заставили себя долго ждать. В 1879 году профессор Ларс Фредерик Нильсон, работавший в Упсальском университете (Швеция), открыл новый элемент, полностью соответствующий описанному Менделеевым эка-бору. Он назвал его скандием. Повторное доказательство предсказаний Менделеева вызвало настоящий триумф. Вскоре стали поступать сообщения об избрании Менделеева почётным членом различных европейских университетов и академий.
Окружённый всеобщим вниманием и славой, Менделеев всё чаще чувствовал себя одиноким и несчастным в своей семье. Отношения с женой были мучительно сложны и безысходны, и даже дети, которых Менделеев горячо любил, не могли скрасить его одиночество и отчуждённость в семье. Нередко, запершись в кабинете, он предавался горестным размышлениям.
Именно в это время возник его интерес к Анне Ивановне Поповой, бывавшей в их доме вместе со своей подругой, учительницей музыки дочери Менделеева Ольги. Анна Ивановна была образованна, хорошо понимала живопись. Непринуждённо и свободно она чувствовала себя на вечерах, которые устраивались каждую среду в доме Менделеева, где собирались известные художники — Репин, Шишкин, Куинджи, друзья Менделеева.
Интерес к девушке перерос в глубокую симпатию, а потом пришла и любовь. Исчезло ощущение потерянности, которое мучило его последние годы. В её присутствии он просто преображался, не скрывая переполнявших его чувств. Не желая быть причиной разрыва Менделеева с семьёй, Анна Ивановна решила покинуть Петербург, и уехала в Италию. Однако Дмитрий Иванович, узнав о её отъезде, бросил всё и поехал вслед за ней. Спустя месяц они вернулись вместе.
Жизнь Менделеева коренным образом изменилась. Анна Ивановна была внимательной и заботливой женой. Вскоре новая семья Дмитрия Ивановича стала расти — родилась дочь Люба, а через год — сын Иван. Но всё же радости и горести личной жизни не отвлекли его от главного — от науки.
Круг интересов Менделеева был очень широк. Классическими являются и его работы по химии растворов. Кроме того, он много занимался исследованиями нефти и вплотную подошёл к открытию её сложного состава.
Во время полного солнечного затмения 1887 года Менделеев должен был вместе с воздухоплавателем подняться на воздушном шаре. Однако перед стартом начался дождь, намокший шар не мог подняться с двумя пассажирами. Тогда Менделеев высадил лётчика и полетел один. Рассказывают и то, что на досуге он делал великолепные чемоданы.
В 1887 году в России начался пересмотр таможенного тарифа по распоряжению тогдашнего министра финансов И. А. Вышнеградского, с которым Менделеев некогда учился в Главном педагогическом институте. К осени 1889 года огромное количество сводок, таблиц, отчётов и ведомостей скопилось в комиссии, составленной из профессоров Технологического института, но привести все эти материалы в стройную систему, придать им цельность никто не мог. И тут в поле зрения министра попал Менделеев. Благодаря докладу Дмитрия Ивановича новый таможенный тариф удалось ввести в действие с 1 июля 1891 года. Его книга «Толковый тариф» на долгие годы стала основой русской таможенной политики.
Менделеев уже стал признанным учёным, но отношения с властями оставались сложными. Всему причиной был независимый характер учёного, из-за которого ему два раза отказывали при избрании в члены Российской академии наук, хотя к этому времени учёный был членом уже сотни самых престижных научных обществ мира.
В 1890 году Менделеев был уволен из университета по распоряжению тогдашнего министра просвещения графа Делянова. Зная об обширных познаниях Менделеева во многих областях науки, видные государственные деятели нередко обращались к нему за советом и помощью. В 1892 году министр финансов Витте предложил Дмитрию Ивановичу должность учёного хранителя Палаты мер и весов, и Менделеев согласился. Несмотря на преклонный возраст, он начал активную и разностороннюю работу в этой новой области. Здесь учёный также сделал несколько открытий. В частности, он разработал точнейшие эталоны веса.
Дмитрий Иванович работал до последнего дня. Он скончался утром 20 января (2 февраля) 1907 года.
После смерти Менделеева его имя было присвоено Русскому химическому обществу, и ежегодно 27 января, в день рождения учёного, в Петербурге происходит торжественное заседание, на котором представляют авторов лучших работ по химии и награждают их медалью имени Д. И. Менделеева. Эта награда считается одной из самых престижных в мировой химии.
АДОЛЬФ ФОН БАЙЕР
(1835–1917)
Немецкий химик Иоганн Фридрих Вильгельм Адольф фон Байер родился в Берлине 31 октября 1835 года. Он был старшим из пяти детей Иоганна Якоба Байера и Евгении (Хитциг) Байер. Отец Байера, офицер прусской армии, был автором опубликованных работ по географии и преломлению света в атмосфере, а мать — дочерью известного юриста и историка Юлиуса Эдуарда Хитцига. Счастливые дни детства Адольфа Байера были омрачены большим несчастьем — во время родов умерла мать. Старший из детей, Адольф, сильнее других чувствовал тяжёлую утрату.
Отец, специалист по геодезии, большую часть года проводил в путешествиях. По возвращении он некоторое время жил дома, а потом вместе с Адольфом отправлялся в Мюльгейм. Каждый раз отец привозил книги, и Адольф запомнил одну из них, потому что именно с неё начался интерес к химии.
В гимназии учитель Шельбах, отличный математик и физик, преподававший также и химию, активно поддерживал интерес Адольфа к физике и химии. Мальчик учился с исключительным усердием, поэтому Шельбах сделал его своим помощником в химической лаборатории. Адольф с удовольствием проводил демонстрации опытов в аудитории, но ещё важнее для его становления как химика имели опыты, которые он проводил в своей домашней лаборатории. Прочитав руководство по органической химии Вёлера, Байер ещё больше увлёкся интересной, загадочной и малоизученной наукой химией. В двенадцатилетнем возрасте он сделал своё первое химическое открытие. Это была новая двойная соль — карбонат меди и натрия.
Окончив гимназию Фридриха Вильгельма, Байер в 1853 году поступил в Берлинский университет, где в течение двух последующих лет занимался изучением математики и физики.
После окончания третьего семестра Байер был призван в армию. Целый год проходил службу юноша в восьмом берлинском полку. Для него это было тяжёлое время, ведь за год ему не удалось даже открыть книгу. Но, наконец, отслужив положенный срок, Байер вернулся домой и встал перед необходимостью решать, чем заниматься дальше.
В конце концов, он поступил в Гейдельбергский университет и начал работу в лаборатории профессора Бунзена. Обучение в университете не ограничивалось чтением лекций, уже с начала учебного года студенты готовились к исследовательской работе. В Гейдельберге Байер сосредоточил своё внимание на физической химии. Но после опубликования в 1857 году статьи о хлорметане он так увлёкся органической химией, что, начиная со следующего года, стал работать у занимавшегося структурной химией Фридриха Августа Кекуле в его лаборатории в Гейдельберге.
Лаборатория была тесной и скудно оборудованной. Однако Байер нашёл в лице Кекуле превосходного учителя, который отлично владел методикой экспериментальной работы по органической химии, а ещё лучше теорией. Под руководством Кекуле исследования пошли быстро и весьма успешно. Взяв в качестве исходного вещества какодиловую кислоту, Байер за короткое время синтезировал новые, неизвестные до того времени соединения — метилированные хлориды мышьяка, за которые ему позднее была присуждена докторская степень.
С 1858 года в течение двух лет он вместе с Кекуле работал в Гентском университете в Бельгии. В Генте у Байера не было самостоятельного заработка, он жил на деньги, которые ежемесячно получал от отца. Известный учёный-геодезист, теперь уже генерал Байер, мог позволить себе содержать сына, но отец всё настойчивее советовал Адольфу самому подумать о своём будущем.
В начале 1860 года Байер приехал в Берлин. Экзамен на приват-доцента он выдержал блестяще и начал подготовку к предстоящим лекциям. Для экспериментальной работы в берлинских лабораториях не было никаких условий. Оборудовать собственную лабораторию у Байера не было средств. Оставалось только одно — решать теоретические проблемы.
После смерти деда в доме Байеров, как и прежде, собирались известные учёные, писатели, искусствоведы. На этих вечерах нередко бывал и друг старого Байера, тайный советник Бендеманн, который почти всегда приходил со своей дочерью Адельгейдой (Лидией). Она подружилась с сёстрами Адольфа. А когда Адольф приехал в Берлин, красивая, образованная подруга сестёр сразу же привлекла его внимание. Однако живущий на средства отца Байер не мог и помышлять о браке. Нужно было как можно скорее найти работу с постоянным заработком. И счастье улыбнулось ему. В 1860 году в ремесленном училище, будущем Высшем техническом училище, была введена новая дисциплина — органическая химия. Байер согласился на должность преподавателя органической химии, хотя жалованье ему полагалось небольшое и половину его нужно было отдавать ассистенту, который совсем ничего не получал.
Под влиянием увлечённости Кекуле Байер начал сначала исследовать мочевую кислоту, а начиная с 1865 года структурный состав индиго, высоко ценимого в промышленности синего красителя, названного именем растения, из которого его получают. Ещё в 1841 году французский химик Огюст Лоран в ходе исследований сложного строения этого вещества выделил изатин, растворимое в воде кристаллическое соединение. Продолжая опыты, начатые Лораном, Байер в 1866 году получил изатин, использовав новую технологию восстановления индиго путём нагревания его с измельчённым цинком. Применённый Байером способ позволил проводить более глубокий структурный анализ, чем процесс окисления, осуществлённый Лораном.
Престиж его лаборатории чрезвычайно возрос. Молодым учёным интересовались не только исследователи, но и промышленники. Доходы Байера значительно увеличились. Теперь можно было подумать о семейной жизни.
8 августа 1868 года состоялась свадьба Адельгейды Бендеманн и Адольфа Байера. У них родились дочь и три сына, один из которых, Франц, умер в 1881 году. Известная своей деликатностью, тактом и изящными манерами, госпожа Байер пользовалась всеобщей любовью и уважением. Кроме молодых практикантов её мужа, госпожа Байер обычно приглашала и маститых учёных, писателей, художников, музыкантов. Молодая жена не только умело взяла на себя заботы о хозяйстве, но и помогала мужу вести переписку. Байер не любил писать. Даже научные статьи, в которых он подводил итоги своих исследований, Байер писал с большой неохотой.
Анализируя обратный процесс, получение индиго путём окисления изатина, Байер в 1870 году впервые сумел синтезировать индиго, сделав, таким образом, возможным его промышленное производство. После того как в 1872 году Байер переехал в Страсбург и занял место профессора химии в Страсбургском университете, он приступил к изучению реакций конденсации, в результате которых высвобождается вода. В ходе проведения реакций конденсации таких групп соединений, как альдегиды и фенолы, ему и его коллегам удалось выделить несколько имеющих важное значение красящих веществ, в частности пигменты эозина, которые он впоследствии синтезировал.
Здесь у Байера появилось много друзей. Иногда после работы сотрудники лаборатории собирались на квартире учёного, благо дом, в котором жил Байер, находился рядом с лабораторией. За большим и шумным столом рассказывались весёлые истории, шутки, пелись песни. Адельгейда любила эти весёлые компании и умела оживлять их своим искусством отличной хозяйки. Эти молодые, влюблённые в науку люди сплотились в одну большую семью, в центре которой был профессор Байер.
Три года прожил учёный в Страсбурге. В 1875 году, после смерти Юстуса фон Либиха, Байер стал преемником этого известного химика-органика, заняв должность профессора химии в Мюнхенском университете. Здесь в течение более чем четырёх десятилетий он был центром притяжения множества одарённых студентов. Более пятидесяти из них стали впоследствии университетскими преподавателями.
Вернувшись к изучению точной химической структуры индиго, Байер в 1883 году объявил о результатах своих исследований. Это соединение, по его словам, состоит из двух связанных «стержневых» молекул (их он назвал индолом). В течение сорока лет созданная Байером модель оставалась неизменной. Она была пересмотрена только с появлением более совершенной технологии.
Изучение красителей привело Байера к исследованию бензола — углеводорода, в молекуле которого 6 атомов углерода образуют кольцо. Относительно природы связей между этими атомами углерода и расположения атомов водорода внутри молекулярного кольца существовало много соперничавших между собой теорий. Байер, который по своему складу был скорее химиком-экпериментатором, нежели теоретиком, не принял ни одну из существовавших в то время теорий, а выдвинул свою собственную — теорию «напряжения». В ней учёный утверждал, что из-за присутствия других атомов в молекуле связи между атомами углерода находятся под напряжением и что это напряжение определяет не только форму молекулы, но также и её стабильность. И хотя эта теория получила сегодня несколько осовремененную трактовку, её суть, верно схваченная Байером, осталась неизменной. Исследования бензола привели Байера также к пониманию того, что структура молекул бензольной группы ароматических соединений, называемых гидроароматическими, представляет собой нечто среднее между кольцевым образованием и структурой молекулы алифатических углеводородов (без кольца). Это сделанное им открытие не только указывало на взаимосвязь между данными тремя типами молекул, но и открывало новые возможности для их изучения.
В 1885 году в день пятидесятилетия Байера в знак признания его заслуг перед Германией учёному был пожалован наследственный титул, давший право ставить частицу «фон» перед фамилией.
…Годы шли незаметно. Старшая дочь Евгения давно вышла замуж за профессора Оскара Пилоти. Сыновья, Ганс и Отто, тоже нашли свою дорогу в жизни. Появились внуки…
Шёл 1905 год. На чествование семидесятилетия выдающегося учёного в Мюнхен съехались десятки учеников Байера, теперь уже известных учёных. Торжественная церемония, обед в большом зале. Со всех концов мира приходили поздравления. В дни празднования было получено сообщение о том, что за заслуги в области органической химии Байеру присуждена Нобелевская премия по химии «за заслуги в развитии органической химии и химической промышленности благодаря работам по органическим красителям и гидроароматическим соединениям».
Поскольку в это время учёный был болен и не мог лично присутствовать на церемонии вручения премии, его представлял германский посол. Байер не произнёс нобелевской лекции. Но ещё в 1900 году, в статье, посвящённой истории синтеза индиго, он сказал: «Наконец-то у меня в руках основное вещество для синтеза индиго, и я испытываю такую же радость, какую, вероятно, испытывал Эмиль Фишер, когда он после пятнадцати лет работы синтезировал пурин — исходное вещество для получения мочевой кислоты».
Став нобелевским лауреатом, Байер продолжил исследования молекулярной структуры. Его работы по кислородным соединениям привели к открытиям, касающимся четырёхвалентности и основности кислорода. Учёный также занимался изучением связи между молекулярной структурой и оптическими свойствами веществ, в частности цветом.
Байер поддерживал личные контакты со многими выдающимися учёными Европы. Почти не ведя переписки, он всегда находил время посетить своих коллег, побеседовать с ними, узнать об их достижениях, рассказать о своих. Его уважали и повсюду встречали как дорогого гостя. Профессорские кафедры во многих городах Европы занимали его ученики. Они сохраняли привязанность к старому учителю и, приезжая в Мюнхен, прежде всего, навещали знакомый дом.
В число наград, полученных Байером, входила медаль Дэви, присуждённая Лондонским королевским обществом. Он был членом Берлинской академии наук и Германского химического общества.
Последние годы жизни учёного были омрачены начавшейся мировой войной. Народ Германии нёс на плечах все тяготы кровавой бойни, и Байер тяжело переживал это. Он стал быстро дряхлеть, часто задыхался от сухого кашля, а вскоре и совсем слёг. 20 августа 1917 года Адольф Байер умер в своём загородном доме на Штарнбергском озере, неподалёку от Мюнхена.
УИЛЛАРД ГИББС
(1839–1903)
Загадка Гиббса заключается не в том, был ли он неправильно понятым или неоценённым гением. Загадка Гиббса состоит в другом: как случилось, что прагматическая Америка в годы царствования практицизма произвела на свет великого теоретика? До него в Америке не было ни одного теоретика. Впрочем, как почти не было теоретиков и после. Подавляющее большинство американских учёных — экспериментаторы.
Джозия Уиллард Гиббс родился 11 февраля 1839 года в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, в семье профессора Йельского университета. В течение шести поколений его семья славилась в Новой Англии своей учёностью. Один из его предков был президентом Гарвардского университета, другой — секретарём Массачусетской колонии и первым президентом Принстонского университета. Отец Гиббса считался выдающимся теологом.
Когда Гиббсу было десять лет, он начал учиться в небольшой частной школе в Нью-Хейвене, расположенной в том же квартале, что и его дом. Он рос тихим, застенчивым мальчиком, всегда следовал за другими, никогда не был вожаком, но и никогда не оставался в стороне. В 1854 году юноша поступил в Йельский университет, а в 1858 году Гиббс получил диплом бакалавра.
В те годы в Шеффилде создавалась научная школа. В 1847 году при ней была открыта аспирантура. Но только в 1861 году эта школа получила право присуждать степень доктора физики. Гиббсу со временем суждено было стать величайшим американским теоретиком науки, но его обучение шло по линии американского практицизма. В 1863 году он первый в Америке получил степень доктора физики за работу по инженерной механике. Диссертация называлась «О форме зубцов в зубчатом сцеплении». Он тут же получил место преподавателя в колледже на три года. Отец Гиббса умер в 1861 году, оставив детям 23 500 долларов. Таким образом, Гиббс мог жить на небольшой доход.
Преподавая, Гиббс не переставал заниматься своим любимым делом — механикой. Он написал несколько работ о паровых турбинах и изобрёл железнодорожный тормоз, работающий под действием силы инерции поезда. Когда окончился срок его преподавания в Йеле в 1866 году, Гиббс вместе с двумя сёстрами отправился за границу. Это был поворотный момент в его карьере. В Европе он получил углублённое образование, ставшее прочным фундаментом для самой главной работы в его жизни.
Сначала он занимался в Сорбонне и Коллеж де Франс. По шестнадцать часов в неделю Гиббс слушал лекции и занимался у таких физиков и математиков, как Дюамель и Лювилль.
Здесь же Гиббс впервые прочёл работы Лапласа, Пуассона, Лагранжа и Коши. На следующий год он отправился в Берлин, где учился у Кундта и Вейерштрасса. Проведя год в Берлине, он переехал в Гейдельберг, где читали лекции такие выдающиеся учёные, как Кирхгоф, Кантор, Бунзен и Гельмгольц, от которых он узнал ещё больше о теоретической физике.
Вернувшись в Америку в 1869 году, он поселился в доме отца в Нью-Хейвене вместе с сестрой, которая во время заграничной поездки вышла замуж. 13 июля 1871 года в ведомостях Йельского университета было напечатано сообщение о том, что «мистер Джозия Уиллард Гиббс назначен профессором математики и физики, без жалованья, на факультет философии и изящных искусств».
Эта кафедра была первой в Америке. Только потому, что окружающие хорошо знали возможности Гиббса и верили в его большое будущее, Йельский университет счёл возможным назначить его на этот пост.
Став профессором, он читал механику, волновую оптику, векторный анализ, теорию электричества и магнетизма. В 1873 году появились его первые термодинамические работы «Графические методы в термодинамике жидкостей» и «Метод геометрического представления термодинамических свойств веществ при помощи поверхностей». В большом исследовании «О равновесии гетерогенных систем», публиковавшемся в 1875–1878 годах, Гиббс развил и широко применил своё учение.
Исаак Ньютон в своё время расширил понятие о равновесии, включив в него движение. Его открытие произвело одну из величайших в истории интеллектуальных революций. Работа Гиббса имеет не меньшее значение. Он расширил понятие о равновесии, включив в него изменение состояния материи. Лёд становится водой, вода превращается в пар, пар превращается в кислород и водород. Водород, соединяясь с азотом, превращается в аммиак. Любой процесс в природе есть процесс изменения; законы подобных изменений были открыты Гиббсом. Так же как Ньютон открыл законы механики, Гиббс создал законы физической химии, которая стала основной химической наукой.
Гиббсу предстояло найти единицу измерения состояния вещества, которая бы показывала, подвергнется ли это вещество какому-нибудь превращению или останется прежним.
Ключом для открытия Гиббса стала скорость частички, пропорциональная её энергии. Наука, изучающая тепловую энергию, называется термодинамикой. Гиббс писал: «Законы термодинамики… выражают… поведение систем, состоящих из большого количества частиц».
Вода, нагреваемая при постоянном объёме, теряет определённое количество теплоты, которое уходит во внутреннюю структуру молекулы. Жидкий аммиак при такой же трансформации, превращаясь в газообразный аммиак, также теряет какое-то количество теплоты. Это свойство внутреннего поглощения теплоты получило название энтропии.
Количественное изменение энтропии в каждой реакции имеет громадное значение. Изменение энтропии, происходящее при кипячении жидкостей в постоянном объёме, равняется теплоте испарения, делённой на температуру кипения. Изменения энтропии в каждой реакции можно узнать простым арифметическим действием: количество калорий, необходимых для протекания реакции, делится на температуру в градусах, при которой происходит реакция. Гиббс ввёл слово «энтропия» в качестве термина в термодинамику.
В этих двух примерах лишь один компонент (вода в первом случае и аммиак в другом) изменил фазу, перейдя из жидкости в газ. Гиббс расширил это понимание, включив в него несколько компонентов, так что можно было рассматривать смеси жидкостей и смеси твёрдых веществ. Когда же он ещё далее расширил границы своей теории, охватив ею компоненты, которые соединяются друг с другом, он, наконец, открыл уравнение, описывающее химические реакции и их равновесие.
Для таких систем Гиббс определил новые величины, связанные с энтропией, которые позволили ему предсказать заранее, произойдёт или не произойдёт химическая реакция или физическое превращение, и если произойдёт, то до каких пор реакция будет продолжаться. Он назвал эти величины химическими потенциалами. Так же как энтропия, химические потенциалы являются физическим свойством вещества.
Результатом этих исследований явилось знаменитое правило фазы Гиббса. Он изложил его всего на четырёх страницах, не приведя какого-либо конкретного примера. В течение последующих пятидесяти лет учёные написали множество книг и монографий, посвящённых правилу фазы Гиббса, описывая его применительно к минералогии, петрографии, физиологии, металлургии и всем остальным областям науки.
Правило устанавливало условия, которые необходимо соблюдать для того, чтобы определённые соединения находились в состоянии равновесия в различных фазах: в жидком, твёрдом и газообразном состояниях. Вскоре оно было признано наиболее важным линейным уравнением в истории науки.
В течение пятидесяти лет после открытия Гиббса химия проникла во все главные отрасли мировой индустрии. Благодаря результатам работ Гиббса выплавка стали сделалась химическим процессом, так же как и выпечка хлеба, изготовление цемента, добыча соли, производство жидкого топлива, бумаги, вольфрамовой нити для электрических лампочек, одежды и сотни тысяч других предметов.
Труды Гиббса были использованы также для объяснения действия вулканов, физиологических процессов, происходящих в крови, электролитического действия аккумуляторов и для производства химических удобрений.
В течение пятидесяти лет после смерти Гиббса четыре раза Нобелевская премия присуждалась работам, основанным на его трудах.
Вскоре после окончания своего классического исследования весной 1879 года Гиббс был избран членом Национальной академии США, в 1880 году — членом Американской академии наук и искусств в Бостоне. Научная слава Гиббса быстро росла после опубликования его термодинамических работ. Он избирается членом многих зарубежных академий и научных обществ, получает научные награды.
Помимо термодинамики, Гиббс сделал ценный вклад в векторную алгебру. В природе существует много величин, которые необходимо характеризовать не только количественно, но и по направлению. Векторная алгебра Гиббса упростила обращение с пространством. Обобщённый гиббсовский вектор стал со временем мощным орудием науки, родившейся, когда Гиббс был уже в преклонном возрасте, и так и оставшейся ему неизвестной — теории относительности.
В своих ранних исследования: равновесия Гиббс исходил из предположения, что материя является сплошной массой. Позже он осознал, что материя состоит из мельчайших частиц, находящихся в движении. Он пересмотрел свою термодинамику с учётом этого открытия, разбирая термодинамические явления на статистической основе. Ньютоновская механика стала статистической механикой.
В 1902 году вышел фундаментальный труд Гиббса «Основы статистической механики». Основываясь на совершенно самостоятельных предположениях, Гиббс при помощи статистической механики открыл новый смысл энтропии и других родственных величин, которые казались такими могущественными в первом приближении.
На основе классического второго закона термодинамики современники Гиббса предсказывали «конец света», когда энтропия Вселенной приблизится к максимуму, то есть выйдет за пределы, после которых будет невозможен переход энергии в виды, пригодные для использования. Это состояние было названо «тепловой смертью». Её ужасающее описание дал знаменитый писатель-фантаст Герберт Уэллс в романе «Машина времени».
Статистическая механика Гиббса показала, что такой исход вовсе не неизбежен. Оказалось, что шансы на «спасение» учёные значительно преуменьшили. Ньютон ничего не знал о строении планет и звёзд. Его уравнения движения планет не находились в зависимости от их природы и были совершенно верны в пределах ньютоновской механики. Гиббс и его современники ничего не знали о структуре молекулы. Сам Гиббс понимал это. Он писал: «Тот, кто основывает свою работу на гипотезе, относящейся к строению материи, возводит здание на песке».
Подобно Ньютону, Гиббс обладал даром провидения, и его статистическая механика пережила все последующие открытия в атомной и ядерной физике.
Гиббс подошёл к основным истинам природы так близко, как это делали до него лишь величайшие учёные. Работы Гиббса трудно читать и понимать. Он делал несколько предварительных набросков, потом развивал свои исследования в уме, пока они не достигали полного совершенства. Когда же он принимался излагать свои теории на бумаге, он опускал промежуточные этапы в ходе своих рассуждений, так как ему казалось, что они уже не имеют значения.
Труды Гиббса нашли широкое понимание и применение только через десять—двадцать лет. В трёхвековой истории современной науки можно насчитать не более десятка идей такой же важности и глубины, как теория равновесия, принадлежащая Гиббсу. И в каждом случае требовалось, по меньшей мере, два десятилетия, чтобы эти новые идеи были восприняты во всём их объёме. Коллеги Гиббса по Йельскому университету, вероятно, не понимали значения его работы, но они, разумеется, знали, что он гений.
Гиббс был стройным человеком среднего роста, спокойным и уверенным, с типичным лицом янки. Аккуратная борода, которую он носил по тогдашней моде, придавала ему респектабельность. Голос у него был тонкий, говорил он учтивой скороговоркой. О нём, человеке быстрого ума, со склонностью к тонкой иронии, дети вспоминали только как о добром и мягком дяде Уилле. Взгляд его ярко блестевших глаз был проницателен и остр. Он умел нести смешную чепуху, затевать весёлые игры и шалости и не очень стремился к новым знакомствам. «Мне необходим был совет, и я знал, что он может помочь мне не только потому, что он великий учёный, но и потому, что я чувствовал в нём доброго и чуткого человека» — так говорили о Гиббсе его племянники, племянницы, друзья и студенты.
Гиббс был одним из тех людей, чью скромность можно назвать страстью. В течение своей жизни он получил девятнадцать наград и почётных дипломов, в том числе главную международную премию за научные достижения. Но даже самые близкие его друзья не знали о его успехах в полной мере до тех пор, пока не прочли некролога в газетах.
Основываясь на трудах Гиббса, Джеймс Максвелл заказал объёмную гипсовую модель кривых Гиббса и послал ему в подарок. Трудно было придумать лучший знак восхищения одного великого учёного другим. Студенты, которые хорошо знали происхождение модели, спросили у него однажды:
— Кто прислал вам эту модель?
Он ответил коротко:
— Один приятель.
— А кто этот приятель?
— Один англичанин.
Долго оставалось загадкой, каким образом у Максвелла в самом расцвете его славы нашлось достаточно времени и проницательности, чтобы раскопать статьи Гиббса, которые были напечатаны в никому не известном журнале Коннектикутской академии наук. Но и эта тайна была, в конце концов, разгадана. Максвелл узнал о статье Гиббса весьма простым способом — он получил её по почте. Гиббс, которого постоянно обвиняли в том, что он не интересуется отзывами других учёных о своей работе, рассылал оттиски своих статей наиболее известным учёным. Гиббс составил список из пятисот семи имён учёных, живших в двадцати странах. В течение своей жизни он написал двадцать монографий и каждую из них лично послал тем учёным из своего списка, для которых они могли представлять интерес.
Работа для Гиббса служила оправданием всей его жизни, и он был счастлив, потому что знал, насколько велик его труд. Последние годы его жизни были омрачены не только потерей сестры и близких друзей, но также и появлением новых революционных идей в области физики, рентгеновских лучей, электронов. Он ещё не знал, как эти неожиданные открытия могут быть совместимы с его понятием о Вселенной. Однажды новое открытие настолько расстроило его, что он сказал своим студентам, растерянно качая головой: «Пожалуй, настало время мне уходить». Он чувствовал себя усталым, одиноким, и то, что раньше оправдывало его жизнь, казалось, ушло навсегда.
Но Гиббс тревожился напрасно. Он умер 28 апреля 1903 года, но квантовая механика не опровергла его трудов. Макс Планк, читая лекции по теоретической физике и объясняя свою теорию в Колумбийском университете в 1909 году, в частности, сказал: «Как глубоко охватывает это предложение (принцип возрастания энтропии) все физические и химические отношения, на это лучше и полнее других было указано Джозия Уиллардом Гиббсом, одним из наиболее знаменитых теоретиков всех времён не только Америки, но и всего мира».
