【物理史中的十一月】1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

1837 年 11 月 23 日:現代分子科學之父——自學成功的科學家凡得瓦(Johannes van der Waals)的誕生

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2021 年 11 月)

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凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals)

在《費曼物理學講義》中,廣為人知的是,費曼一開始便問,人類最應該為子孫保存的是哪一則科學知識,而他的答案是:所有物質皆由原子所組成。雖然這看起來顯而易見——事實上,原子的概念可追朔到古希臘時代——然而原子的存在直到20世紀一直都是科學家激烈爭辯的問題。提供世界由分子組成的觀點強而有力、令人信服證據的是凡得瓦(Johannes Diderik van der Waals),他原是一位荷蘭的小學老師,物理知識大都自學而得,然而他努力不懈,終成了現代分子科學之父。

這位後來的諾貝爾獎得主於 1837 年 11 月 23 日出生在荷蘭萊登市(Leiden, the Netherlands)一個困苦的木工家庭,是家中 10 個小孩中的老大。在當時,女孩和工人階級的男孩都無機會接受嚴謹的中等教育,因此,凡得瓦早期的教育只有閱讀、寫作和基本的算術,幾乎沒有接觸自然科學的機會。

凡得瓦 14 歲離開學校去當小學老師, 24 歲時當上小學校長。他渴望更多知識,所以利用閒暇時到當地萊登大學(Leiden University)上數學、物理和天文課程,卻因為入學許可規定要考拉丁文,數度被拒絕註冊為全職學生。後來荷蘭實施全面的教育改革,推廣中學教育制度,凡得瓦致力於要成為中學教師,終於當了 10 多年的物理老師。

隨著荷蘭教育政策進一步改革,取消大學入學考拉丁文的規定,開展了凡得瓦的世界,他很快地在萊登大學通過物理和數學的資格考試,開始他的博士學業。1873 年,他終於在 36 歲時獲得博士學位。

凡得瓦的博士論文《關於氣體和液體狀態的連續性》奠定了現代熱力學的基礎,終於讓他於 1910 年獲得諾貝爾物理獎。在論文中,他主張用一個統一的模型來說明氣體和液體的性質,後來成了知名的凡得瓦方程式:

(P + a/V2 )(V – b)= RT,

在此,P, V, 和 代表物質的壓力、體積和溫度,ab 是常數。

凡得瓦研究的重要性在於他調整理想氣體狀態方程式(PV = nRT),以涵蓋分子和分子間力,這種洞察力在當時分子的存在仍是激烈爭辯的議題來說,是很有遠見的,更不用說論及原子交互作用和彼此的施力了。為了表達對他的敬意,從那時開始,已被證明存在於分子之間的弱作用力都稱為凡得瓦力。

熱力學領域的巨人馬克士威(James Clerk Maxwell)在評論凡得瓦發表於《自然》(Nature)雜誌的論文時,很有先見地指出:「毫無疑問地,凡得瓦的名字很快地會被列在分子科學最前沿中。」雖然有這早來的讚譽,但凡得瓦成就所得到的認同卻來得緩慢,主要因為他的研究起初只以荷蘭文發表。直到 1877 年,凡得瓦的發現在廣泛流傳的德語雜誌《物理學年鑑》(Annalen der Physik)中被做了概述介紹後,物理界才完全明白此研究的創新本質,而激起一陣液體和氣體分子物理的研究熱潮。

因為此廣泛的讚譽,凡得瓦離開他中學物理老師的職位,接受了新成立的阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)的物理教授職。在被學術界拒於門外這麼久後,凡得瓦和他交往密切的同事凡特何夫(Henry van’t Hoff,第一屆諾貝爾化學獎得主)以及德富力(Hugo de Vries,開創性的遺傳學者)最終引領了新大學在荷蘭科學嶄新的黃金年代中脫穎而出。

凡得瓦隨後的成就包括對應狀態定律,此理論被視為氫和氦液化,以及接著於 1911 年發現超導性的基礎,還有早期的毛細管理論,以及二元混合物理論,其對於化學工程以及地球化學有著持續性的影響。凡得瓦也預見團簇化學和物理學的重要性,此領域的研究在最近數十年才漸熱門起來。

雖然有這許多成就,但凡得瓦是出了名的謙虛,這在他得諾貝爾獎演講的開幕詞時也許最為明顯:「現在我有此殊榮,在傑出貴賓雲集的場合討論我有關於氣體和液體本質的理論研究,我一定要克服我談論我自己以及我的研究時缺乏自信的狀況。」

凡得瓦很重視他的個人隱私。悲劇於 1881 年降臨他家,那年他太太安娜突然因肺結核病死,時年僅 34 歲,讓他極度心碎,爾後有十幾年沒有發表論文。他從未再婚,和 4 個小孩過著安靜的生活,女兒安妮持家,賈克琳是有名的詩人,約翰娜是老師,兒子約翰跟隨父親的腳步是當上物理教授。他有一位學生說:「名譽既未改變他的行為,也沒有改變他的習慣。」

凡得瓦於 1923 年 3 月 8 日過世,享壽 85 歲,他的一生是面對逆境時堅毅的最佳榜樣。

「完全確定的是,在我所有的研究中,我深信分子確實存在,從未將它們視為是我想像的虛構之物,」凡得瓦曾如此說。「但是當我開始研究時,我感覺只有我有這樣的看法。」

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