Валтер Нернст

На преминот помеѓу XIX и XX век, научниот свет се наоѓал во состојба на длабока и незапирлива трансформација. Тоа било време кога класичната физика почнувала да пука по своите теоретски шевови под притисокот на новите експериментални откритија, додека хемијата сè уште макотрпно се обидувала да се ослободи од чисто емпирискиот пристап на „мешање материи во епрувета“ за да израсне во строга, егзактна и математички дефинирана наука. Во тој динамичен и фасцинантен меѓупростор се родила една сосема нова дисциплина – физичката хемија. И додека повеќето научници од таа ера биле синоним за скромност, повлеченост и кабинетска изолација, еден човек решил брутално да ги прекрши сите воспоставени општествени и академски шаблони.

Валтер Нернст (Walther Nernst) не бил само брилијантен теоретичар и виртуозен експериментатор; тој бил првата вистинска „рок-ѕвезда“ на модерната наука. Како мултимилионер благодарение на своите генијални патенти, сопственик на првите приватни автомобили во Готинген и човек со застрашувачки остар јазик, тој го живеел животот со ист интензитет со кој ги кршел догмите на термодинамиката. Неговата легендарна ароганција и препотентност никогаш не биле празна реторика, туку биле цврсто поткрепени со научен гениј кој успеал да ја скроти Апсолутната нула и да ги постави темелите на денешната електрохемија. За него, науката била бојно поле каде победуваат само оние со неограничена самодоверба.

Валтер Херман Нернст е роден на 25 јуни 1864 година во Бризен, Западна Прусија.  Неговиот татко работел како строг пруски судија, што значело дека младиот Валтер пораснал во исклучително дисциплинирана, но високо интелектуална буржоаска средина.  Интересно е што во раната младост, Нернст воопшто не покажувал сериозен интерес за природните науки. Неговата прва и вистинска љубов биле класичните јазици, германската литература и театарот. Тој пишувал воодушевувачка поезија, а неговата желба да стане професионален актер била толку радикална што неговиот татко морал со силен родителски авторитет да интервенира за да го насочи кон тогаш „посериозните“ кариери.

Откако се запишал на Универзитетот во Цирих, а понатаму ги продолжил своите студии во Берлин, Грац и Вирцбург, Нернст дошол во директен контакт со најголемите умови на физиката од тоа време, вклучувајќи го и великанот Лудвиг Болцман. Ова специфично препливање на влијанија од уметноста, филозофијата и строгата математичка физика го формирало неговиот уникатен стил на научна дедукција: тој поседувал чиста уметничка интуиција која му овозможувала да ги согледа елегантните решенија таму каде што другите гледале само хаотични податоци, како и математичка прецизност за беспрекорно да ги докаже тие решенија. Во 1887 година, под менторство на Фридрих Колрауш, тој докторирал на тема за електромоторните сили предизвикани од магнетизам. Набргу потоа станал асистент на Вилхелм Оствалд во Лајпциг, каде што заедно со Сванте Арениус го формирале историскиот триумвират кој дефинитивно ја воспоставил физичката хемија како суверена наука.

На само 25 години, во 1889 година, Нернст објавил научен труд кој во истиот момент го лансирал во првата лига на светската наука. Тој решително се зафатил со решавање на еден од најголемите проблеми на галванските елементи. Дотогаш, научниците добро знаеле дека батериите произведуваат електрична струја преку хемиски процеси, но никој немал теоретска моќ математички да предвиди колкав точен напон ќе произведе една батерија под специфични услови на концентрација и температура.

Нернст генијално сфатил кое е решението: процесот на создавање на потенцијал на границата помеѓу металот и растворот е строго управуван од фундаменталните термодинамички закони. Тој го вовел револуционерниот концепт на „електролитички притисок на растворање“ – тежнеењето на металните атоми да испраќаат јони во растворот, на кое директно му се спротивставува осмотскиот притисок на самите јони кои веќе се наоѓаат во растворот. Како директен резултат на оваа брилијантна синтеза, се родила епохалната Нернстова равенка, која останува врежана во секој учебник по хемија:

Каде што:

• E е потенцијалот на електродата во реални услови,
• E^▫ е стандардниот електроден потенцијал,
• R е универзалната гасна константа,
• T е апсолутната температура во Келвини,
• n е бројот на разменети електрони,
• F е Фарадеевата константа,
• Q е реакциониот кофициент (односот на концентрациите на продуктите и реактантите).

Оваа математичка релација станала вечен темел не само на индустриската електрохемија (развојот на модерни батерии, акумулатори и галванизација), туку и на современата патувачка биологија. Секој нервен импулс во нашето тело, секое контракција на срцевиот мускул и комплицираниот транспорт на материи низ селективните клеточни мембрани се одвиваат токму по строгиот квантитативен принцип дефиниран со оваа равенка.

Речиси во истиот творечки период, за да ги дефинира законитостите во аналитичката хемија, тој го вовел поимот производ на растворливост (K_sp). Пред појавата на Нернст, реакциите на таложење во лабораториите се објаснувале со примитивни квалитативни поими. Нернст непобитно докажал дека во заситен раствор од тешко растворлив електролит, производот од концентрациите на неговите јони е константна вредност на дадена температура:

K_sp = [A⁺] ∙ [B^-]

Доколку производот на јонските концентрации во растворот ја надмине оваа критична математичка вредност, вишокот веднаш почнува да се издвојува во форма на талог. Со овој чекор, Нернст ја трансформирал аналитичката хемија од едноставен искуствен занает во егзактна квантитативна наука.

Како што неговата академска реноме вртоглаво напредувала, Нернст се преселил на Универзитетот во Готинген, а потоа во 1905 година бил назначен за шеф на престижниот Институт за физичка хемија во Берлин. Таму тој се соочил со најголемиот теоретски предизвик на својата генерација: како точно да се предвиди насоката и константата на рамнотежа на една хемиска реакција користејќи ги исклучиво термалните и топлинските податоци измерени при процесот.

Првиот закон на термодинамиката (зачувување на енергијата) и Вториот закон (постојаниот раст на глобалната ентропија) едноставно не биле теоретски доволни за да го решат овој комплексен проблем на екстремно ниски температури. Наоѓајќи се пред навидум непробоен ѕид, Нернст во 1906 година ја лансирал својата славна „Топлинска теорема“, која денес со длабока почит во науката ја нарекуваме Трет закон на термодинамиката.

Нернст ја насочил својата мисла таму каде што никој претходно немал храброст да погледне – кон апсолутната нула (0 K или -273,15^▫C). Неговата дефиниција била преубава во својата едноставност: како што температурата на еден систем тежнее кон нула, топлинското движење на атомите целосно стивнува. Кај еден совршено чист, правилен кристал, на апсолутна нула престанува секој можен микроскопски хаос, што значи дека неговата ентропија (S) станува еднаква на нула:

lim S = 0

Овој закон имал колосални импликации. Тој теоретски докажал дека апсолутната нула е физички недостижна во конечен број чекори, бидејќи би бил потребен бесконечен напор за да се отстрани и последниот квант на атомски немир. Исто така, овој закон овозможил математичко пресметување на слободната енергија, што директно ја овозможило модерната хемиска индустрија од големи размери. За ова епохално и храбро откритие, на Валтер Нернст во 1920 година му била доделена Нобеловата награда за хемија.

Малку се знае дека Нернст во Првата светска војна предложил користење на дијанизидин хлоросулфонат (познат како Ни-агенс / Ni-Stoff), прашок кој требало да предизвика силно кивање и иритација за да ги присили војниците да ги напуштат рововите. Тој бил наполнет во артилериски гранати од 105 mm. На тестирањето, како и при првата вистинска борбена примена(октомври 1914), експлозијата на гранатата била толку силна што наместо да го распрска прашокот како фин иритирачки аеросол, таа едноставно го согорувала или целосно го уништувала хемискиот агенс. По овој фијаско-експеримент, Нернст навистина се повлекол депримиран. Тогаш на сцена стапил Фриц Хабер, кој сфатил дека прашоците се неефикасни за воени услови и дека мора да се користи гас под притисок (чист хлор кој се потпира на ветрот, а подоцна фозген и иперит), што довело до трагедијата кај Ипар во 1915 година.

Нернст не бил човек кои се задоволувал со старите ловорики или пасивното уживање во стекнатата слава. По завршувањето на Првата светска војна, тој го свртел своето истражувачко внимание кон фотохемијата. Со децении, светските хемичари биле збунети од една специфична појава: кога смеса од гасовит водород и хлор ќе се изложела на само еден минимален квант светлина (фотон), доаѓало до моментална, насилна и разорна експлозија со создавање на хлороводород. Според тогашните крути сфаќања, еден фотон требало да активира само една единствена молекула. Како тогаш малку светлина предизвикувало толкава масивна експлозија?

Во 1918 година, Нернст го понудил своето генијално објаснување кое за првпат во историјата на науката го вовело концептот на атомска верижна реакција. Тој покажал дека процесот се одвива преку механизам на самоодржување, каде почетниот фотон ја цепи молекулата на хлор на екстремно реактивни радикали, кои потоа во бесконечен синџир ги напаѓаат молекулите на водород. Овој циклус се повторува стотици илјади пати во дел од секундата. Овој брилијантен концепт подоцна бил преземен од нуклеарните физичари и станал клучниот темел за разбирање на нуклеарната фисија.

Cl-Cl + hv = 2 Cl

Cl + H-H = H-Cl + H

H + Cl-Cl = H-Cl + Cl

Cl + Cl + M = Cl-Cl + M

За разлика од мнозинството свои колеги кои целиот живот го поминувале на работ на скромната професорска егзистенција, Нернст бил исклучително богат човек. Неговото енормно богатство не потекнувало од семејно наследство,... туку директно од неговиот практичен инженериски ум. Околу 1897 година, тој ја конструирал таканаречената „Нернстова светилка“. За разлика од тогашната сијалица на Едисон која користела јагленово влакно и трошела премногу енергија давајќи пригушено жолтеникаво светло, светилката на Нернст користела специјално керамичко тело од ретки оксиди. Кога ова тело ќе се загреело, тоа емитувало прекрасна, силна, чисто бела светлина.

Нернст тука покажал невиден бизнис талент. Наместо сам да троши време на отворање фабрики, тој веднаш го продал својот патент на германскиот индустриски гигант AEG за тогаш астрономска сума од еден милион златни марки во кеш, плус континуирани проценти од секоја продадена сијалица. Со овие пари, Нернст станал сопственик на огромни земјоделски имоти и ја поседувал првата приватна флота од луксузни автомобили во регионот, уживајќи во брзото (и често пати прилично несигурно) возење низ локалните патишта.

Она што го прави Нернст толку фасцинантен и незаборавен лик во историјата на светската наука е неговиот специфичен карактер. Тој бил духовит, циничен, со безгранично развиено его, но неговиот префинет сарказам бил толку интелектуално супериорен што неговите современици едноставно морале да му прогледуваат низ прсти.

Неговото непоправливо егоцентризам најпластично се гледа од неговата лична, култна компарација за тоа како токму неговиот закон успева хиерархиски да ги обедини и дисциплинира природните науки:

„Третиот закон на термодинамиката јасно и недвосмислено покажува дека физиката води директно кон хемија, хемијата неминовно води кон математика, а математиката води право кон лудило.“

Оваа наведувана максима крие длабока иронија насочена кон чистите теоретичари. Како фанатичен човек од лабораторија, Нернст цврсто сметал дека кога научниците премногу ќе се затворат во апстрактни и недокажливи математички светови, тие целосно го губат рационалниот контакт со материјалната реалност.

За неговата фасцинантна личност сведочат и следниве култни историски анегдоти:

За математичката прогресија на Законите: Кога колегите со доза на зачуденост го прашале како имал толкава дрскост своето лично откритие без никакво двоумење самиот да го именува како „Трет закон на термодинамиката“ – со оглед на тоа што Првиот закон го дефинирале тројца гиганти, а Вториот двајца, Нернст со уживање одговорил: „Многу едноставно. Првиот закон го открија тројца луѓе. Вториот закон го открија двајца луѓе. А Третиот закон го откри само еден човек - јас. Според оваа логична прогресија, Четвртиот закон на термодинамиката никогаш нема ни да биде откриен, бидејќи ќе треба да го откријат точно нула луѓе!“

Кога Нернст купил голем имот во околината на Берлин, наместо традиционалното сточарство, тој наредил да се ископаат големи езера и почнал масовно да одгледува крапови. Кога Алберт Ајнштајн го прашал зошто се одлучил за вакво необично хоби, Нернст одговорил: „Јас одгледувам само животни кои се термодинамички ефикасни. Погледни ги кравите: тие се топлинокрвни суштества кои трошат огромно количество скапа храна само за да ја одржат својата телесна температура на 37^▫C. Тие ја трошат енергијата на греење на околината! Рибите, од друга страна, се со ладна крв. Нивната температура е иста со температурата на водата. Тие не трошат ниту една калорија за да се греат, па затоа секој грам храна го претворат директно во месо. Тоа е максимален коефициент на корисно дејство!“

Во1905 година Министерството за образование на Прусија се обидувало да му ја намали почетната плата и буџетот за лабораторија, Нернст ладнокрвно ги прекинал државните службеници со зборовите: „Господа, вие мислите дека преговарате со обичен професор кој бара работа. Јас не сум професор, јас сум бренд кој му носи престиж на овој универзитет. Запомнете: Берлин со Нернст е центар на светската наука, а Берлин без Нернст е само уште еден сив, досаден град преполн со владина администрација.“ Се разбира, државата веднаш попуштила.

Знаењето како пречка: Неговата славна изрека „Знаењето е смрт за истражувањето“ со децении ги збунувала неговите студенти. Со неа Нернст сакал да го нападне крутиот академски догматизам. Тој сметал дека во моментот кога еден научник слепо ќе поверува дека во учебниците веќе сè е кажано и докажано, тој престанува да биде вистински истражувач. Напредокот, според Нернст, го носат само оние кои имаат ментална дрскост да се сомневаат во она што сите други го прифаќаат како апсолутна вистина.

Односот помеѓу Валтер Нернст и Алберт Ајнштајн бил исполнет со длабока меѓусебна почит, но и со континуирани пријателски научни надмудрувања. Токму Нернст, кој имал огромно влијание во тогашната Пруска академија на науките, во 1914 година лично отпатувал во Цирих заедно со Макс Планк за да го убеди тогаш младиот и бунтовен Ајнштајн да се пресели во Берлин, нудејќи му позиција целосно ослободена од редовни предавања за да може максимално да се посвети на развојот на општата теорија на релативноста.

Сепак, нивните методолошки пристапи биле дијаметрално различни. Ајнштајн бил чист теоретичар кој работел исклучително со пенкало и хартија, додека Нернст верувал во опипливиот резултат на лабораторискиот апарат. Кога Ајнштајн почнал да работи на квантната теорија за специфичната топлина за да го тестира токму Третиот закон на Нернст, Нернст искоментирал: „Ајнштајн е навистина голем генијалец, но штета што толку малку разбира од практична експериментална хемија, па понекогаш искрено верува дека неговите математички равенки се поважни од она што реално го покажува апаратот во мојата лабораторија.“ Ајнштајн, од друга страна, секогаш му се восхитувал на Нернстовото брзо размислување, пишувајќи дека умот на Нернст имал таков капацитет што неговата свест често пати работела побрзо од самите закони на природата.

Валтер Нернст починал на 18 ноември 1941 година на својот имот во Жибилен, за време на бурните денови на Втората светска војна. Иако неговите последни години биле засенчени од насилната политичка реалност и подемот на нацизмот на кој тој отворено и со презир се спротивставувал, неговото научно наследство останало целосно недопрено и имуно на историските мени.

Тој зад себе остави свет кој благодарение на неговите равенки и закони научи прецизно да ја мери ентропијата, квантитативно да го предвиди однесувањето на јоните во растворите и да ја користи хемиската енергија на едно сосема ново, супериорно квантитативно ниво. За денешните професори, наставници и млади истражувачи, Нернст останува вечна инспирација – жив потсетник дека науката никогаш не смее да биде здодевна, сува и затворена во крути административни рамки. Таа бара чиста страст, малку позитивна лудост, подготвеност да се предизвикаат сите воспоставени авторитети и, пред сè, умот секогаш да се држи ширум отворен за непознатото. Зашто, како што самиот Нернст непобитно докажал со својот живот – вистинското научно истражување и најголемите човечки откритија започнуваат токму таму каде што постоечкото, сигурно знаење завршува.