諾貝爾物理學獎史演義系列(十)——範德華博士論文解物態

壁虎能在平滑的玻璃上爬行，是因為它腳趾的絨毛分子與玻璃分子產生強大的範德華力。

氣體為何凝聚成液體？氣體的體積、溫度、壓力等要素之間有何聯絡？用數學公式可否表達？150年前，西方科學家對這些問題非常感興趣。前赴後繼研究持續近半個世紀。最後，一位荷蘭物理教師在博士論文中完美解答了這些問題，並由此獲得1910年度諾貝爾物理學獎，論文中的公式則他的名字命名。

自學成才考博士

1873年2月，荷蘭萊頓市春寒料峭，街邊花兒已含苞待放。在城東哈佛商學院的一處實驗室裡，物理教師範德華專心致志地做著關於氧氣的實驗。當他把氧氣透過高壓變為液氧後，運用克拉佩龍物態方程計算的結果與實驗測試的結果並不一樣，他不禁生出疑問。

範德華的諾貝爾獎官方照片（來源：物理雙月刊網）

克拉佩龍物態方程是1837年法國科學院院士伯諾瓦·保羅·埃米爾·克拉佩龍總結出來的熱力學方程，主要描述氣體體積、壓力、溫度等之間的數學關係。此方程包括三方面內容：氣體體積與壓力成反比、與溫度成正比、與粒子數目成正比。

沒過幾年，科學家發現克拉佩龍物態方程有一個缺點，就是它不適用高壓力下氣體與液體的互換描述。換言之，就是此方程只能計算出普通氣壓下氣體各要素之間的關係。科學界有個不成文的現象：當舊理論在一般條件下不適用的時候，新理論就成為科學家們追逐的重點。科學家紛紛加入到新理論的研究中，也包括範德華。

範德華原名約翰尼斯·迪德里克·範·德·瓦耳斯。他父親是萊頓市的普通木匠，生了十個子女。作為長子，範德華很早就擔起大哥的責任，做弟弟妹妹們的表率。在學校是學霸，門門成績都很好，15歲時中學畢業當小學教師，用工資補貼家用。

沒上大學的範德華不甘平庸，他賺錢養家，一邊到當地知名學府萊頓大學旁聽物理、數學和天文學講座。沒過幾年自學成才，他的知識見聞就超過正規大學生。

荷蘭第一所大學，萊頓大學（來源：留學網）

機會是留給有準備的人。1865年，荷蘭政府創立專門服務中高產階級孩子的哈佛商學院，公開招聘教師。範德華透過層層考試，成為該校的物理學教師。他十分珍惜來之不易的機會，一邊兢兢業業教學，一邊從事物理學研究。

要想科學有作為，考取博士是關鍵。範德華深知當時的成功密碼，他報考了萊頓大學的物理博士和數學博士，準備進行論文答辯。

他首先準備的是物理論文，並選擇一塊“硬骨頭”作論文主題，那便是找出克拉佩龍物態方程在高壓下失效的真正原因，並得出新的物態方程。這便是前文他在實驗室裡的疑問。

博士論文創新律

沉醉於氣體狀態研究的範德華教學之餘與顯微鏡、定量儀等打交道。同時，他堅持閱讀同時代的熱力學典籍，麥克斯韋、玻爾茲曼、吉布斯等大咖的作品都給他很多幫助。日子就在繁忙的工作中一天天過去。

範德華的努力沒有白費。1873年6月14日，他的博士論文《論氣態與液態之連續性》在萊頓大學順利透過答辯。他進入歐洲首屈一指的物理學家之列。

在這篇論文中他提到兩個前所未有的理論：一是克拉佩龍物態方程在高壓下失效的真正原因是其沒有考慮氣體分子之間的吸引力；二是創新匯出能應用於高壓氣體下的物態方程，文章中稱這個方程被叫“範德華方程”。

範德華方程，其中a、b為常數（來源：百度）

歐洲乃至全球的科學家都對兩個理論產生興趣。經過多年研究，科學家們終於得知：無論是固體、液體還是氣體，它們的分子或原子之間都存在吸引力。他們把這種吸引力稱為“範德華力”，它對物質的熔點、沸點、溶解度等物理性質都有決定性影響。關於範德華方程，歐洲的科學家除了紛紛進行研究，荷蘭皇家科學院院刊相繼刊載了關於範德華方程的論文。這些論文還被翻譯成其它國語言，以增進世界科學的交流。無怪乎麥克斯韋在《自然》雜誌上發表預言：“毫無疑問地，範德華的名字很快會出現在分子科學的前沿之中。”

再接再厲攀高峰

範德華透過博士論文答辯，一躍成為歐洲科學界的知名人物。面對榮譽，他不驕不躁，繼續向科學高峰攀登。後來，他用函式表示範德華方程，並將方程中的化合物用a或b來代替，這樣更利於計算。由此，科學家先後製出液化氫、液化氦。再後來，範德華把他發現的方程與熱力學第二定律相結合，用數學公式或圖形來表示熱力的各種性質。科學家從範德華的論文入手，得出一個驚人的結論：壁虎之所以能在平滑的玻璃上爬行，是因為它腳趾的絨毛分子與玻璃分子產生了強大的範德華力。