Пе́тер Йо́зеф Вильге́льм Деба́й (, ; 24 марта 1884, Маастрихт, Нидерланды — 2 ноября 1966, Итака, США) — нидерландский физик и физикохимик, лауреат Нобелевской премии по химии (1936) и других наград, член многих академий наук и научных обществ.
С именем Дебая связан ряд крупных достижений в теоретической и экспериментальной физике, физической химии, математике. Он предложил модель твёрдого тела, на основе которой объяснил поведение удельной теплоёмкости при низких температурах; характерная температура, ниже которой существенное значение приобретают квантовые эффекты, получила название температуры Дебая. Он теоретически описал влияние тепловых колебаний кристаллической решётки на дифракцию рентгеновских лучей (фактор Дебая — Валлера), совместно с Паулем Шеррером разработал порошковый метод рентгеноструктурного анализа и использовал методы рентгеновского рассеяния для исследования структуры жидкостей и отдельных молекул. Дебай впервые наблюдал дифракцию света на ультразвуке и использовал метод рассеяния света для исследования структуры молекул (в том числе полимеров) и критических явлений. Он развил дипольную теорию диэлектриков, на основе которой объяснил их дисперсионные свойства и некоторые аспекты межмолекулярных взаимодействий. Совместно с Эрихом Хюккелем он разработал теорию слабых растворов сильных электролитов, на основе которой объяснил зависимость коэффициентов активности и проводимости от концентрации. Среди прочих достижений Дебая — разработка метода перевала для вычисления некоторых интегралов специального вида; новый способ вывода формулы Планка; создание квантовой теории нормального эффекта Зеемана; теоретическое объяснение эффекта Комптона; предложение способа достижения низких температур методом адиабатического размагничивания.
Биография
Маастрихт — Ахен (1884—1906)
Петер Дебай (Дебейе) появился на свет 24 марта 1884 года в Маастрихте (провинция Лимбург, Нидерланды). Отец будущего учёного, Йоаннес Вильгельмус Дебейе (Joannes Wilhelmus Debije, 1859—1937), был рабочим или мастером (Werkmeister) в мануфактуре, выпускавшей металлические изделия. Мать, Мария Анна Барбара Реймкенс (Maria Anna Barbara Ruemkens, 1859—1940), в течение многих лет трудилась кассиром в театре, который был важным культурным центром города и завсегдатаем которого был маленький Петер. Через четыре года после рождения сына в семье появился второй ребёнок — девочка, которую назвали Каролиной.
Известно, что в раннем детстве Дебай разговаривал почти исключительно на местном наречии, которым продолжал пользоваться на протяжении всей жизни (например, в переписке с друзьями). По мнению биографа учёного Мэнсела Дэвиса, дух независимости по отношению к остальным Нидерландам, присущий жителям Лимбурга, и регулярные семейные экскурсии в различные города Европы способствовали формированию характера Дебая — независимого и не подверженного влиянию национализма.
Начальное образование Дебай получил в местной католической школе, а в возрасте двенадцати лет поступил в высшую гражданскую школу (Hogere Burgerschool) в Маастрихте и учился в ней в течение пяти лет. В ходе выпускных экзаменов он показал себя лучшим учеником во всей провинции Лимбург, получив высший балл (10) по геометрии, механике, физике, естественной истории и космографии, 9 — по химии и нидерландскому языку, 8 — по алгебре, тригонометрии, черчению, географии, французскому и немецкому языкам. Однако в школе не изучались древние языки (греческий и латинский), поэтому путь к университетскому образованию был для юноши закрыт.
Дебай получил работу в маргариновой фирме Юргенса, позже ставшей частью компании Unilever, но так и не начал там трудиться: родители решили, что ему следует продолжать учёбу и что, несмотря на свои скромные доходы, они обеспечат ему такую возможность. Выбор стоял между Делфтским техническим университетом и Высшей технической школой в Ахене. Стоимость обучения и близость к дому определили выбор в пользу Ахена. Здесь среди его учителей были известные физики — экспериментатор Макс Вин и теоретик Арнольд Зоммерфельд. По завершении обучения, в 1905 году, Дебай защитил дипломную работу по электротехнике, теоретически решив задачу о токах Фуко в прямоугольном проводнике. Однако к этому времени его уже интересовала не столько электротехника, сколько теоретическая физика. Зоммерфельд немедленно распознал способности своего студента и, когда представилась возможность выбрать себе ассистента, остановился на кандидатуре Дебая. К ахенскому периоду, по-видимому, относится и изменение в написании фамилии молодого учёного: в работах, написанных не на голландском языке, он практически неизменно стал подписываться Debye вместо Debije.
От Мюнхена до Берлина (1906—1939)
В 1906 году Дебай последовал за Зоммерфельдом в Мюнхенский университет, где в июле 1908 года защитил докторскую диссертацию под названием «О радуге» (), посвящённую некоторым проблемам теории дифракции электромагнитных волн.
В 1910 году Дебай прошёл процедуру хабилитации и стал приват-доцентом, а весной следующего года получил приглашение занять должность профессора теоретической физики Цюрихского университета, освободившуюся после ухода Альберта Эйнштейна. Последний очень высоко оценивал своего преемника и в октябре 1912 года писал Зоммерфельду: «Я жду от него [Дебая] очень многого, потому что в нём глубокое понимание физики сочетается с редкой математической одарённостью».
Уже весной 1912 года Дебай вернулся на родину и занял пост профессора математической физики и теоретической механики Утрехтского университета, что было связано, вероятно, с желанием экспериментально проверить некоторые свои идеи. Хотя утрехтские годы оказались весьма плодотворными и включают написание важных статей по дисперсии диэлектриков и дифракции рентгеновских лучей, надежды заняться экспериментальной работой не оправдались, и уже в сентябре 1914 года учёный переехал в Гёттинген.
За год до этого, в апреле 1913 года, он женился на Матильде Альберер (Matilde Alberer, 1887—1977), дочери мюнхенского домовладельца, у которого Дебай в своё время снимал жильё. У пары было двое детей — сын Петер Пауль Рупрехт Дебай (Peter Paul Rupprecht Debye, 1916—2012), который стал впоследствии физиком-экспериментатором и помогал отцу в некоторых исследованиях, и дочь Матильда Мария Дебай-Заксингер (Mathilde Maria Debye-Saxinger, 1921—1991).
Инициатором приглашения Дебая в Гёттинген стал знаменитый математик Давид Гильберт, который смог оценить способности молодого учёного во время конференции по кинетической теории материи, состоявшейся в местном университете в апреле 1913 года. Должность профессора теоретической и экспериментальной физики и руководство Физическим институтом (с февраля 1916 года) подразумевали определённые перспективы в плане проведения лабораторных опытов. Отказаться от приглашения было невозможно и по той причине, что в Гёттингене Дебай попадал в компанию выдающихся исследователей: помимо Гильберта, это были математики Феликс Клейн, Эдмунд Ландау, Герман Вейль, Карл Рунге, Рихард Курант и физики Вольдемар Фойгт, Эмиль Вихерт, Теодор фон Карман и другие.
В 1920 году Дебай вернулся в Цюрих (это было во многом связано с тяжёлым экономическим состоянием послевоенной Германии), где занял престижный пост директора Физического института при Высшей технической школе; по его настоянию были обновлены оборудование лабораторий и лекционные курсы, начал регулярную работу научный семинар. Примерно в это же время он стал редактором одного из ведущих европейских физических журналов Physikalische Zeitschrift, в котором было опубликовано большое количество его собственных работ.
В сентябре 1927 года Дебай покинул Цюрих, чтобы стать профессором экспериментальной физики и директором Физического института при Лейпцигском университете. Его коллегой по университету был знаменитый физик-теоретик Вернер Гейзенберг, который много лет спустя вспоминал: «Дебай имел некоторую склонность не напрягаться по поводу окружающего. Он не принадлежал к тому типу учёных, которые приходят в лабораторию рано утром и не покидают её раньше полуночи. Из своей комнаты в институте я часто мог видеть, как он гуляет по своему саду и поливает розы даже в рабочее время. Но в центре его интересов была, несомненно, наука».
В конце 1933 года Макс Планк, тогдашний президент Общества кайзера Вильгельма, предложил Дебаю занять пост директора Института физики, существовавшего в рамках Общества. Дебай ответил согласием, однако из-за затянувшихся переговоров с властями и Рокфеллеровским фондом, финансировавшим строительство и оборудование здания института, лишь в октябре 1935 года переехал в Берлин и официально вступил в должность; одновременно он занял пост профессора Берлинского университета. Строительство завершилось весной 1938 года; по инициативе директора институту было присвоено имя Макса Планка. Ещё до этого, в 1936 году, Дебай был награждён Нобелевской премией по химии «за вклад в наше понимание молекулярной структуры посредством исследований дипольных моментов и дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах» (for his contributions to our knowledge of molecular structure through his investigations on dipole moments and on the diffraction of X-rays and electrons in gases). Хотя к тому моменту вся его карьера была связана с должностями профессора физики, его работы во многом способствовали устранению разрыва между физикой и химией. Сам он неоднократно с удовлетворением отмечал свою принадлежность к обеим наукам.
Современники отмечали полную аполитичность Дебая, желавшего закончить начатую в Берлине работу по обустройству института и отвергавшего поступавшие в то время предложения перебраться за границу. Однако остаться в стороне от событий, происходивших в 1930-е годы в Германии, было невозможно. После начала Второй мировой войны власти решили усилить секретность и уведомили Дебая, что он не сможет посещать свою лабораторию до тех пор, пока не примет германского гражданства. После его отказа учёному было рекомендовано оставаться дома и работать над книгой. В конце 1939 года Дебай получил девятимесячный оплачиваемый отпуск и в январе 1940 года покинул страну, отправился сначала в Швейцарию, затем в Италию и, наконец, из Генуи отплыл в Нью-Йорк. Его жена присоединилась к нему позже, а сын к тому моменту уже около полугода находился в США.
В Америке (1939—1966) Формальным поводом для приезда в США стало приглашение прочитать цикл Бейкеровских лекций на химическом факультете Корнеллского университета. В мае 1940 года Германия вторглась в Нидерланды, поэтому в июле Дебай решил остаться в Корнелле и принять предложение возглавить химический факультет; при этом формально он оставался директором берлинского Института физики (без жалования) до окончания войны, когда Общество кайзера Вильгельма было преобразовано в Общество Макса Планка. Корнелл стал последним местом работы в его долгой карьере. В 1946 году учёный получил американское гражданство, в 1950 году он ушёл в отставку с поста декана, в 1952 — с должности профессора химии, однако, получив звание почетного профессора, до самого конца жизни продолжал заниматься наукой. Он читал лекции и давал консультации в различных городах США, а также обычно дважды в год совершал путешествия в Европу. В апреле 1966 года в аэропорту имени Кеннеди, откуда Дебай собирался начать очередную поездку, у него случился сердечный приступ. Хотя уже через месяц он вернулся к научной деятельности и преподаванию, вскоре ему пришлось вновь лечь в больницу. Учёный продолжал интересоваться работой своей лаборатории до последних дней жизни. Он скончался 2 ноября 1966 года и был похоронен на кладбище Плезант-гроув (Каюга-хайтс, округ Томпкинс, штат Нью-Йорк).
Личные качества