Un matemático puede decir cualquier cosa que le plazca, pero un físico debe estar al menos parcialmente cuerdo.
Josiah Willard Gibbs fue un científico estadounidense que hizo contribuciones teóricas significativas a la física, química y matemáticas. Su trabajo sobre las aplicaciones de la termodinámica fue fundamental en la transformación de la química física en una ciencia inductiva rigurosa. Junto con James Clerk Maxwell y Ludwig Boltzmann, creó la mecánica estadística, un término que él acuñó, explicando las leyes de la termodinámica como consecuencias de las propiedades estadísticas de conjuntos de posibles estados de un sistema físico compuesto por muchas partículas. Gibbs también trabajó en la aplicación de las ecuaciones de Maxwell a problemas en óptica física. Como matemático, inventó el cálculo vectorial moderno independientemente del científico británico Oliver Heaviside, quien realizó trabajo similar durante el mismo período.
En 1863, Yale otorgó a Gibbs el primer doctorado estadounidense en ingeniería. Después de una estancia de tres años en Europa, Gibbs pasó el resto de su carrera en Yale, donde fue profesor de física matemática desde 1871 hasta su muerte. Trabajando en relativo aislamiento, se convirtió en el primer científico teórico de Estados Unidos en obtener una reputación internacional y fue elogiado por Albert Einstein como "la mente más grande en la historia estadounidense". En 1901, Gibbs recibió lo que entonces se consideraba el honor más alto otorgado por la comunidad científica internacional, la Medalla Copley de la Royal Society of London, "por sus contribuciones a la física matemática".
Los comentaristas y biógrafos han observado el contraste entre la vida tranquila y solitaria de Gibbs en Nueva Inglaterra a finales de siglo y el gran impacto internacional de sus ideas. Aunque su trabajo fue casi enteramente teórico, el valor práctico de las contribuciones de Gibbs se hizo evidente con el desarrollo de la química industrial durante la primera mitad del siglo XX. Según Robert A. Millikan, en la ciencia pura, Gibbs "hizo por la mecánica estadística y la termodinámica lo que Laplace hizo por la mecánica celeste y Maxwell por la electrodinámica, es decir, convirtió su campo en una estructura teórica prácticamente completa".
Biografía
Trasfondo familiar
Gibbs nació en New Haven, Connecticut. Pertenecía a una antigua familia Yankee que había producido destacados clérigos y académicos estadounidenses desde el siglo XVII. Era el cuarto de cinco hijos y el único hijo de Josiah Willard Gibbs Sr. y su esposa Mary Anna, de soltera Van Cleve. Por parte de su padre, descendía de Samuel Willard, quien sirvió como Presidente interino del Harvard College de 1701 a 1707. Por parte de su madre, uno de sus antepasados fue el Rev. Jonathan Dickinson, el primer presidente de la College of New Jersey, posteriormente Princeton University. El nombre de Gibbs, que compartía con su padre y varios otros miembros de su familia extendida, derivaba de su antepasado Josiah Willard, quien había sido Secretario de la Province of Massachusetts Bay en el siglo XVIII.
El Gibbs mayor era generalmente conocido por su familia y colegas como "Josiah", mientras que el hijo era llamado "Willard". Josiah Gibbs fue un lingüista y teólogo que sirvió como profesor de literatura sagrada en Yale Divinity School desde 1824 hasta su muerte en 1861. Hoy es recordado principalmente como el abolicionista que encontró un intérprete para los pasajeros africanos del barco Amistad, permitiéndoles testificar durante el juicio que siguió a su rebelión contra ser vendidos como esclavos.
Educación
Willard Gibbs fue educado en la Hopkins School e ingresó en Yale College en 1854 a los 15 años. En Yale, Gibbs recibió premios por excelencia en matemáticas y latín, y se graduó en 1858, cerca de la parte superior de su clase. Se quedó en Yale como estudiante de posgrado en la Sheffield Scientific School. A los 19 años, poco después de su graduación de la universidad, Gibbs fue incorporado a la Connecticut Academy of Arts and Sciences, una institución académica compuesta principalmente por miembros de la facultad de Yale.
Relativamente pocos documentos del período sobreviven y es difícil reconstruir los detalles de la carrera inicial de Gibbs con precisión. En opinión de los biógrafos, el principal mentor y defensor de Gibbs, tanto en Yale como en la Connecticut Academy, fue probablemente el astrónomo y matemático Hubert Anson Newton, una autoridad destacada en meteoritos, que fue el amigo íntimo y confidente de Gibbs de por vida. Después de la muerte de su padre en 1861, Gibbs heredó suficiente dinero para hacerlo financieramente independiente.
Los problemas pulmonares recurrentes afligieron al joven Gibbs y sus médicos estaban preocupados de que pudiera ser susceptible a la tuberculosis, que había matado a su madre. También sufría de astigmatismo, cuyo tratamiento entonces aún era en gran medida desconocido para los oculistas, por lo que Gibbs tuvo que diagnosticarse a sí mismo y pulir sus propias lentes. Aunque en años posteriores solo usaba gafas para leer u otro trabajo de cerca, la delicada salud de Gibbs y su visión imperfecta probablemente expliquen por qué no se ofreció como voluntario para luchar en la Guerra Civil de 1861–65. No fue reclutado y se quedó en Yale durante toda la guerra.
En 1863, Gibbs recibió el primer Doctorado en Filosofía (Ph.D.) en ingeniería otorgado en Estados Unidos, por una tesis titulada "On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing", en la que utilizó técnicas geométricas para investigar el diseño óptimo para engranajes. En 1861, Yale se había convertido en la primera universidad estadounidense en ofrecer un grado de Ph.D. y el de Gibbs fue solo el quinto Ph.D. otorgado en Estados Unidos en cualquier materia.
Carrera, 1863–73
Después de la graduación, Gibbs fue nombrado tutor en la universidad por un período de tres años. Durante los dos primeros años, enseñó latín y durante el tercer año, enseñó "filosofía natural", es decir, física. En 1866, patentó un diseño para un freno ferroviario y presentó un artículo ante la Connecticut Academy, titulado "The Proper Magnitude of the Units of Length", en el que propuso un esquema para racionalizar el sistema de unidades de medida utilizado en mecánica.
Después de que terminó su período como tutor, Gibbs viajó a Europa con sus hermanas. Pasaron el invierno de 1866–67 en París, donde Gibbs asistió a conferencias en la Sorbonne y el Collège de France, impartidas por destacados matemáticos como Joseph Liouville y Michel Chasles. Habiendo realizado un régimen agotador de estudio, Gibbs contrajo un resfriado grave y un médico, temiendo tuberculosis, le aconsejó descansar en la Riviera, donde él y sus hermanas pasaron varios meses y donde se recuperó completamente.
Mudándose a Berlin, Gibbs asistió a las conferencias dictadas por los matemáticos Karl Weierstrass y Leopold Kronecker, así como por el químico Heinrich Gustav Magnus. En agosto de 1867, la hermana de Gibbs, Julia, se casó en Berlin con Addison Van Name, quien había sido compañero de clase de Gibbs en Yale. La pareja recién casada regresó a New Haven, dejando a Gibbs y su hermana Anna en Alemania. En Heidelberg, Gibbs fue expuesto al trabajo de los físicos Gustav Kirchhoff y Hermann von Helmholtz, y del químico Robert Bunsen. En ese momento, los académicos alemanes eran las principales autoridades en las ciencias naturales, especialmente en química y termodinámica.
Gibbs regresó a Yale en junio de 1869 y enseñó brevemente francés a estudiantes de ingeniería. Fue probablemente también alrededor de esta época que trabajó en un nuevo diseño para un regulador de motor de vapor, su última investigación significativa en ingeniería mecánica. En 1871, fue nombrado Profesor de Física Matemática en Yale, la primera cátedra de este tipo en Estados Unidos. Gibbs, que tenía medios independientes y aún no había publicado nada, fue asignado para enseñar únicamente a estudiantes de posgrado y fue contratado sin salario.
Carrera, 1873–80
Gibbs publicó su primer trabajo en 1873. Sus artículos sobre la representación geométrica de cantidades termodinámicas aparecieron en las Transactions of the Connecticut Academy. Estos artículos introdujeron el uso de diferentes diagramas de fase de tipo, que eran sus ayudas favoritas para el proceso imaginativo al hacer investigación, en lugar de los modelos mecánicos, como los que Maxwell usó en la construcción de su teoría electromagnética, que podrían no representar completamente sus fenómenos correspondientes. Aunque la revista tenía pocos lectores capaces de entender el trabajo de Gibbs, compartió separatas con corresponsales en Europa y recibió una respuesta entusiasta de James Clerk Maxwell en Cambridge. Maxwell incluso hizo, con sus propias manos, un modelo de arcilla que ilustraba la construcción de Gibbs. Luego produjo dos moldes de yeso de su modelo y envió uno a Gibbs por correo. Ese molde está en exhibición en el departamento de física de Yale.
Maxwell incluyó un capítulo sobre el trabajo de Gibbs en la siguiente edición de su Theory of Heat, publicada en 1875. Explicó la utilidad de los métodos gráficos de Gibbs en una conferencia a la Chemical Society of London e incluso se refirió a él en el artículo sobre "Diagrams" que escribió para la Encyclopædia Britannica. Las perspectivas de colaboración entre él y Gibbs se vieron interrumpidas por la muerte prematura de Maxwell en 1879, a los 48 años. La broma que circuló más tarde en New Haven fue que "solo un hombre vivía que pudiera entender los artículos de Gibbs. Ese era Maxwell, y ahora está muerto".
Gibbs luego extendió su análisis termodinámico a sistemas químicos multifásicos, es decir, a sistemas compuestos por más de una forma de materia, y consideró una variedad de aplicaciones concretas. Describió esa investigación en una monografía titulada "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", publicada por la Connecticut Academy en dos partes que aparecieron respectivamente en 1875 y 1878. Ese trabajo, que cubre aproximadamente trescientas páginas y contiene exactamente setecientas ecuaciones matemáticas numeradas, comienza con una cita de Rudolf Clausius que expresa lo que más tarde se llamaría la primera y segunda leyes de la termodinámica: "La energía del mundo es constante. La entropía del mundo tiende hacia un máximo".
La monografía de Gibbs aplicó rigurosa e ingeniosamente sus técnicas termodinámicas a la interpretación de fenómenos fisicoquímicos, explicando y relacionando lo que anteriormente había sido una masa de hechos y observaciones aisladas. La obra ha sido descrita como "la Principia de la termodinámica" y como una obra de "alcance prácticamente ilimitado". Sentó solidamente la base para la Química Física. Wilhelm Ostwald, quien tradujo la monografía de Gibbs al alemán, se refirió a Gibbs como el "fundador de la energética química". Según los comentaristas modernos,
Se reconoce universalmente que su publicación fue un evento de la primera importancia en la historia de la química ... Sin embargo, pasó un número de años antes de que su valor fuera generalmente conocido, este retraso se debió en gran medida al hecho de que su forma matemática y sus procesos deductivos rigurosos hacen que sea una lectura difícil para cualquiera, y especialmente para estudiantes de química experimental a quienes le concierne más.
Gibbs continuó trabajando sin paga hasta 1880, cuando la nueva Johns Hopkins University en Baltimore, Maryland le ofreció un puesto con un salario de $3,000 por año. En respuesta, Yale le ofreció un salario anual de $2,000, que estaba contento de aceptar.
Carrera, 1880–1903
De 1880 a 1884, Gibbs trabajó en el desarrollo del álgebra exterior de Hermann Grassmann en un cálculo vectorial bien adaptado a las necesidades de los físicos. Con este objetivo, Gibbs distinguió entre los productos punto y cruz de dos vectores e introdujo el concepto de diádicas. Trabajo similar fue realizado independientemente, y aproximadamente al mismo tiempo, por el físico matemático e ingeniero británico Oliver Heaviside. Gibbs buscó convencer a otros físicos de la conveniencia del enfoque vectorial sobre el cálculo de cuaterniones de William Rowan Hamilton, que era ampliamente utilizado por científicos británicos. Esto lo llevó, a principios de los años 1890, a una controversia con Peter Guthrie Tait y otros en las páginas de Nature.
Las notas de clase de Gibbs sobre cálculo vectorial fueron impresas de forma privada en 1881 y 1884 para uso de sus estudiantes, y fueron posteriormente adaptadas por Edwin Bidwell Wilson en un libro de texto, Vector Analysis, publicado en 1901. Ese libro ayudó a popularizar la notación "del" que se usa ampliamente hoy en electrodinàmica y mecánica de fluidos. En otro trabajo matemático, redescubrió el "fenómeno de Gibbs" en la teoría de series de Fourier que, sin saberlo él ni los estudiosos posteriores, había sido descrito cincuenta años antes por un oscuro matemático inglés, Henry Wilbraham.
De 1882 a 1889, Gibbs escribió cinco artículos sobre óptica física, en los que investigó la birrefringencia y otros fenómenos ópticos y defendió la teoría electromagnética de la luz de Maxwell contra las teorías mecánicas de Lord Kelvin y otros. En su trabajo sobre óptica, así como en su trabajo sobre termodinámica, Gibbs deliberadamente evitó especular sobre la estructura microscópica de la materia y propositivamente limitó sus problemas de investigación a aquellos que pueden ser resueltos desde principios generales amplios y hechos confirmados experimentalmente. Los métodos que utilizó fueron altamente originales y el obtenido
