数学者は何でも言うことができるが、物理学者は少なくとも部分的には正気でなければならない。
Josiah Willard Gibbsはアメリカの科学者で、物理学、化学、数学に重大な理論的貢献をした。熱力学の応用に関する彼の研究は、物理化学を厳密な帰納的科学に変えるのに不可欠だった。James Clerk MaxwellおよびLudwig Boltzmannとともに、彼は統計力学を創り出し、その用語を彼が造語した。これは、多くの粒子で構成された物理システムの可能な状態のアンサンブルの統計的性質の結果として熱力学の法則を説明した。Gibbsはまた、物理光学の問題にMaxwellの方程式を応用することに取り組んだ。数学者として、彼はイギリスの科学者Oliver Heavisideとは独立して現代的なベクトル計算を発明し、Heavisideは同じ時期に同様の研究を行った。
1863年、Yaleはgibbsにアメリカで最初の工学博士号を授与した。ヨーロッパでの3年間の滞在の後、Gibbsはキャリアの残りをYaleで過ごし、1871年から彼の死までそこで数学物理学教授だった。比較的孤立した中で働き、彼はアメリカで初期の理論科学者として国際的な評判を得ることになり、Albert Einsteinから「アメリカの歴史における最高の頭脳」と賞賛された。1901年、Gibbsは当時国際科学コミュニティが授与する最高の栄誉と見なされていたロンドン王立協会のコプリーメダルを受け取り、「数学物理学への貢献」に対してであった。
解説者と伝記作家は、20世紀初頭のニューイングランドにおけるGibbsの静かで孤独な人生と、彼の考えの大きな国際的影響とのコントラストについて述べている。彼の研究はほぼ完全に理論的であったが、Gibbsの貢献の実用的価値は20世紀前半の産業化学の発展で明らかになった。Robert A. Milliканによると、純粋科学において、Gibbsは「統計力学と熱力学に対して、Laplaceが天体力学に対し、Maxwellが電磁気学に対して行ったこと、すなわち彼の分野をほぼ完成した理論構造にした」。
伝記
家族背景
Gibbsはコネチカット州New Havenで生まれた。彼は17世紀以来、傑出したアメリカの聖職者と学者を輩出してきた古いヤンキー家族に属していた。彼は5人の子どもの4番目で、Josiah Willard Gibbs Sr.と彼の妻Mary Anna（旧姓Van Cleve）の唯一の息子であった。父方では、彼は1701年から1707年までハーバード大学学長代理を務めたSamuel Willardの子孫だった。母方では、彼の祖先の一人はRev. Jonathan Dickinson（後のプリンストン大学であるニュージャージー大学の初代学長）だった。Gibbsの与えられた名前（彼は父と彼の拡大家族の他の何人かのメンバーと共有していた）は、18世紀にマサチューセッツ湾州の書記だったJosiah Willardという彼の祖先から派生していた。
年上のGibbsは一般的に彼の家族と同僚に「Josiah」として知られていたが、息子は「Willard」と呼ばれていた。Josiah Gibbsは言語学者で神学者で、1824年から1861年に彼が死ぬまでYale Divinity Schoolで聖書文献教授を務めた。彼は今日主に廃止論者として記憶されており、彼はAmistad船のアフリカ人乗客のために通訳者を見つけ、彼らが奴隷として売られることに対する反乱に続く裁判で証言することを可能にした。
教育
Willard Gibbsはホプキンス学校で教育を受け、15歳の時に1854年にYale大学に入学した。Yaleでは、Gibbsは数学とラテン語の優秀さで賞を受け取り、1858年に彼のクラスの上位近くで卒業した。彼はSheffieldサイエンティフィックスクールで大学院生としてYaleに残った。大学を卒業してからすぐに19歳で、Gibbsはコネチカット芸術科学アカデミーに入会された。このアカデミーは主にYale大学の教職員で構成される学者機関であった。
この時期から比較的少数の文書が残っており、Gibbsのキャリアの初期段階の詳細を正確に再構築することは困難である。伝記作家の意見では、Gibbsの主な指導者であり支持者は、おそらくYaleとコネチカット・アカデミーの両方で、隕石の第一人者である天文学者で数学者のHubert Anson Newtonだった。彼はGibbsの生涯の友人で機密保持者だった。1861年の彼の父の死後、Gibbsは彼を経済的に独立させるのに十分なお金を相続した。
反復する肺の問題は若いGibbsを悩ませ、彼の医師は彼が結核の影響を受けやすいかもしれないと懸念していた。結核は彼の母を殺していた。彼はまた乱視に苦しんでいた。その当時、治療はまだ眼科医にはほぼ不慣れだったので、Gibbsは自分で診断し、自分のレンズを研磨しなければならなかった。後年、彼は読書や他の至近距離の作業にのみメガネを使用したが、Gibbsの繊細な健康と不完全な視力は、おそらく彼が1861年から65年の南北戦争で戦うボランティアをしなかった理由を説明している。彼は徴兵されず、戦争中ずっとYaleに留まった。
1863年、Gibbsはアメリカで与えられた初めての哲学博士号（Ph.D.）を工学で受け取った。論文のタイトルは「スパーギアリングにおける車の歯の形」で、彼は幾何学的技術を使用してギアの最適設計を調査した。1861年、Yaleは博士号を提供する最初のアメリカの大学になり、Gibbsのはアメリカで与えられた5番目の博士号だった。
キャリア、1863～73年
卒業後、Gibbsは3年間の任期でカレッジのチューターとして任命された。最初の2年間、彼はラテン語を教え、3年目は「自然哲学」つまり物理学を教えた。1866年に、彼は鉄道ブレーキのデザインを特許取得し、コネチカット・アカデミーの前で論文を読んだ。タイトルは「長さのユニットの適切な大きさ」で、彼は機械で使用される測定単位のシステムを合理化するためのスキームを提案した。
チューターとしての任期が終わった後、Gibbsは彼の妹たちとともにヨーロッパに旅行した。彼らは1866年から67年の冬をパリで過ごし、Gibbsはソルボンヌとコレージュ・ド・フランスで講義に出席した。Joseph LiouvilleやMichel Chaslesなどの傑出した数学科学者による講義だった。厳しい研究制度に従事した後、Gibbsは深刻な風邪をひき、医者は結核を恐れて、彼にリヴィエラで休むことをアドバイスした。そこで彼と彼の妹は数ヶ月を過ごし、彼は完全に回復した。
ベルリンに移動して、Gibbsは数学者Karl WeierstrassおよびLeopold Kroneckerの講義のほか、化学者Heinrich Gustav Magnusの講義に出席した。1867年8月、Gibbsの妹Juliaはベルリンで、Yaleでの彼のクラスメートだったAddison Van Nameと結婚した。新婚夫婦はNew Havenに戻り、GibbsとAnnaという妹をドイツに残した。ハイデルベルグでは、Gibbsは物理学者Gustav KirchhoffおよびHermann von Helmholtzの研究、および化学者Robert Bunsenに触れた。当時、ドイツの学者は自然科学、特に化学と熱力学の第一人者であった。
Gibbsは1869年6月にYaleに戻り、簡潔に工学生にフランス語を教えた。また、この時期頃、彼は蒸気エンジンガバナーの新しいデザインに取り組んでいた。これは彼の機械工学における最後の重大な調査だった。1871年、彼はYaleで数学物理学教授に任命され、アメリカで初めてのこのような教授職であった。独立した手段を持ち、まだ何も発行していなかったGibbsは、大学院生だけを教えるために割り当てられ、給料なしで雇われた。
キャリア、1873～80年
Gibbsは1873年に初めての作品を発表した。熱力学量の幾何学的表現に関する彼の論文はコネチカット・アカデミーのトランザクションに掲載された。これらの論文は異なるタイプの位相図の使用を導入した。これらは、Maxwellが彼の電磁気理論を構築する際に使用した機械モデルではなく、彼が研究を行う際に想像のプロセスを助けることが彼の好みの援助だった。それは対応する現象を完全には表す可能性がない。ジャーナルはGibbsの研究を理解することができる読者が少数だったにもかかわらず、彼はヨーロッパの対応者と抜き刷りを共有し、Cambridge James Clerk Maxwellから熱狂的な応答を受け取った。Maxwellは彼自身の手で、Gibbsの構造を説明する粘土モデルを作成した。その後、彼のモデルの2つの石膏のキャストを製造し、1つをGibbsに郵送した。そのキャストはYale物理部で展示されている。
Maxwellは1875年に発行された彼の「熱の理論」の次の版でGibbsの仕事に関する章を含めた。彼はロンドンの化学協会への講演の中でGibbsのグラフィカルメソッドの有用性を説明し、さらに「図」に関する記事でそれを参照しました。彼がエンサイクロペディア・ブリタニカのために書いた。彼とGibbsの間の協力の見通しは、1879年に48歳で死亡したMaxwellの早期死亡によって短くなった。後にニューヘブンで循環したジョークは、「Gibbsの論文を理解できた唯一の男が住んでいた。それはMaxwellで、今彼は死んでいる」だった。
Gibbsはその後、彼の熱力学分析を多相化学システム、つまり1つ以上の物質の形で構成されたシステムに拡張し、様々な具体的な応用を検討した。彼はその研究を「異種物質の平衡について」というタイトルのモノグラフで説明し、コネチカット・アカデミーによって発行され、それぞれ1875年と1878年に掲載された2つの部分に現れた。約300ページに及び、正確に700の番号が付けられた数学方程式が含まれているその作品は、Rudolf Clausius からの引用で始まり、後に熱力学の第1法則と第2法則と呼ばれるものを表現している。「世界のエネルギーは一定です。世界のエントロピーは最大になる傾向があります。」
Gibbsのモノグラフは、物理化学現象の解釈に厳密かつ巧妙に熱力学的技術を適用し、以前は孤立した事実と観察の塊だったものを説明し、関連付けた。この作品は「熱力学の原理」および「実質的に無制限の範囲」の作品として説明されてきた。それは物理化学の基礎をしっかりと置いた。Gibbsのモノグラフをドイツ語に翻訳したWilhelm Ostwaldは、Gibbsを「化学エネルギーティクスの創始者」と呼んだ。現代のコメンテーターによると、
化学の歴史における最初の重要性のイベントであったその出版は普遍的に認識されている...それにもかかわらず、その数学的形式と厳密な演繹的プロセスが誰にとっても、特に実験化学の学生にとって読むのが難しいという事実が主に原因であり、それが最も関心を持っているものであったため、その価値が一般的に知られるようになる前に数年がありました。
Gibbsは1880年まで無給で働き続け、その時ボルチモア、メリーランド州の新しいJohns Hopkins大学は彼に年間3,000ドルを支払う職を提供した。これに応じて、Yaleは彼に年間2,000ドルの給料を提供し、彼はそれを受け入れることに満足していた。
キャリア、1880～1903年
1880年から1884年まで、Gibbsはヘルマン・グラスマンの外部代数を物理学者のニーズに適した記事計算に発展させることに取り組んだ。この目的のために、Gibbsは2つのベクトルのドット積と外積を区別し、ダイヤドの概念を導入した。同様の仕事は独立して、そしてほぼ同時に、イギリスの数学物理学者およびエンジニアOliver Heavisideによって実施された。Gibbsは、当時イギリスの科学者によって広く使用されていたWilliam Rowan Hamiltonの四元数計算よりもベクトル方向のアプローチの便利さについて他の物理学者を確信させようとした。これは、1890年代初頭、彼をNatureのページで、Peter Guthrie Taitおよび他の人々との論争へと導いた。
Gibbsのベクトル計算に関する講義ノートは、彼の学生の使用のために1881年と1884年に非公開で印刷され、後にEdwin Bidwell Wilsonによってテキストブック「ベクトル分析」に適応され、1901年に発行された。その本は、電気力学と流体力学で今日広く使用されている「del」表記法の普及に役立った。他の数学的な作業では、彼はフーリエ級数の理論の「Gibbs現象」を再発見した。これは彼にも、後の学者にも知られていなかったが、50年前に不明なイギリスの数学者Henry Wilbrahamによって説明されていた。
1882年から1889年まで、Gibbsは物理光学に関する5つの論文を執筆し、複屈折および他の光学現象を調査し、Lord Kelvinおよび他の人々の機械的理論に対してMaxwellの光の電磁気理論を擁護した。彼の光学の仕事は、熱力学の仕事と同じくらい、Gibbsは物質の微視的構造について推測することを意図的に避け、意図的に彼の研究問題を広い一般原則と実験的に確認された事実から解決できるものに限定した。彼が使用した方法は非常に独創的であり、得られた
