数学家可以说任何他想说的话,但物理学家至少必须保持部分理智。
Josiah Willard Gibbs是一位美国科学家,在物理学、化学和数学领域做出了重要的理论贡献。他在热力学应用方面的工作有助于将物理化学转变为一门严格的归纳科学。他与James Clerk Maxwell和Ludwig Boltzmann一起创立了统计力学——这个术语由他创造,用统计力学解释热力学定律作为由许多粒子组成的物理系统的可能状态集合的统计性质的结果。Gibbs还致力于将Maxwell方程应用于物理光学问题。作为一名数学家,他独立于英国科学家Oliver Heaviside创造了现代向量微积分,Heaviside在同一时期进行了类似的工作。
1863年,Yale大学授予Gibbs第一个美国工程学博士学位。经过三年的欧洲游历后,Gibbs在Yale度过了他职业生涯的其余时间,从1871年直到他去世一直担任数学物理学教授。在相对孤立的环境中工作,他成为美国最早获得国际声誉的理论科学家,并被Albert Einstein称赞为"美国历史上最伟大的思想家"。1901年,Gibbs获得了当时被认为是国际科学界最高荣誉的Copley Medal,这是伦敦皇家学会颁发的,表彰他"对数学物理学的贡献"。
评论家和传记作者都指出了Gibbs在19世纪末新英格兰地区安静、孤独生活与他的思想产生的巨大国际影响之间的对比。虽然他的工作几乎完全是理论性的,但在20世纪上半叶工业化学发展的过程中,Gibbs贡献的实际价值变得显而易见。根据Robert A. Millikan的说法,在纯科学中,Gibbs"对统计力学和热力学所做的,就是Laplace对天体力学所做的,以及Maxwell对电动力学所做的,即使他的领域成为一个几乎完整的理论结构"。
传记
家族背景
Gibbs出生于康涅狄格州New Haven。他属于一个古老的扬基家族,自17世纪以来就产生了杰出的美国神职人员和学者。他是五个孩子中的第四个,也是Josiah Willard Gibbs Sr.和他的妻子Mary Anna(娘家姓Van Cleve)的唯一儿子。在父亲一方,他是Samuel Willard的后代,Samuel Willard在1701年至1707年期间担任Harvard College的代理主席。在母亲一方,他的一位祖先是Rev. Jonathan Dickinson,他是the College of New Jersey(后来的Princeton University)的第一任主席。Gibbs的名字,他与他的父亲和他的几位远亲共享,来自他的祖先Josiah Willard,他在18世纪曾担任the Province of Massachusetts Bay的Secretary。
长者Gibbs通常被他的家人和同事称为"Josiah",而他的儿子被称为"Willard"。Josiah Gibbs是一位语言学家和神学家,从1824年直到1861年去世一直在Yale Divinity School担任圣文学教授。他今天主要被记忆为废奴主义者,他为船舶Amistad的非洲乘客找到了一名翻译,使他们能够在反抗被奴役的叛乱之后的审判中作证。
教育
Willard Gibbs在Hopkins School接受教育,于1854年进入Yale College,当时他15岁。在Yale,Gibbs因在数学和拉丁语方面的卓越成绩获得奖项,并于1858年毕业,成绩在班级的上游。他作为Sheffield Scientific School的研究生留在Yale。在大学毕业后不久,19岁的Gibbs被纳入Connecticut Academy of Arts and Sciences,这是一个主要由Yale教师组成的学术机构。
这个时期的文献相对较少,很难精确重建Gibbs早期职业生涯的细节。根据传记作者的意见,Gibbs在Yale和Connecticut Academy中的主要导师和支持者可能是天文学家和数学家Hubert Anson Newton,他是流星权威的领导人,终身是Gibbs的朋友和知己。在他的父亲于1861年去世后,Gibbs继承了足够的金钱使他在经济上独立。
年轻的Gibbs经常患有肺部疾病,他的医生担心他可能容易患结核病,这种疾病曾杀死了他的母亲。他还患有散光,其治疗在当时对眼科医生来说仍然基本陌生,所以Gibbs不得不自己诊断并磨制自己的镜片。虽然在后来的年代他只在阅读或其他近距离工作时才戴眼镜,但Gibbs脆弱的健康和不完美的视力可能解释了为什么他没有志愿参加1861-65年的内战。他没有被征募,他在战争期间留在了Yale。
1863年,Gibbs获得了美国第一个工程哲学博士(Ph.D.)学位,论文题为"论直齿轮齿轮的齿形",其中他使用几何技术来研究齿轮的最优设计。1861年,Yale成为美国第一所提供Ph.D.学位的大学,Gibbs的是美国任何学科中仅有的第五个Ph.D.。
职业生涯,1863-73
毕业后,Gibbs被任命为学院的家教,任期三年。在前两年,他教拉丁语,在第三年,他教"自然哲学"即物理学。1866年,他为铁路制动器设计申请了专利,并在Connecticut Academy前发表了一篇题为"长度单位的适当大小"的论文,其中他提出了一个使机械学中使用的测量单位制系统合理化的方案。
在家教任期结束后,Gibbs与他的姐妹一起前往欧洲。他们在1866-67年的冬季在巴黎度过,在那里Gibbs参加了Sorbonne和Collège de France的讲座,讲师包括Joseph Liouville和Michel Chasles等杰出的数学科学家。在进行了一项严苛的研究计划后,Gibbs患上了一场严重的感冒,一位医生担心结核病,建议他在Riviera休息,他和他的姐妹在那里度过了几个月,他完全康复了。
迁居柏林后,Gibbs参加了数学家Karl Weierstrass和Leopold Kronecker以及化学家Heinrich Gustav Magnus讲授的讲座。1867年8月,Gibbs的姐妹Julia在柏林与Addison Van Name结婚,Addison Van Name是Gibbs在Yale的同学。新婚夫妇返回New Haven,留下Gibbs和他的姐妹Anna在德国。在Heidelberg,Gibbs接触到了物理学家Gustav Kirchhoff和Hermann von Helmholtz以及化学家Robert Bunsen的工作。当时,德国学者是自然科学尤其是化学和热力学的领导权威。
Gibbs于1869年6月返回Yale,并简要地为工程学学生教授法语。可能也正是在这个时期,他从事了蒸汽机调节器的新设计工作,这是他在机械工程方面的最后一项重要研究。1871年,他被任命为Yale的数学物理学教授,这是美国第一个这样的教授职位。拥有独立资产且尚未发表任何东西的Gibbs被分配专门教授研究生,并被聘用时没有薪资。
职业生涯,1873-80
Gibbs在1873年发表了他的第一部作品。他关于热力学量的几何表示的论文出现在Connecticut Academy的Transactions中。这些论文介绍了不同类型相图的使用,这些是他在进行研究时做想象过程中最喜欢的辅助工具,而不是Maxwell在构造其电磁理论时使用的机械模型,这些模型可能无法完全代表其对应的现象。虽然该杂志的读者很少能够理解Gibbs的工作,但他与欧洲的通信者分享了重印本,并收到了来自Cambridge的James Clerk Maxwell的热情回应。Maxwell甚至亲手制作了一个粘土模型来说明Gibbs的构造。他随后制作了他的模型的两个石膏模型,将其中一个邮寄给了Gibbs。这个模型目前在Yale物理系展示。
Maxwell在1875年出版的他的《Theory of Heat》的下一版中包含了关于Gibbs工作的一章。他在伦敦化学学会的讲座中解释了Gibbs图形方法的有用性,甚至在他为Encyclopædia Britannica撰写的"Diagrams"文章中提到了它。他与Gibbs的合作前景被Maxwell在1879年因年仅48岁的早逝而打断。后来在New Haven流传的笑话是"只有一个人活着能够理解Gibbs的论文。那就是Maxwell,现在他死了。"
随后Gibbs将他的热力学分析扩展到多相化学系统,即由多种物质形式组成的系统,并考虑了各种具体应用。他在一部题为"论杂质物质的平衡"的专著中描述了该研究,由Connecticut Academy出版,分别在1875年和1878年出现的两部分。这部作品覆盖了大约三百页,包含整整七百个编号的数学方程,以Rudolf Clausius的一句引言开始,该引言表达了后来被称为热力学第一和第二定律的内容:"世界的能量是恒定的。世界的熵倾向于最大值。"
Gibbs的专著严格而聪慧地将他的热力学技术应用于物理化学现象的解释,解释并关联了以前是孤立事实和观察的大量内容。这部作品被描述为"热力学的Principia"和"实践上范围无限的作品"。它为物理化学奠定了坚实的基础。将Gibbs的专著翻译成德语的Wilhelm Ostwald将Gibbs称为"化学能学的创始人"。根据现代评论者的说法,
普遍认为其出版是化学历史上第一重要的事件 ...然而,在其价值被普遍认可之前,还有好几年的时间,这种延迟在很大程度上是因为其数学形式和严格的演绎过程使任何人都很难理解,尤其是对最关心这一问题的实验化学学生来说。
Gibbs继续无报酬工作,直到1880年,当时位于马里兰州Baltimore的新Johns Hopkins University为他提供了一个年薪3,000美元的职位。作为回应,Yale为他提供了年薪2,000美元,他乐意接受。
职业生涯,1880-1903
从1880年到1884年,Gibbs致力于将Hermann Grassmann的外部代数发展成一个适合物理学家需要的向量微积分。为此,Gibbs区分了两个向量的点积和叉积,并引入了二阶张量的概念。类似的工作由英国数学物理学家和工程师Oliver Heaviside独立地进行,并在大约相同的时间进行。Gibbs试图说服其他物理学家接受向量方法相对于当时被英国科学家广泛使用的William Rowan Hamilton的四元数微积分的便利性。这导致他在1890年代初在Nature杂志上与Peter Guthrie Tait和其他人发生了争议。
Gibbs关于向量微积分的讲义在1881年和1884年为他的学生私下出版,后来由Edwin Bidwell Wilson改编成教科书《Vector Analysis》,于1901年出版。这本书帮助推广了在电动力学和流体力学中广泛使用的"del"符号。在其他数学工作中,他重新发现了Fourier级数理论中的"Gibbs现象",不为他和后来学者所知,这曾在五十年前由一位鲜为人知的英国数学家Henry Wilbraham描述过。
从1882年到1889年,Gibbs撰写了五篇关于物理光学的论文,其中他研究了双折射和其他光学现象,并为Maxwell的光的电磁理论辩护,反对Lord Kelvin和其他人的机械理论。在他关于光学的工作中,正如在他关于热力学的工作中一样,Gibbs故意避免推测物质的微观结构,并有意地将他的研究问题限制在那些可以从广泛的一般原则和实验确认的事实中解决的问题。他使用的方法是高度原创的,所获得的
