基本介紹
- 中文名：約西亞·威拉德·吉布斯
- 外文名：Josiah Willard Gibbs
- 國籍：美國
- 出生日期：1839年2月11日
- 逝世日期：1903年4月28日
- 職業：美國物理化學家、數學物理學家
- 畢業院校：耶魯學院
- 主要成就：他創立了向量分析並將其引入數學物理之中
人物簡介,早年,熱力學研究,晚年,評價,錯失諾獎,
人物簡介
約西亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs，1839年2月11日－1903年4月28日），美國物理化學家、數學物理學家。他奠定了化學熱力學的基礎，提出了吉布斯自由能與吉布斯相律。他創立了向量分析並將其引入數學物理之中。
早年
1658年羅伯特·吉布斯從英國來到了麻薩諸塞殖民地的波士頓，他的後代以神職人員居多。1747年羅伯特·吉布斯的孫子亨利·吉布斯和凱瑟琳·威拉德結婚，將兩個家族結合在一起。威拉德家族中學者較多，塞繆爾·威拉德曾於1701-1707年間擔任哈佛大學的代理校長，塞繆爾·威拉德的兒子約西亞·威拉德則被喬治一世任命為麻薩諸塞殖民地的秘書，他的名字也被這一家族一直使用了下來。亨利·吉布斯和凱瑟琳·吉布斯的兒子亨利·吉布斯結婚後不久去世，他的遺孀帶著唯一的兒子約西亞·威拉德·吉布斯搬到了康乃狄克州的紐哈芬，和自己的妹妹瑞貝卡住的近些。
年輕時
年輕時1809年約西亞·威拉德·吉布斯從耶魯學院畢業，後和瑪麗·安娜·范克里夫結婚。范克里夫的祖先中威廉·史密斯則擔任過紐約殖民地的大法官，約納森·狄金森是新澤西學院（後來的普林斯頓大學）的首任校長。范克里夫的父親是新澤西學院的化學教授，外祖父則是數學和自然哲學教授。1826年約西亞·威拉德·吉布斯成為耶魯學院神學著作教授。1839年2月11日約西亞·威拉德·吉布斯生於康乃狄克州的紐哈芬，是家中五個孩子裡第二小的，也是唯一的男孩。
吉布斯是這個家族的第七代，他生於康乃狄克州的紐哈芬，父親是耶魯大學神學院的教授，少時入霍普金斯學校學習，被同學描述為靦腆而孤獨。1854年入耶魯學院學習。並於1858年以很優秀的成績畢業，並在數學和拉丁文方面獲獎。1863年吉布斯以使用幾何方法進行齒輪設計的論文在耶魯學院獲得工程學博士學位，這也使他成為美國的第一個工程學博士。隨後留校任拉丁文助教兩年，自然哲學助教一年。1866年吉布斯前往歐洲留學，分別在巴黎、柏林、海德堡各學習一年，卡爾·魏爾施特拉斯、基爾霍夫、克勞修斯和亥姆霍茲等大師開設的課程讓他受益匪淺。1869年留學三年的吉布斯回到美國繼續任助教，這三年也是他一生中惟一離開紐哈芬的三年。
熱力學研究
1871年吉布斯成為耶魯學院數學物理學教授，也是全美第一個這一學科的教授。由於吉布斯並沒有發表過文章，所以在他擔任這一教職的最初幾年並沒有薪水。吉布斯擔任這一教職一直到去世，他終身未婚，始終和妹妹與妹夫住在離耶魯不遠的一間小屋子裡，過著平靜的生活。在他的堅持下，美國的工程師教育開始注入了理論的因素。1873年34歲的吉布斯才發表他的第一篇重要論文，採用圖解法來研究流體的熱力學，並在其後的論文中提出了三維相圖。麥克斯韋對吉布斯三維圖的思想讚賞不已，親手作了一個石膏模型寄給吉布斯。1876年吉布斯在康乃狄克科學院學報上發表了奠定化學熱力學基礎的經典之作《論非均相物體的平衡》的第一部分。1878年他完成了第二部分。這一長達三百餘頁的論文被認為是化學史上最重要的論文之一，其中提出了吉布斯自由能，化學勢等概念，闡明了化學平衡、相平衡、表面吸附等現象的本質。但由於吉布斯本人的純數學推導式的寫作風格和刊物發行量太小，美國對於純理論研究的輕視等原因，這篇文章在美國大陸沒有引起回應。隨著時間的推移，這篇論文開始受到歐洲大陸同行的重視。1892年由奧斯特瓦爾德譯成德文，1899年由勒·沙特列翻譯為法語。
晚年
1880年，約翰·霍普金斯大學在馬里蘭州的巴爾的摩建立，以3000美元的薪水邀請吉布斯。作為回應，耶魯大學將他的薪水提高到2000美元，但吉布斯仍留在耶魯執教。1880-1884年吉布斯將哈密爾頓的四元數思想與格拉斯曼的外代數理論結合，創立了向量分析，用來解決遇到了彗星軌道的求解問題，通過使用這一方法，吉布斯得到了斯威夫特彗星的軌道，所需計算量遠小於高斯的方法。 1882-1889年吉布斯很聰明地避開對光的本質的討論，套用向量分析建立了一套新的光的電磁理論。1889年之後吉布斯撰寫了一部關於統計力學的經典教科書《統計力學的基本原理》，他使用劉維爾的成果，對玻爾茲曼提出的系綜這一概念進行擴展，從而將熱力學建立在了統計力學的基礎之上。1901年吉布斯獲得當時的科學界最高獎賞柯普利獎章。
評價
* 由於當時的美國教育對實踐知識的看重，吉布斯沒有受到應有的重視。直到1950年才進入紐約大學的名人館，並立半身像紀念。 * 奧斯特瓦爾德認為“無論從形式還是內容上，他賦予了物理化學整整一百年。” * 朗道認為吉布斯“對統計力學給出了適用於任何巨觀物體的最徹底、最完整的形式”。 * 2005年5月4日美國發行“美國科學家”系列紀念郵票，包括吉布斯、馮·諾伊曼、巴巴拉·麥克林托克和理察·費曼。
錯失諾獎
不論是吉布斯還是門捷列夫，都對現代化學產生了深遠影響。19紀70年代，吉布斯在熱力學方面的研究就已經讓他聲名顯赫，但在1901年，第一屆諾貝爾獎卻頒發給了荷蘭科學家范特·霍夫――他的研究是建立在吉布斯的基礎上。1903年，吉布斯去世，從此再也沒有機會進入讓世人敬仰的諾貝爾獎得主名單。
門捷列夫因發現元素周期表，曾很接近諾貝爾獎。1905年和1906年，他都獲得了諾貝爾獎提名，但最終都未獲獎，原因是評審委員會中的一名委員認為，門捷列夫的貢獻太過陳舊，而且已經眾所周知，所以不應給門捷列夫頒獎。1906年的化學獎頒發給了亨利·莫桑（Henri Moissan），獲獎理由是他發現了一些新的元素，但在此之前，門捷列夫就預言了這些元素將被發現。與吉布斯一樣，門捷列夫於1907年去世，徹底與諾貝爾獎無緣。
一個奇怪的問題
『不知道你有沒有想過這個問題，』吉布斯(Josiah Willard Gibbs)教授站在『數學物理』的教室里，對整間耶魯大學的高材生問道。
學生們都坐直身體，拿出紙筆，準備全力應付這門號稱是『耶魯大學最深奧』的一門課。大家心想這個問題一定會把黑板整個塞滿數學符號，讓大家抄得兩手發酸。
滿發灰白，一臉皺紋的吉布斯走到教室邊，好奇地望著天上的白雲好一陣子，彷佛那朵白雲很特別似的。他緩緩地說道：『你們都知道熱水吧？』大家都點點頭，有一點莫名其妙。
又問道：『那冷水呢？』
大家也知道。
『那么如果把一杯熱水靠近一杯冷水，會怎么樣？』
有人忍不住笑出來：『變溫水啊！』
吉布斯把頭轉過來：『為什麼？』
有人答道：『熱量由熱水傳到冷水啊！簡單！』
『是嗎？冷水為什麼不把熱量傳給熱水呢？』
『教授，如果是這樣，冷水就愈來愈冷，熱水就愈來愈熱，這不合理嘛！日常生活經驗不是這樣啊！』
真不曉得最高學府還在討論幼稚園的問題。吉布斯揚一揚眉毛：『不要跟我談經驗，要談道理。為什麼熱量就必須依循這個「固定方向」，由熱水傳到冷水呢？』
『方向？』
『是啊！我再問，為什麼熱水與冷水相遇就會成為二杯溫水，兩杯溫水就不會自己成為一杯熱水、一杯冷水？』大家一臉的迷惘。
『我再問，一塊木頭被火燒了，就成為水、氣體和熱量，那為什麼沒有人能把氣體加水、加熱量又反應成那塊木頭?我們所經驗的宇宙，是不是一直依著一種固定的方向，在進行各種物理的作用或化學的反應？也許大家說這是經驗。那還無法滿足我的問題。我相信這個背後有個原理，有個變因。』
吉布斯在黑板上寫下“entropy”，『我想這個宇宙事物發生的方向，除了基本的能量(energy)、溫度(temperature)、壓力(pressure)、體積(volume)以外，還有這個亂度（entropy），是解釋反應進行方向由低亂度往高亂度方向進行的必要因子。』
這位教授不是一個神經病，而是被公認為十九世紀美國最偉大的數學物理學家。他有天才的頭腦，卻常在思索些白痴般的問題。
多病的孩子
吉布斯生於一八三九年二月十一日，美國康乃狄克州(Connecticut)的新哈芬(New Haven)，這裡是耶魯大學的所在地，他家就在耶魯大學旁邊。
由於從小經常生病，臥病在家的時間比在學校上課的時間多，他的整個童年到少年時期幾乎沒有朋友。生病使他個性退縮，也不會打球、社交，唯一的戶外活動就是到附近的小山，一個人在清新的空氣中慢慢地獨行，這有助於他的肺部，也使他養成善於思考的好習慣。
他的父親是耶魯大學古典文學系的教授，母親更是來自著名的學者世家，幾代的祖先都是大學校長。因為缺課的時間很長，他的父親就教他拉丁文，母親教他數學，成為他最好的老師與朋友。
他母親的教學方式非常特別，喜歡問他問題，然後不時的提示，帶他一起觀察、計算、思考，直到找到答案。例如問他：
『樹幹的形狀怎樣? 』
『是圓形的，媽媽。』
『真的，你量過嗎？』
『沒有，不過我覺得是圓的。』
『覺得？要不要一起量量看啊？』……
『你看真的不是圓的嗎？』
『恩，不完全，不是嗎？為什麼是這種形狀？』
跟媽媽一起學數學，永遠是一把開啟自然秘密的小鑰匙。
家庭變故
可惜爸媽不能陪他很久，在他進入耶魯大學工程系不久，家裡慘遭不幸，一下子奪去了他爸媽與二個妹妹的生命。他痛苦萬分，孤單的生命更孤單了。
耶魯校園小徑上，一個瘦高的年輕人經常在紅楓葉下獨步。從此他更成為一個很少說話的年輕人，後來的科學家常抱怨，如果當年吉布斯多說點，今日熱力學也許就不會這么難讀了。
不久耶魯大學的小教堂里，多了一個沉默的人，他經常一個人長時間在裡面安靜禱告。孤獨的思想與多病的身體、家庭的不幸，這些到底沒有使他倒下去。如果他對生命絕望，也許今天我們的課本，還沒有條理這么完整的向量學、矩陣運算、動力學及熱力學(特別以熱力學為最)。科學上的『動』與『熱』來自他的『靜』與『冷』。雖然父母保護他、陪伴他
會受時間長短的影響，但是上帝的保守與同在是比父母更長久的。
齒輪的幾何
吉布斯慢慢由痛苦的深淵中爬出來，他繼續讀書。在大學裡保持數學的優異，使他在工程系裡更駕輕就熟。一八六O年代美國開始建造橫越大陸的鐵軌，火車運輸的發展一日千里，也帶動美國西部開發的繁榮。
火車的啟動與剎車掣輪都需要各式的齒輪帶動，吉布斯立刻發現到齒輪的設計需要幾何學，使得齒輪間更密合，轉動間更減少磨擦的阻力，不僅減少燃料，也使火車在快速行進下緊急剎車時更為安全。
一八六O年代，除了運輸工程的發達外，美國的教育也蓬勃發展。教育被視為國家潛力最重要的投資。過去的教育都是國小畢業者教國小，中學畢業者教中學，大學畢業者教大學。這時觀念改變了，教育是那么重要，必須大學以上才能教中、國小。那么誰來教大學呢？就需要有更高的博士訓練。這成為『博士』教育的關鍵。吉布斯認為大學教育工作給他提供更多更自由的思考空間，就繼續接受更高的教育。一八六三年，他以『幾何學研究設計火車齒輪』獲得博士學位，是美國歷史上的第一位博士。
不支薪教授
火車齒輪的改良研究，可以給他帶來財富與名氣，但是吉布斯對於這個『熱門』的工程套用就只到此，他思索得愈深就愈回到一些傳統物理學上基本需要突破的癥結點上了。
『如何描述功(work)與熱量(heat)的關係?』傳統牛頓力學對熱的問題幫助不大，需要另外的切入方向。吉布斯在耶魯大學教了三年哲學，覺得周圍環境無法給他解決問題的幫助，就離開耶魯。帶著所剩的二個姐姐安娜(Anna)與茱莉亞(Julia)到歐洲去，一面再學、一面可以使一家人仍在一起。
吉布斯在巴黎、柏林、海森堡各一年，浸淫於各種關於『熱』的物理與數學中。這門理論在歐洲才稍具雛形，是屬於非常冷門的領域。
等到吉布斯回到耶魯大學，才發現學校已經把職位給別人了。這三年他太注意學問，忽略了行政與交際。後來耶魯勉為其難給他一個『數學物理』教授頭街，但是沒有任何薪水。吉布斯竟然同意接受這種委屈的待遇。在他認為，『大學的可貴在提供他一個自由思考的地方』。整整九年，他在大學裡沒有拿任何薪水，只靠父母存留的一點積蓄過活。
冷暖人生
這九年期間吉布斯發表了三篇熱力學的經典之作。他把這三篇寄給世界各地一百四十七個物理、數學的科學家，請他們提供意見。幾乎所有人都讀不懂他的理論，也不知道吉布斯是何許人。吉布斯對各種學術團體發表研究的會議都沒有參加，不擅交際又愛深思的個性，使他在現實的社會裡，幾乎是不存在的邊緣人。這種沒有名氣的文章，有誰肯花腦筋去讀
呢?
有！而且是當時最傑出的科學家，電磁學大師麥克斯韋(Clark Maxwell)。他深深地讚賞吉布斯的文章，於是登高一呼：『這個人對於「熱」的解釋，已經超過所有德國科學家的研究了。』這時大家才恍然大悟，回頭從紙屑堆中找出這三篇文章，好好的研讀。
這時在巴爾的摩(Baltimore)城剛成立不久的約翰·霍浦金斯(John Hopskins)大學，發現吉布斯是個大師級的人物，趕快聘請他。耶魯大學才想起這位九年沒拿薪水的老師，給他只有約翰·霍浦金斯大學三分之二的薪水留他。念舊的吉布斯還是留在耶魯，接受那薪水比較少的工作。
如果由金錢的角度來看他—生的行為與決定，會覺得他是神經病，或是落伍不合時代的人吧!
在學生眼中，他是一位奇怪的教授。常常看到他坐在書桌前，一動不動的看著前方黑板良久；有時在黑板上寫下一些數學式子，又回到書桌前喃喃自語一陣；不然就是低著頭到處慢慢的走著；學生如果問他一些沒有自己事先想過的問題，他常『哼』的一聲不回答。他認為『老師不是用湯匙餵學生，而是像磨刀石磨練學生的思考更精確』，他只接受想過的問題。
數學是什麼?
吉布斯認為『數學是一種語言，學數學的目的在幫助學生，能夠以這種語言與自然有更精確的對話』，『數學不是解題技巧，而是在觀念的推行』，『學習數學在乎專心』，對於數學的喜愛是因為喜愛真實，數學不容許有含糊的東西，沒有急促的結論。如果真理是個靶，在數學的世界裡含糊的推論絕對射不中真理的靶心。在學習數學的漫長時間裡，不像政治或是商業，需要人去宣傳。數學只要是對的，就是對的。
參考書目：
R. J. Seeger, J. Willard Gibbs - men of physics, Pergamon Press.
