Джоза́йя Уи́ллард Гиббс (; 1839—1903) — американский , , и , один из создателей векторного анализа, статистической физики, математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие современных точных наук и естествознания в целом. Образ Гиббса запечатлён в «Галерее славы великих американцев». Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, правило фаз Гиббса, уравнения Гиббса — Гельмгольца, уравнения Гиббса — Дюгема, лемма Гиббса, треугольник Гиббса — Розебома и др.

В 1901 году Гиббс был удостоен высшей награды международного научного сообщества того времени (присуждаемой каждый год только одному учёному) — Медали Копли Лондонского королевского общества — за то, что он стал «первым, кто применил второй закон термодинамики для всестороннего рассмотрения соотношения между химической, электрической и тепловой энергией и способностью к совершению работы»Josiah Willard Gibbs , Британника, 1911.

Биография

Ранние годы Гиббс родился 11 февраля 1839 года в городе Нью-Хейвен, штат Коннектикут. Его отец, профессор духовной литературы в Йельской богословской школе (впоследствии вошедшей в состав Йельского университета), был известен в связи с его участием в судебном процессе, называвшемся Amistad. Хотя отца тоже звали Джозайя Уиллард, с именем сына никогда не употребляли «младший»: кроме того, пять других членов семьи носили то же имя. Дед по материнской линии также был выпускником Йельского университета в области литературы. После обучения в Хопкинс-школе, в возрасте 15 лет Гиббс поступил в Йельский колледж. В 1858 году он окончил колледж в числе лучших в своем классе и был премирован за успехи в математике и латыни.

Годы зрелости В 1863 году по решению в Йеле Гиббс был удостоен первой в США степени доктора философии (PhD) по техническим наукам за диссертацию «О форме зубцов колёс для зубчатой передачи». Последующие годы он преподавал в Йеле: два года вёл латынь и ещё год — то, что впоследствии было названо натурфилософией и сравнимо с современным понятием «естественные науки». В 1866 году он уехал в Европу для продолжения учёбы, проводя по одному году в Париже, Берлине и затем — в Гейдельберге, где он встречает Кирхгофа и Гельмгольца. В то время немецкие учёные были ведущими авторитетами в химии, термодинамике и фундаментальных естественных науках. Эти три года, собственно, и составляют ту часть жизни учёного, которую он провёл за пределами Нью-Хейвена.

В 1869 году он вернулся в Йель, где в 1871 году был назначен профессором математической физики (это была первая подобная должность в Соединённых Штатах) и занимал этот пост всю оставшуюся жизнь.

Позиция профессора была поначалу неоплачиваемой — ситуация, типичная для того времени (особенно для Германии), и Гиббс должен был публиковать свои статьи. В 1876—1878 годах он пишет ряд статей по анализу многофазных химических систем графическим методом. Позже они были изданы в монографии «О равновесии гетерогенных веществ» (On the Equilibrium of Heterogeneous Substances), наиболее известной его работе. Этот труд Гиббса рассматривается как одно из величайших научных достижений XIX века и одна из фундаментальных работ по физической химии. В своих статьях Гиббс применил термодинамику для объяснения физико-химических явлений, связав то, что ранее было набором отдельных фактов.

«Общепризнано, что издание этой монографии было событием первостепенной важности в истории химической науки. Тем не менее, потребовалось несколько лет, прежде чем было до конца осознанно её значение; задержка была главным образом обусловлена тем, что используемая математическая форма и строгие дедуктивные приёмы делают чтение трудным для любого, и особенно для студентов в области экспериментальной химии, к которым это имело наибольшее отношение…» J. J. O’Connor and E. F. Robertson, «J. Willard Gibbs» .

Важнейшие разделы, освещённые в других его статьях о гетерогенных равновесиях, включают:

Концепции химического потенциала и свободной энергии Модель ансамбля Гиббса, основу статистической механики Правило фаз Гиббса

Гиббс публиковал и работы по теоретической термодинамике. В 1873 году вышла его статья о геометрическом представлении термодинамических величин. Эта работа вдохновила Максвелла изготовить пластиковую модель (так называемую термодинамическую поверхность Максвелла), иллюстрирующую гиббсовский конструкт. Модель была впоследствии отослана Гиббсу и в настоящее время хранится при Йельском университете.

Поздние годы В 1880 году вновь открывшийся Университет Джонса Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, предложил Гиббсу позицию за 3 тыс. долларов, на что Йель ответил увеличением жалованья до 2 тыс. долларов. Но Гиббс не оставил Нью-Хейвен. С 1879 по 1884 год он объединяет идеи двух математиков — Уильяма Гамильтона с его «теорией кватернионов» и Германа Грассмана с его «внешней алгеброй» — и создаёт (независимо от британского физика и инженера Оливера Хевисайда) векторный анализ; курс векторного анализа Гиббс сначала читает в Йельском университете, а в 1884 году издаёт отдельной книгой.

В 1884—1889 годах Гиббс вносит усовершенствования в векторный анализ, пишет труды по оптике, развивает новую электрическую теорию света. Он намеренно избегает теоретизирования касательно строения вещества, что было мудрым решением ввиду последовавших революционных событий в физике субатомных частиц и квантовой механике. Его химическая термодинамика была вещью более универсальной, чем любая другая существовавшая в то время химическая теория.

После 1889 года он продолжает работу над статистической термодинамикой, «оснащая квантовую механику и теории Максвелла математическим каркасом». Он пишет классические учебники по статистической термодинамике, которые выходят в 1902 году Гиббс внёс также вклад в кристаллографию и применил свой векторный метод к расчёту планетарных и кометных орбит.

Об именах и карьере его студентов известно немногое. Гиббс никогда не был женат и всю жизнь прожил в отцовском доме вместе с сестрой и зятем, библиотекарем в Йеле. Он был настолько сконцентрирован на науке, что был, как правило, недоступен для личных интересов. Американский математик рассказывал: «Вне стен учебной аудитории я видел его крайне мало. У него была привычка пойти прогуляться после полудня по улочкам между его кабинетом в старой лаборатории и домом — небольшая зарядка в перерыве между работой и обедом — и тогда можно было иногда встретить его». Гиббс умер в Нью-Хейвене и похоронен на кладбище Гроув-стрит.

Научное признание Признание пришло к учёному не сразу (в частности, потому что Гиббс в основном публиковался в «Transactions of the Connecticut Academy of Sciences» — журнале, издаваемом под редакцией его зятя-библиотекаря, мало читаемом в Соединённых Штатах и ещё меньше в Европе). Поначалу лишь немногие европейские физики-теоретики и химики (в их числе был, например, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл) обратили внимание на его работу. Лишь после того, как статьи Гиббса были переведены на немецкий (Вильгельмом Оствальдом в 1892 году) и французский (Анри Луи ле Шателье в 1899 году) языки, его идеи получили широкое распространение в Европе. Его теория правила фаз была экспериментально подтверждена в работах Х. В. Бакхёйса Розебома, который продемонстрировал её применимость в различных аспектах.

На родном континенте Гиббс был оценён даже меньше. Тем не менее, он был признан, и в 1880 году Американская академия искусств и наук присудила ему премию Румфорда за работы по термодинамикеMüller, Ingo. A History of Thermodynamics — the Doctrine of Energy and Entropy. Springer, 2007. ISBN 978-3-540-46226-2.. А в 1910 году в память об учёном Американское химическое общество по инициативе Уильяма Конверса учредило Медаль Уилларда Гиббса.

Американские школы и колледжи того времени акцентировались на традиционных дисциплинах, а не на науке, и студенты мало интересовались его лекциями в Йеле. Знакомые Гиббса так описывали его работу в Йеле:

«Свои последние годы жизни он оставался высоким, благородным джентльменом со здоровой походкой и здоровым цветом лица, справляющимся со своими обязанностями по дому, доступным и отзывчивым к студентам. Гиббса высоко ценили друзья, но американская наука была чересчур озабочена практическими вопросами, чтобы применять его основательные теоретические работы в период его жизни. Он проживал свою тихую жизнь в Йеле и глубоко восхищался несколькими способными студентами, не производя на американских учёных первого впечатления, сопоставимого с его талантом». (Кроутер, 1969)

Не следует думать, что при жизни Гиббс был малоизвестен. Например, математик , просматривая стеллажи с литературой по математике в Библиотеке Стерлинга (при Йельском Университете), наткнулся на написанный от руки Гиббса и прикреплённый к какому-то конспекту список адресатов. Список насчитывал свыше двухсот заметных математиков того времени, в том числе Пуанкаре, Гильберта, Больцмана и Маха. Можно прийти к выводу, что среди корифеев науки труды Гиббса были более известны, чем о них свидетельствует печатный материал.

Достижения Гиббса, однако, были окончательно признаны лишь с появлением в 1923 году публикации Гильберта Ньютона Льюиса и «Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances», которая познакомила с методами Гиббса химиков из различных университетов. Эти же методы легли, по большей части, в основу химической технологии.

Список академий и обществ, членом которых он являлся, включает академию искусств и наук Коннектикута, Национальную академию наук, Американское философское общество, Голландское научное общество, Хаарлем; Королевское научное общество, Геттинген; Королевский институт Великобритании, Кембриджское философское общество, Лондонское Математическое общество, Манчестерское литературное и философское общество, Королевскую академию Амстердама, Лондонское королевское общество, Королевскую Прусскую академии в Берлине, Французский институт, Физическое общество Лондона, и Баварскую академию наук.

Согласно Американскому математическому обществу, учредившему в 1923 году так называемые «Гиббсовские лекции» для поднятия всеобщей компетенции в математических подходах и приложениях, Гиббс был величайшим из учёных, когда-либо рождённых на американской землеJosiah Willard Gibbs Lectures , American Mathematical Society.

Содержание научных работ

Химическая термодинамика Основные работы Гиббса относятся к химической термодинамике и статистической механике, одним из основоположников которых он является. Гиббс разработал так называемые энтропийные диаграммы, играющие большую роль в технической термодинамике, показал (1871—1873), что трёхмерные диаграммы позволяют представить все термодинамические свойства вещества.

В 1873 году, когда ему исполнилось 34 года, Гиббс показал неординарные исследовательские способности в области математической физики. В этот год в вестнике Академии Коннектикута появились две статьи. Первая была озаглавлена «Графические методы в термодинамике флюидов», а вторая — «Метод геометрического представления термодинамических свойств веществ с помощью поверхностей». Этими работами Гиббс положил начало геометрической термодинамике.

За ними в 1876 и 1878 годах последовали две части гораздо более фундаментальной статьи «О равновесии в гетерогенных системах», которые обобщают его вклад в физическую науку, и, несомненно, являются одними из наиболее значимых и выдающихся литературных памятников научной деятельности XIX века. Таким образом, Гиббс в 1873—1878 годах заложил основы химической термодинамики, в частности, разработал общую теорию термодинамического равновесия и метод термодинамических потенциалов, сформулировал (1875) правило фаз, построил общую теорию поверхностных явлений, получил уравнение, устанавливающее связь между внутренней энергией термодинамической системы и термодинамическими потенциалами.