قد يقول عالم الرياضيات أي شيء يشاء، لكن الفيزيائي يجب أن يكون عاقلاً إلى حد ما على الأقل.
Josiah Willard Gibbs كان عالماً أمريكياً قدم مساهمات نظرية كبيرة في الفيزياء والكيمياء والرياضيات. كان عمله على تطبيقات الديناميكا الحرارية حاسماً في تحويل الكيمياء الفيزيائية إلى علم استقرائي صارم. وجنباً إلى جنب مع James Clerk Maxwell و Ludwig Boltzmann، أنشأ الميكانيكا الإحصائية وهي مصطلح صاغه هو، شارحاً قوانين الديناميكا الحرارية كنتائج للخصائص الإحصائية لمجموعات الحالات المحتملة لنظام فيزيائي يتكون من جزيئات عديدة. عمل Gibbs أيضاً على تطبيق معادلات Maxwell على مسائل في البصريات الفيزيائية. وكعالم رياضيات، اخترع حساب المتجهات الحديث بشكل مستقل عن العالم البريطاني Oliver Heaviside، الذي قام بعمل مماثل خلال نفس الفترة.
في عام 1863، منحت Yale إلى Gibbs أول درجة دكتوراه أمريكية في الهندسة. وبعد إقامة لمدة ثلاث سنوات في أوروبا، قضى Gibbs بقية حياته المهنية في Yale، حيث كان أستاذاً للفيزياء الرياضية من عام 1871 إلى وفاته. وبعمل نسبي معزول، أصبح أول عالم نظري في الولايات المتحدة يحقق سمعة دولية وأشاد به Albert Einstein باعتباره "أعظم عقل في التاريخ الأمريكي". وفي عام 1901، حصل Gibbs على ما كان يعتبر حينذاك أعلى شرف تمنحه المجتمع العلمي الدولي، ميدالية Copley من الجمعية الملكية في لندن، "عن مساهماته في الفيزياء الرياضية."
لاحظ المعلقون والسيرون التباين بين الحياة الهادئة والمنعزلة لـ Gibbs في نيو إنجلاند في فترة تحول القرن والتأثير الدولي الكبير لأفكاره. رغم أن عمله كان نظرياً تماماً تقريباً، أصبحت القيمة العملية لمساهمات Gibbs واضحة مع تطور الكيمياء الصناعية خلال النصف الأول من القرن العشرين. وفقاً لـ Robert A. Millikan، في العلم البحت، قام Gibbs بـ "فعل للميكانيكا الإحصائية والديناميكا الحرارية ما فعله Laplace للميكانيكا السماوية و Maxwell للديناميكا الكهربائية، أي جعل مجاله بنية نظرية مكتملة تقريباً."
السيرة الذاتية
الخلفية العائلية
وُلِد Gibbs في New Haven بـ Connecticut. كان ينتمي إلى عائلة yankee عريقة أنتجت رجال دين وأكاديميين أمريكيين مميزين منذ القرن السابع عشر. كان الرابع من بين خمسة أطفال والابن الوحيد لـ Josiah Willard Gibbs Sr.، وزوجته Mary Anna، née Van Cleve. من جانب والده، كان منحدراً من Samuel Willard، الذي عمل نائباً لرئيس كلية Harvard من عام 1701 إلى عام 1707. من جانب والدته، كان أحد أسلافه هو القس Jonathan Dickinson، أول رئيس لـ College of New Jersey لاحقاً Princeton University. كان الاسم المعطى لـ Gibbs، الذي شاركه مع والده وعدة أفراد آخرين من عائلته الممتدة، مشتقاً من سلفه Josiah Willard، الذي كان سكرتيراً لـ Province of Massachusetts Bay في القرن الثامن عشر.
كان Josiah Gibbs الأكبر معروفاً لدى عائلته وزملائه باسم "Josiah"، بينما كان الابن يُدعى "Willard". كان Josiah Gibbs لغوياً وعالم لاهوت خدم كأستاذ للأدب المقدس في Yale Divinity School من عام 1824 إلى وفاته في عام 1861. يُذكَّر اليوم بشكل أساسي باعتباره الناشط الذي من أجل إلغاء العبودية والذي وجد مترجماً لركاب السفينة Amistad الأفارقة، مما سمح لهم بالشهادة خلال المحاكمة التي تلت تمردهم ضد البيع كعبيد.
التعليم
تلقى Willard Gibbs تعليمه في Hopkins School والتحق بـ Yale College في عام 1854 في سن الخمسة عشر. في Yale، حصل Gibbs على جوائز للتفوق في الرياضيات واللاتينية، وتخرج في عام 1858، قريباً من أعلى فئته. ظل في Yale كطالب دراسات عليا في Sheffield Scientific School. في سن التاسعة عشرة، بعد فترة قصيرة من تخرجه من الكلية، تم انتخاب Gibbs عضواً في Connecticut Academy of Arts and Sciences، وهي مؤسسة علمية تتكون في المقام الأول من أعضاء هيئة التدريس بـ Yale.
ظلت وثائق قليلة نسبياً من تلك الفترة محفوظة ومن الصعب إعادة بناء تفاصيل المسار المبكر لـ Gibbs بدقة. في رأي السيرين، كان المرشد والمؤيد الرئيسي لـ Gibbs، سواء في Yale أو في Connecticut Academy، هو على الأرجح عالم الفلك والرياضيات Hubert Anson Newton، وهو سلطة رائدة في الشهب، الذي ظل صديق Gibbs مدى الحياة والموثوق به. بعد وفاة والده في عام 1861، ورث Gibbs أموالاً كافية جعلته مستقلاً مالياً.
عانى الشاب Gibbs من مشاكل رئوية متكررة وكان أطباؤه قلقين من أنه قد يكون عرضة للإصابة بالسل، الذذي قتل والدته. كما عانى من الاستجماتيزم، كان علاجه في ذلك الوقت لا يزال غير مألوف إلى حد كبير لدى أطباء العيون، لذا اضطر Gibbs لتشخيص نفسه وطحن عدساته الخاصة به. رغم أنه في السنوات اللاحقة استخدم النظارات فقط للقراءة أو العمل الدقيق الآخر، فإن صحة Gibbs الرقيقة ورؤيته الناقصة يفسران على الأرجح لماذا لم يتطوع للقتال في الحرب الأهلية من 1861-65. لم يتم تجنيده وظل في Yale طوال فترة الحرب.
في عام 1863، حصل Gibbs على أول درجة دكتوراه في الفلسفة Ph.D. في الهندسة تُمنح في الولايات المتحدة، لأطروحة بعنوان "حول شكل أسنان العجلات في الهندسة اللولبية"، استخدم فيها تقنيات هندسية للتحقيق في التصميم الأمثل للتروس. في عام 1861، أصبحت Yale أول جامعة أمريكية تقدم درجة Ph.D. وكان Gibbs هو الخامس فقط من درجات Ph.D. ممنوح في الولايات المتحدة في أي موضوع.
المسار الوظيفي، 1863–73
بعد التخرج، تم تعيين Gibbs كمدرس في الكلية لمدة ثلاث سنوات. خلال السنتين الأوليين، درس اللاتينية وخلال السنة الثالثة، درس "الفلسفة الطبيعية" أي الفيزياء. في عام 1866، حصل على براءة اختراع لتصميم فرامل السكة الحديدية وقدم ورقة بحثية أمام Connecticut Academy، بعنوان "الحجم المناسب لوحدات الطول"، اقترح فيها خطة لعقلنة نظام وحدات القياس المستخدمة في الميكانيكا.
بعد انتهاء فترة عمله كمدرس، سافر Gibbs إلى أوروبا مع أخواته. قضوا فصل الشتاء من 1866-67 في Paris، حيث حضر Gibbs محاضرات في Sorbonne و Collège de France، ألقاها علماء رياضيات مميزون مثل Joseph Liouville و Michel Chasles. بعد الانخراط في نظام دراسة مرهق، أصيب Gibbs بنزلة برد خطيرة وحذره الطبيب من مخاطر السل وأنصحه بالراحة في Riviera، حيث قضى هو وأخواته عدة أشهر وتعافى تماماً.
انتقل إلى Berlin، حيث حضر Gibbs المحاضرات التي ألقاها عالما الرياضيات Karl Weierstrass و Leopold Kronecker، وكذلك الكيميائي Heinrich Gustav Magnus. في أغسطس 1867، تزوجت أخت Gibbs Julia في Berlin من Addison Van Name، الذي كان زميل Gibbs في Yale. عاد الزوجان الجديدان إلى New Haven، تاركين Gibbs وأخته Anna في ألمانيا. في Heidelberg، تعرض Gibbs لعمل الفيزيائيين Gustav Kirchhoff و Hermann von Helmholtz، والكيميائي Robert Bunsen. في ذلك الوقت، كان الأكاديميون الألمان السلطات الرائدة في العلوم الطبيعية، خاصة الكيمياء والديناميكا الحرارية.
عاد Gibbs إلى Yale في يونيو 1869 وقام بتدريس اللغة الفرنسية مختصراً لطلاب الهندسة. كان من المحتمل أيضاً حول هذا الوقت أنه عمل على تصميم جديد لمنظم محرك بخاري، وهو آخر تحقيق كبير له في الهندسة الميكانيكية. في عام 1871، تم تعيينه أستاذاً للفيزياء الرياضية في Yale، وهي أول منصب من هذا النوع في الولايات المتحدة. Gibbs، الذي كان لديه وسائل مستقلة وما زال لم ينشر أي شيء، تم تكليفه بتدريس الطلاب الدراسات العليا فقط وتم تعيينه بدون راتب.
المسار الوظيفي، 1873–80
نشر Gibbs عمله الأول في عام 1873. ظهرت أوراقه حول التمثيل الهندسي للكميات الديناميكية الحرارية في Transactions of the Connecticut Academy. قدمت هذه الأوراق استخدام رسوم بيانية طورية مختلفة، التي كانت أدواته المفضلة لعملية الخيال عند إجراء الأبحاث، بدلاً من النماذج الميكانيكية، مثل تلك التي استخدمها Maxwell في بناء نظريته الكهرومغناطيسية، والتي قد لا تمثل تماماً الظواهر المناظرة لها. رغم أن المجلة كان لديها عدد قليل من القراء القادرين على فهم عمل Gibbs، قام بمشاركة نسخ من أعماله مع المراسلين في أوروبا وتلقى رداً حماسياً من James Clerk Maxwell في Cambridge. قام Maxwell حتى بصنع نموذج طيني بيديه يوضح بناء Gibbs. ثم أنتج نسختين جبسيتين من نموذجه وأرسل إحداهما إلى Gibbs. يتم عرض تلك النسخة في قسم الفيزياء في Yale.
قام Maxwell بتضمين فصل عن عمل Gibbs في الطبعة التالية من Theory of Heat، المنشورة في عام 1875. شرح فائدة الطرق الرسومية لـ Gibbs في محاضرة ألقاها أمام Chemical Society of London وحتى أشار إليها في المقالة حول "الرسوم البيانية" التي كتبها لـ Encyclopædia Britannica. تم قطع احتمالات التعاون بينه وبين Gibbs بسبب الوفاة المبكرة لـ Maxwell في عام 1879، عن عمر يناهز 48 سنة. انتشرت النكتة لاحقاً في New Haven بأن "عاش رجل واحد فقط كان بإمكانه فهم أوراق Gibbs. كان هذا هو Maxwell، والآن قد توفي."
وسّع Gibbs بعد ذلك تحليله الديناميكي الحراري إلى أنظمة كيميائية متعددة الطور أي أنظمة تتكون من أكثر من شكل واحد من المادة واعتبر مجموعة متنوعة من التطبيقات الملموسة. وصف تلك الأبحاث في أطروحة بعنوان "حول توازن المواد غير المتجانسة"، نشرتها Connecticut Academy في جزأين ظهرا على التوالي في عامي 1875 و 1878. يغطي هذا العمل، الذي يبلغ حوالي ثلاثمئة صفحة ويحتوي على سبعمئة معادلة رياضية مرقمة بالضبط، ويبدأ بعلامة اقتباس من Rudolf Clausius تعبر عما سيُسمى لاحقاً بالقانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية: "طاقة العالم ثابتة. يميل إنتروبيا العالم نحو الحد الأقصى."
طبقت أطروحة Gibbs بصرامة وبراعة تقنياته الديناميكية الحرارية على تفسير الظواهر الفيزيائية الكيميائية، موضحة وربطة ما كان في السابق كتلة من الحقائق والملاحظات المعزولة. وصفت العمل بأنه "Principia للديناميكا الحرارية" وكعمل ذو "نطاق غير محدود عملياً". وضعت الأساس الراسخ للكيمياء الفيزيائية. قام Wilhelm Ostwald، الذي ترجم أطروحة Gibbs إلى الألمانية، بالإشارة إلى Gibbs باعتباره "مؤسس الطاقة الكيميائية". وفقاً للمعلقين الحديثين،
من المسلم به عالمياً أن نشره كان حدثاً بأهمية أولى في تاريخ الكيمياء ... ومع ذلك استغرق الأمر عدة سنوات قبل أن تصبح قيمته معروفة على نطاق واسع، كان هذا التأخير يرجع إلى حد كبير إلى أن شكله الرياضي وعملياته الاستنتاجية الصارمة تجعله قراءة صعبة لأي شخص، وخاصة لطلاب الكيمياء التجريبية الذين يهمهم الأمر أكثر من غيرهم.
استمر Gibbs في العمل دون أجر حتى عام 1880، عندما عرضت عليه جامعة Johns Hopkins الجديدة في Baltimore بـ Maryland منصباً براتب سنوي قدره 3000 دولار. ردت Yale بعرض راتب سنوي قدره 2000 دولار، وكان راضياً بقبوله.
المسار الوظيفي، 1880–1903
من 1880 إلى 1884، عمل Gibbs على تطوير الجبر الخارجي لـ Hermann Grassmann إلى حساب متجهات مناسب لاحتياجات الفيزيائيين. بهذا الهدف في الاعتبار، ميز Gibbs بين حاصل الضرب النقطي والضرب الاتجاهي لمتجهين وأدخل مفهوم السداسيات. تم إجراء عمل مماثل بشكل مستقل وفي نفس الوقت تقريباً من قبل الفيزيائي والمهندس الرياضي البريطاني Oliver Heaviside. سعى Gibbs لإقناع الفيزيائيين الآخرين براحة النهج المتجهي على حساب الرباعيات لـ William Rowan Hamilton، الذي كان يُستخدم على نطاق واسع من قبل العلماء البريطانيين. وأدى ذلك، في أوائل التسعينات، إلى جدل مع Peter Guthrie Tait و
