Ein Mathematiker darf alles sagen, was ihm beliebt, aber ein Physiker muss zumindest teilweise bei Verstand sein.
Josiah Willard Gibbs war ein amerikanischer Wissenschaftler, der bedeutende theoretische Beiträge zur Physik, Chemie und Mathematik leistete. Seine Arbeiten über die Anwendungen der Thermodynamik waren entscheidend dafür, die physikalische Chemie in eine rigorose induktive Wissenschaft umzuwandeln. Zusammen mit James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann schuf er die statistische Mechanik – ein Begriff, den er prägte – und erklärte die Gesetze der Thermodynamik als Folgen der statistischen Eigenschaften von Ensembles möglicher Zustände eines physikalischen Systems, das aus vielen Teilchen besteht. Gibbs arbeitete auch an der Anwendung von Maxwells Gleichungen auf Probleme in der physikalischen Optik. Als Mathematiker erfand er die moderne Vektorrechnung unabhängig von dem britischen Wissenschaftler Oliver Heaviside, der in derselben Zeit ähnliche Arbeiten durchführte.
1863 verlieh Yale Gibbs den ersten amerikanischen Doktortitel in Ingenieurwissenschaften. Nach einem dreijährigen Aufenthalt in Europa verbrachte Gibbs den Rest seiner Karriere an der Yale, wo er von 1871 bis zu seinem Tod Professor für mathematische Physik war. In relativer Isolation arbeitend, wurde er der erste theoretische Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten, der sich einen internationalen Ruf erwarb, und wurde von Albert Einstein als „der größte Verstand in der amerikanischen Geschichte" gepriesen. 1901 erhielt Gibbs die damals höchste Auszeichnung der internationalen wissenschaftlichen Gemeinschaft, die Copley-Medaille der Royal Society of London, „für seine Beiträge zur mathematischen Physik".
Kommentatoren und Biographen haben auf den Gegensatz zwischen Gibbs' stilles, einsames Leben in Neuengland um die Jahrhundertwende und die große internationale Wirkung seiner Ideen hingewiesen. Obwohl seine Arbeit fast ausschließlich theoretischer Natur war, wurde der praktische Wert von Gibbs' Beiträgen mit der Entwicklung der Industriechemie in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts deutlich. Nach Robert A. Millikan tat Gibbs in der reinen Wissenschaft für die statistische Mechanik und Thermodynamik „das, was Laplace für die Himmelsmechanik und Maxwell für die Elektrodynamik tat, nämlich sein Fachgebiet zu einer nahezu vollendeten theoretischen Struktur machte".
Biographie
Familiärer Hintergrund
Gibbs wurde in New Haven, Connecticut, geboren. Er stammte aus einer alten yankee-Familie, die seit dem 17. Jahrhundert hervorragende amerikanische Geistliche und Akademiker hervorgebracht hatte. Er war das vierte von fünf Kindern und der einzige Sohn von Josiah Willard Gibbs Sr. und seiner Frau Mary Anna, geb. Van Cleve. Auf der Seite seines Vaters stammte er von Samuel Willard ab, der von 1701 bis 1707 als amtierender Präsident des Harvard College diente. Auf der Seite seiner Mutter war einer seiner Vorfahren der Rev. Jonathan Dickinson, der erste Präsident des College of New Jersey, später Princeton University. Gibbs' Name, den er mit seinem Vater und mehreren anderen Mitgliedern seiner erweiterten Familie teilte, stammte von seinem Vorfahren Josiah Willard, der im 18. Jahrhundert Sekretär der Province of Massachusetts Bay war.
Der ältere Gibbs war in seiner Familie und bei Kollegen allgemein als „Josiah" bekannt, während der Sohn „Willard" genannt wurde. Josiah Gibbs war ein Linguist und Theologe, der von 1824 bis zu seinem Tod 1861 als Professor für heilige Literatur an der Yale Divinity School tätig war. Er wird heute hauptsächlich als der Abolitionist in Erinnerung behalten, der einen Dolmetscher für die afrikanischen Passagiere des Schiffes Amistad fand, so dass diese während des Prozesses, der ihrer Rebellion gegen den Verkauf als Sklaven folgte, aussagen konnten.
Ausbildung
Willard Gibbs wurde an der Hopkins School ausgebildet und trat 1854 im Alter von 15 Jahren in das Yale College ein. In Yale erhielt Gibbs Preise für Exzellenz in Mathematik und Latein und graduierte 1858 in der Nähe der Spitze seiner Klasse. Er blieb an der Yale als Doktorand an der Sheffield Scientific School. Mit 19 Jahren, kurz nach seinem Abitur vom College, wurde Gibbs in die Connecticut Academy of Arts and Sciences aufgenommen, eine wissenschaftliche Institution, die hauptsächlich aus Mitgliedern der Yale-Fakultät bestand.
Relativ wenige Dokumente aus dieser Zeit sind erhalten geblieben und es ist schwierig, die Einzelheiten von Gibbs' früher Karriere mit Präzision zu rekonstruieren. Nach Ansicht von Biographen war Gibbs' wichtigster Mentor und Befürworter, sowohl an der Yale als auch in der Connecticut Academy, wahrscheinlich der Astronom und Mathematiker Hubert Anson Newton, eine führende Autorität auf dem Gebiet der Meteore, der Gibbs' lebenslanger Freund und Vertrauter blieb. Nach dem Tod seines Vaters 1861 erbte Gibbs genug Geld, um finanziell unabhängig zu sein.
Der junge Gibbs litt unter wiederholten Lungenproblemen und seine Ärzte waren besorgt, dass er anfällig für Tuberkulose sein könnte, die seine Mutter getötet hatte. Er litt auch an Astigmatismus, dessen Behandlung damals noch weitgehend unbekannt war, so dass Gibbs sich selbst diagnostizieren und seine eigenen Linsen schleifen musste. Obwohl er in späteren Jahren Brille nur zum Lesen oder für andere Naharbeiten trug, erklären Gibbs' zarte Gesundheit und unvollkommenes Sehvermögen wahrscheinlich, warum er sich nicht freiwillig zum Kampf im Bürgerkrieg von 1861–65 meldete. Er wurde nicht eingezogen und blieb während des gesamten Krieges an der Yale.
1863 erhielt Gibbs den ersten Doktor der Philosophie (Ph.D.) in Ingenieurwissenschaften, der in den USA vergeben wurde, für eine Dissertationen mit dem Titel „On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing", in der er geometrische Techniken verwendete, um das optimale Design für Zahnräder zu untersuchen. 1861 war Yale die erste US-Universität, die einen Ph.D.-Abschluss anbot, und Gibbs' war nur der fünfte Ph.D., der in den USA in irgendeinem Fach vergeben wurde.
Karriere, 1863–73
Nach seinem Abschluss wurde Gibbs als Tutor am College für einen Zeitraum von drei Jahren ernannt. In den ersten zwei Jahren unterrichtete er Latein und im dritten Jahr unterrichtete er „Naturphilosophie", d. h. Physik. 1866 patentierte er ein Design für eine Eisenbahnbremse und las ein Papier vor der Connecticut Academy mit dem Titel „The Proper Magnitude of the Units of Length", in dem er ein Schema zur Rationalisierung des in der Mechanik verwendeten Messsystems vorschlug.
Nach Beendigung seiner Tätigkeit als Tutor reiste Gibbs mit seinen Schwestern nach Europa. Sie verbrachten den Winter 1866–67 in Paris, wo Gibbs Vorlesungen an der Sorbonne und dem Collège de France besuchte, gehalten von so bekannten mathematischen Wissenschaftlern wie Joseph Liouville und Michel Chasles. Nachdem er sich einem anstrengenden Studienregimen unterzogen hatte, zog sich Gibbs eine schwere Erkältung zu und ein Arzt, der Tuberkulose befürchtete, riet ihm, sich an der Côte d'Azur auszuruhen, wo er und seine Schwestern mehrere Monate verbrachten und wo er sich vollständig erholte.
Nach Berlin ziehend, besuchte Gibbs Vorlesungen der Mathematiker Karl Weierstrass und Leopold Kronecker sowie des Chemikers Heinrich Gustav Magnus. Im August 1867 wurde Gibbs' Schwester Julia in Berlin mit Addison Van Name verheiratet, der Gibbs' Mitschüler an der Yale gewesen war. Das frisch verheiratete Paar kehrte nach New Haven zurück und ließ Gibbs und seine Schwester Anna in Deutschland zurück. In Heidelberg wurde Gibbs den Arbeiten der Physiker Gustav Kirchhoff und Hermann von Helmholtz sowie des Chemikers Robert Bunsen ausgesetzt. Damals waren deutsche Akademiker die führenden Autoritäten in den Naturwissenschaften, besonders in Chemie und Thermodynamik.
Gibbs kehrte im Juni 1869 nach Yale zurück und unterrichtete kurzzeitig Französisch für Ingenieurstudenten. Es war wahrscheinlich auch etwa zu dieser Zeit, dass er an einem neuen Design für einen Dampfmaschinen-Regler arbeitete, seine letzte bedeutende Untersuchung in der Maschinentechnik. 1871 wurde er zum Professor für mathematische Physik an der Yale ernannt, die erste solche Professur in den Vereinigten Staaten. Gibbs, der unabhängige Mittel hatte und noch nichts veröffentlicht hatte, wurde beauftragt, ausschließlich Doktoranden zu unterrichten, und wurde ohne Gehalt eingestellt.
Karriere, 1873–80
Gibbs veröffentlichte sein erstes Werk 1873. Seine Arbeiten zur geometrischen Darstellung thermodynamischer Größen erschienen in den Transactions of the Connecticut Academy. Diese Arbeiten führten die Verwendung verschiedener Phasendiagramme ein, die seine bevorzugten Hilfsmittel des Imaginationsprozesses bei der Forschung waren, statt der mechanischen Modelle wie denen, die Maxwell bei der Konstruktion seiner elektromagnetischen Theorie verwendet hatte und die ihre entsprechenden Phänomene möglicherweise nicht vollständig darstellen. Obwohl die Zeitschrift nur wenige Leser hatte, die Gibbs' Arbeiten verstehen konnten, teilte er Nachdrucke mit Korrespondenten in Europa und erhielt eine enthusiastische Antwort von James Clerk Maxwell in Cambridge. Maxwell machte sogar mit eigenen Händen ein Tonmodell, das Gibbs' Konstruktion illustriert. Er produzierte dann zwei Gipsabdrücke seines Modells und sandte einen an Gibbs. Dieser Gipsabdruck wird in der Yale-Physikakademie ausgestellt.
Maxwell nahm ein Kapitel über Gibbs' Arbeiten in die nächste Ausgabe seines Theory of Heat auf, veröffentlicht 1875. Er erklärte die Nützlichkeit von Gibbs' grafischen Methoden in einem Vortrag vor der Chemical Society of London und verwies sogar darauf im Artikel „Diagrams", den er für die Encyclopædia Britannica schrieb. Aussichten auf eine Zusammenarbeit zwischen ihm und Gibbs wurden durch Maxwells frühen Tod 1879 im Alter von 48 Jahren unterbrochen. Der Witz, der später in New Haven kursierte, war: „Es lebte nur ein Mann, der Gibbs' Papiere verstehen konnte. Das war Maxwell, und jetzt ist er tot."
Gibbs erweiterte dann seine thermodynamische Analyse auf mehrphasige chemische Systeme, d.h. auf Systeme bestehend aus mehr als einer Form von Materie, und betrachtete eine Vielzahl konkreter Anwendungen. Er beschrieb diese Forschung in einer Monographie mit dem Titel „On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", veröffentlicht von der Connecticut Academy in zwei Teilen, die 1875 bzw. 1878 erschienen. Dieses Werk, das etwa dreihundert Seiten umfasst und genau siebenhundert nummerierte mathematische Gleichungen enthält, beginnt mit einem Zitat von Rudolf Clausius, das ausdrückt, was später die erste und zweite Gesetze der Thermodynamik genannt werden würde: „Die Energie der Welt ist konstant. Die Entropie der Welt tendiert zu einem Maximum."
Gibbs' Monographie wendete seine thermodynamischen Techniken rigorös und sinnreich auf die Interpretation physikochemischer Phänomene an, erklärte und verband, was zuvor eine Masse isolierter Fakten und Beobachtungen war. Das Werk wurde als „die Principia der Thermodynamik" und als ein Werk von „praktisch unbegrenztem Umfang" beschrieben. Es legte die solide Grundlage für die physikalische Chemie. Wilhelm Ostwald, der Gibbs' Monographie ins Deutsche übersetzte, bezeichnete Gibbs als „Begründer der chemischen Energetik". Nach modernen Kommentatoren:
Es ist allgemein anerkannt, dass seine Veröffentlichung ein Ereignis von erster Wichtigkeit in der Geschichte der Chemie war ... Dennoch dauerte es eine Reihe von Jahren, bis sein Wert allgemein bekannt war, diese Verzögerung war größtenteils darauf zurückzuführen, dass seine mathematische Form und rigorose deduktive Prozesse es für jeden schwierig machen zu lesen, und besonders für Studenten der experimentellen Chemie, für die es am meisten relevant ist.
Gibbs arbeitete weiterhin ohne Bezahlung bis 1880, als die neue Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland ihm eine Position mit einem Jahresgehalt von $3.000 anbot. Daraufhin bot Yale ihm ein Jahresgehalt von $2.000 an, das er gerne annahm.
Karriere, 1880–1903
Von 1880 bis 1884 arbeitete Gibbs an der Entwicklung der äußeren Algebra von Hermann Grassmann zu einer Vektorrechnung, die den Bedürfnissen der Physiker gut entspricht. Mit diesem Ziel unterschied Gibbs zwischen Punkt- und Kreuzprodukten zweier Vektoren und führte das Konzept der Dyaden ein. Ähnliche Arbeiten wurden unabhängig und etwa zur gleichen Zeit vom britischen mathematischen Physiker und Ingenieur Oliver Heaviside durchgeführt. Gibbs versuchte, andere Physiker von der Bequemlichkeit des vektoriellen Ansatzes über der Quaternionrechnung von William Rowan Hamilton zu überzeugen, die damals weit verbreitet bei britischen Wissenschaftlern war. Dies führte ihn in den frühen 1890er Jahren zu einer Kontroverse mit Peter Guthrie Tait und anderen in den Seiten von Nature.
Gibbs' Vorlesungsnotizen zur Vektorrechnung wurden 1881 und 1884 in privater Auflage für die Verwendung seiner Schüler gedruckt und wurden später von Edwin Bidwell Wilson in ein Lehrbuch, Vector Analysis, veröffentlicht 1901, angepasst. Dieses Buch half, die „del"-Notation zu popularisieren, die heute weit verbreitet in Elektrodynamik und Fluidmechanik verwendet wird. In anderen mathematischen Arbeiten entdeckte er das „Gibbs-Phänomen" in der Theorie der Fourier-Reihen wieder, das, unbekannt für ihn und für spätere Gelehrte, fünfzig Jahre zuvor von einem obskuren englischen Mathematiker, Henry Wilbraham, beschrieben worden war.
Von 1882 bis 1889 schrieb Gibbs fünf Arbeiten über physikalische Optik, in denen er Doppelbrechung und andere optische Phänomene untersuchte und Maxwells elektromagnetische Lichttheorie gegen die mechanischen Theorien von Lord Kelvin und anderen verteidigte. In seiner Arbeit zur Optik, genau wie in seiner Arbeit zur Thermodynamik, vermied Gibbs absichtlich, über die mikroskopische Struktur der Materie zu spekulieren, und beschränkte bewusst seine Forschungsprobleme auf diejenigen, die aus breiten allgemeinen Prinzipien und experimentell bestätigten Tatsachen gelöst werden können. Die Methoden, die er verwendete, waren hochoriginal und die erhaltenen
