Un mathématicien peut dire n'importe quoi, mais un physicien doit être au moins partiellement sain.
Josiah Willard Gibbs était un scientifique américain qui a apporté des contributions théoriques significatives à la physique, à la chimie et aux mathématiques. Son travail sur les applications de la thermodynamique a été déterminant dans la transformation de la chimie physique en une science inductive rigoureuse. Avec James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann, il a créé la mécanique statistique, terme qu'il a inventé, expliquant les lois de la thermodynamique comme des conséquences des propriétés statistiques des ensembles des états possibles d'un système physique composé de nombreuses particules. Gibbs a également travaillé sur l'application des équations de Maxwell aux problèmes d'optique physique. En tant que mathématicien, il a inventé le calcul vectoriel moderne indépendamment du scientifique britannique Oliver Heaviside, qui a effectué des travaux similaires pendant la même période.
En 1863, Yale a décerné à Gibbs le premier doctorat américain en ingénierie. Après un séjour de trois ans en Europe, Gibbs a passé le reste de sa carrière à Yale, où il a été professeur de physique mathématique à partir de 1871 jusqu'à sa mort. Travaillant dans un isolement relatif, il est devenu le premier scientifique théoricien aux États-Unis à acquérir une réputation internationale et a été loué par Albert Einstein comme « le plus grand esprit de l'histoire américaine ». En 1901, Gibbs a reçu ce qui était alors considéré comme le plus grand honneur décerné par la communauté scientifique internationale, la Médaille Copley de la Royal Society of London, « pour ses contributions à la physique mathématique ».
Les commentateurs et biographes ont souligné le contraste entre la vie tranquille et solitaire de Gibbs en Nouvelle-Angleterre au tournant du siècle et l'impact international considérable de ses idées. Bien que son travail fût presque entièrement théorique, la valeur pratique des contributions de Gibbs est devenue évidente avec le développement de la chimie industrielle au cours de la première moitié du XXe siècle. Selon Robert A. Millikan, en science pure, Gibbs « a fait pour la mécanique statistique et la thermodynamique ce que Laplace a fait pour la mécanique céleste et Maxwell pour l'électrodynamique, c'est-à-dire a rendu son domaine une structure théorique pratiquement achevée ».
Biographie
Contexte familial
Gibbs est né à New Haven, Connecticut. Il appartenait à une vieille famille yankee qui a produit des ecclésiastiques et des académiciens américains distingués depuis le XVIIe siècle. Il était le quatrième de cinq enfants et le fils unique de Josiah Willard Gibbs Sr. et de sa femme Mary Anna, née Van Cleve. Du côté de son père, il descendait de Samuel Willard, qui a servi en tant que Président intérimaire du Harvard College de 1701 à 1707. Du côté de sa mère, l'un de ses ancêtres était le Rév. Jonathan Dickinson, premier président du College of New Jersey, devenu plus tard Princeton University. Le prénom de Gibbs, qu'il partageait avec son père et plusieurs autres membres de sa famille élargie, dérivait de son ancêtre Josiah Willard, qui avait été Secrétaire de la Province de Massachusetts Bay au XVIIIe siècle.
Le Gibbs aîné était généralement connu de sa famille et de ses collègues sous le nom de « Josiah », tandis que le fils était appelé « Willard ». Josiah Gibbs était un linguiste et théologien qui a servi en tant que professeur de littérature sacrée à la Yale Divinity School à partir de 1824 jusqu'à sa mort en 1861. Il est surtout mémorisé aujourd'hui comme l'abolitionniste qui a trouvé un interprète pour les passagers africains du navire Amistad, leur permettant de témoigner lors du procès qui a suivi leur révolte contre l'esclavage.
Éducation
Willard Gibbs a été éduqué à la Hopkins School et est entré au Yale College en 1854 à l'âge de 15 ans. À Yale, Gibbs a reçu des prix pour son excellence en mathématiques et en latin, et il a obtenu son diplôme en 1858, près du sommet de sa classe. Il est resté à Yale en tant qu'étudiant diplômé à la Sheffield Scientific School. À l'âge de 19 ans, peu après son diplôme du collège, Gibbs a été intronisé à la Connecticut Academy of Arts and Sciences, une institution savante composée principalement de membres de la faculté de Yale.
Relativement peu de documents de cette période survivent et il est difficile de reconstruire avec précision les détails de la carrière précoce de Gibbs. De l'avis des biographes, le principal mentor et défenseur de Gibbs, à la fois à Yale et à la Connecticut Academy, était probablement l'astronome et mathématicien Hubert Anson Newton, une autorité de premier plan sur les météores, qui est resté l'ami et le confident de Gibbs tout au long de sa vie. Après la mort de son père en 1861, Gibbs a hérité d'assez d'argent pour le rendre financièrement indépendant.
Des troubles pulmonaires récurrents ont affligé le jeune Gibbs et ses médecins craignaient qu'il ne soit susceptible à la tuberculose, qui avait tué sa mère. Il a également souffert d'astigmatisme, dont le traitement était alors encore largement méconnu des oculistes, de sorte que Gibbs a dû diagnostiquer lui-même et moudre ses propres verres. Bien qu'il n'ait porté des lunettes que pour la lecture ou d'autres travaux rapprochés dans ses dernières années, la délicate santé et la vue imparfaite de Gibbs expliquent probablement pourquoi il ne s'est pas porté volontaire pour combattre pendant la Guerre de Sécession de 1861-65. Il n'a pas été enrôlé et il est resté à Yale pendant la durée de la guerre.
En 1863, Gibbs a reçu le premier Doctorat de Philosophie Ph.D. en ingénierie décerné aux États-Unis, pour une thèse intitulée « On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing », dans laquelle il a utilisé des techniques géométriques pour enquêter sur la conception optimale des engrenages. En 1861, Yale était devenue la première université américaine à offrir un diplôme de Ph.D. et celui de Gibbs était seulement le cinquième Ph.D. décerné aux États-Unis dans n'importe quel domaine.
Carrière, 1863–73
Après son diplôme, Gibbs a été nommé tuteur au collège pour une durée de trois ans. Au cours des deux premières années, il a enseigné le latin et au cours de la troisième année, il a enseigné la « philosophie naturelle », c'est-à-dire la physique. En 1866, il a breveté une conception pour un frein ferroviaire et a lu un document devant la Connecticut Academy, intitulé « The Proper Magnitude of the Units of Length », dans lequel il a proposé un schéma pour rationaliser le système d'unités de mesure utilisé en mécanique.
Après la fin de son mandat de tuteur, Gibbs a voyagé en Europe avec ses sœurs. Ils ont passé l'hiver 1866-67 à Paris, où Gibbs a assisté à des conférences à la Sorbonne et au Collège de France, données par d'éminents scientifiques mathématiques tels que Joseph Liouville et Michel Chasles. Après avoir entrepris un régime d'étude éprouvant, Gibbs a attrapé un grave rhume et un médecin, craignant la tuberculose, lui a conseillé de se reposer sur la Côte d'Azur, où lui et ses sœurs ont passé plusieurs mois et où il a fait une récupération complète.
Se déplaçant à Berlin, Gibbs a assisté aux conférences enseignées par les mathématiciens Karl Weierstrass et Leopold Kronecker, ainsi que par le chimiste Heinrich Gustav Magnus. En août 1867, la sœur de Gibbs, Julia, s'est mariée à Berlin avec Addison Van Name, qui avait été le camarade de classe de Gibbs à Yale. Le jeune couple marié est retourné à New Haven, laissant Gibbs et sa sœur Anna en Allemagne. À Heidelberg, Gibbs a été exposé aux travaux des physiciens Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz, et du chimiste Robert Bunsen. À l'époque, les universitaires allemands étaient les principales autorités en sciences naturelles, en particulier en chimie et en thermodynamique.
Gibbs est retourné à Yale en juin 1869 et a brièvement enseigné le français aux étudiants en ingénierie. C'est probablement aussi autour de cette époque qu'il a travaillé sur une nouvelle conception pour un régulateur de moteur à vapeur, sa dernière investigation significative en ingénierie mécanique. En 1871, il a été nommé Professeur de Physique Mathématique à Yale, le premier poste de ce type aux États-Unis. Gibbs, qui avait des moyens indépendants et n'avait encore rien publié, a été chargé d'enseigner exclusivement aux étudiants diplômés et a été embauché sans salaire.
Carrière, 1873–80
Gibbs a publié son premier travail en 1873. Ses articles sur la représentation géométrique des quantités thermodynamiques ont été publiés dans les Transactions de la Connecticut Academy. Ces articles ont introduit l'utilisation de différents diagrammes de phase de type, qui étaient ses aides préférés au processus imaginatif lors de la recherche, plutôt que les modèles mécaniques, tels que ceux utilisés par Maxwell dans la construction de sa théorie électromagnétique, qui pourraient ne pas représenter complètement leurs phénomènes correspondants. Bien que la revue ait eu peu de lecteurs capables de comprendre le travail de Gibbs, il a partagé des tirés à part avec des correspondants en Europe et a reçu une réponse enthousiaste de James Clerk Maxwell à Cambridge. Maxwell a même créé, de ses propres mains, un modèle en argile illustrant la construction de Gibbs. Il a ensuite produit deux moulages en plâtre de son modèle et en a envoyé un à Gibbs. Ce moulage est exposé au département de physique de Yale.
Maxwell a inclus un chapitre sur le travail de Gibbs dans la prochaine édition de sa Theory of Heat, publiée en 1875. Il a expliqué l'utilité des méthodes graphiques de Gibbs dans une conférence à la Chemical Society of London et l'a même mentionnée dans l'article sur « Diagrams » qu'il a écrit pour l'Encyclopædia Britannica. Les perspectives de collaboration entre lui et Gibbs ont été interrompues par la mort précoce de Maxwell en 1879, à l'âge de 48 ans. La plaisanterie a circulé plus tard à New Haven selon laquelle « un seul homme vivait qui pouvait comprendre les articles de Gibbs. C'était Maxwell, et maintenant il est mort ».
Gibbs a ensuite étendu son analyse thermodynamique aux systèmes chimiques multiphasés, c'est-à-dire aux systèmes composés de plus d'une forme de matière, et a examiné une variété d'applications concrètes. Il a décrit cette recherche dans une monographie intitulée « On the Equilibrium of Heterogeneous Substances », publiée par la Connecticut Academy en deux parties parues respectivement en 1875 et 1878. Cet ouvrage, qui couvre environ trois cents pages et contient exactement sept cents équations mathématiques numérotées, commence par une citation de Rudolf Clausius qui exprime ce qui serait plus tard appelé les première et deuxième lois de la thermodynamique : « L'énergie du monde est constante. L'entropie du monde tend vers un maximum ».
La monographie de Gibbs a appliqué rigoureusement et ingénieusement ses techniques thermodynamiques à l'interprétation des phénomènes physicochimiques, expliquant et reliant ce qui avait auparavant été une masse de faits et d'observations isolés. L'ouvrage a été décrit comme « la Principia de la thermodynamique » et comme une œuvre d'« portée pratiquement illimitée ». Il a solidement jeté les fondations de la chimie physique. Wilhelm Ostwald, qui a traduit la monographie de Gibbs en allemand, a qualifié Gibbs de « fondateur de l'énergétique chimique ». Selon les commentateurs modernes,
Il est universellement reconnu que sa publication a été un événement de première importance dans l'histoire de la chimie ... Néanmoins, il a fallu un certain nombre d'années avant que sa valeur soit généralement connue, ce retard était largement dû au fait que sa forme mathématique et ses processus déductifs rigoureux la rendent difficile à lire pour quiconque, et particulièrement pour les étudiants en chimie expérimentale pour lesquels elle s'avère la plus pertinente.
Gibbs a continué à travailler sans salaire jusqu'en 1880, lorsque la nouvelle Johns Hopkins University à Baltimore, Maryland lui a offert un poste payant 3 000 dollars par an. En réponse, Yale lui a offert un salaire annuel de 2 000 dollars, qu'il a accepté volontiers.
Carrière, 1880–1903
De 1880 à 1884, Gibbs a travaillé au développement de l'algèbre extérieure de Hermann Grassmann en un calcul vectoriel bien adapté aux besoins des physiciens. À cette fin, Gibbs a distingué entre les produits scalaires et vectoriels de deux vecteurs et a introduit le concept de dyadiques. Un travail similaire a été effectué indépendamment, et à peu près au même moment, par le physicien mathématicien et ingénieur britannique Oliver Heaviside. Gibbs a cherché à convaincre les autres physiciens de la commodité de l'approche vectorielle par rapport au calcul quaternionique de William Rowan Hamilton, qui était alors largement utilisé par les scientifiques britanniques. Cela l'a conduit, au début des années 1890, à une controverse avec Peter Guthrie Tait et d'autres dans les pages de Nature.
Les notes de cours de Gibbs sur le calcul vectoriel ont été imprimées en privé en 1881 et 1884 pour l'usage de ses étudiants, et ont été ensuite adaptées par Edwin Bidwell Wilson en un manuel, Vector Analysis, publié en 1901. Ce livre a aidé à populariser la notation « del » qui est largement utilisée aujourd'hui en électrodynamique et en mécanique des fluides. Dans d'autres travaux mathématiques, il a redécouvert le « phénomène de Gibbs » dans la théorie des séries de Fourier qui, à son insu et à celui des savants ultérieurs, avait été décrit cinquante ans avant par un obscur mathématicien anglais, Henry Wilbraham.
De 1882 à 1889, Gibbs a écrit cinq articles sur l'optique physique, dans lesquels il a enquêté sur la biréfringence et d'autres phénomènes optiques et a défendu la théorie électromagnétique de la lumière de Maxwell contre les théories mécaniques de Lord Kelvin et d'autres. Dans son travail sur l'optique, tout autant que dans son travail sur la thermodynamique, Gibbs a délibérément évité de spéculer sur la structure microscopique de la matière et a intentionnellement limité ses problèmes de recherche à ceux qui peuvent être résolus à partir de principes généraux larges et de faits expérimentalement confirmés. Les méthodes qu'il a utilisées étaient hautement originales et les résultats obtenus
