Un matematico può dire tutto quello che vuole, ma un fisico deve essere almeno parzialmente sano.
Josiah Willard Gibbs era uno scienziato americano che ha dato contributi teorici significativi alla fisica, alla chimica e alla matematica. Il suo lavoro sulle applicazioni della termodinamica è stato strumentale nella trasformazione della chimica fisica in una scienza induttiva rigorosa. Insieme a James Clerk Maxwell e Ludwig Boltzmann, ha creato la meccanica statistica, un termine che ha coniato, spiegando le leggi della termodinamica come conseguenze delle proprietà statistiche di insiemi di possibili stati di un sistema fisico composto da molte particelle. Gibbs ha anche lavorato sull'applicazione delle equazioni di Maxwell a problemi di ottica fisica. Come matematico, ha inventato il calcolo vettoriale moderno indipendentemente dallo scienziato britannico Oliver Heaviside, che ha condotto lavori simili nello stesso periodo.
Nel 1863, Yale ha assegnato a Gibbs il primo dottorato di ricerca americano in ingegneria. Dopo un soggiorno di tre anni in Europa, Gibbs ha trascorso il resto della sua carriera a Yale, dove è stato professore di fisica matematica dal 1871 fino alla sua morte. Lavorando in relativo isolamento, è diventato il primo scienziato teorico negli Stati Uniti a guadagnarsi una reputazione internazionale ed è stato lodato da Albert Einstein come "la mente più grande nella storia americana". Nel 1901, Gibbs ha ricevuto quello che era considerato il massimo onore assegnato dalla comunità scientifica internazionale, la Medaglia Copley della Royal Society of London, "per i suoi contributi alla fisica matematica".
Commentatori e biografi hanno notato il contrasto tra la vita tranquilla e solitaria di Gibbs nel New England di fine secolo e il grande impatto internazionale delle sue idee. Sebbene il suo lavoro fosse quasi interamente teorico, il valore pratico dei contributi di Gibbs è diventato evidente con lo sviluppo della chimica industriale durante la prima metà del XX secolo. Secondo Robert A. Millikan, nella scienza pura, Gibbs "ha fatto per la meccanica statistica e la termodinamica quello che Laplace ha fatto per la meccanica celeste e Maxwell per l'elettrodinamica, vale a dire, ha reso il suo campo una struttura teorica praticamente completa".
Biografia
Origini familiari
Gibbs è nato a New Haven, Connecticut. Apparteneva a una vecchia famiglia yankee che aveva prodotto distinti chierici e accademici americani dal XVII secolo. Era il quarto di cinque figli e l'unico figlio maschio di Josiah Willard Gibbs Sr. e di sua moglie Mary Anna, nata Van Cleve. Dal lato del padre, era discendente di Samuel Willard, che ha servito come Presidente aggiunto di Harvard College dal 1701 al 1707. Dal lato della madre, uno dei suoi antenati era il Rev. Jonathan Dickinson, il primo presidente del College of New Jersey, successivamente Princeton University. Il nome di Gibbs, che condivideva con suo padre e molti altri membri della sua famiglia allargata, proveniva dal suo antenato Josiah Willard, che era stato Segretario della Provincia della Massachusetts Bay nel XVIII secolo.
Il vecchio Gibbs era generalmente conosciuto dalla sua famiglia e dai colleghi come "Josiah", mentre il figlio era chiamato "Willard". Josiah Gibbs era un linguista e teologo che ha servito come professore di letteratura sacra alla Yale Divinity School dal 1824 fino alla sua morte nel 1861. È ricordato oggi principalmente come l'abolizionista che ha trovato un interprete per i passeggeri africani della nave Amistad, permettendo loro di testimoniare durante il processo che ha seguito la loro rivolta contro la vendita come schiavi.
Educazione
Willard Gibbs è stato educato alla Hopkins School e è entrato a Yale College nel 1854 all'età di 15 anni. A Yale, Gibbs ha ricevuto premi per l'eccellenza in matematica e latino, e si è laureato nel 1858, vicino al primo della sua classe. È rimasto a Yale come studente di dottorato alla Sheffield Scientific School. All'età di 19 anni, poco dopo la sua laurea dal college, Gibbs è stato ammesso nella Connecticut Academy of Arts and Sciences, un'istituzione accademica composta principalmente da membri della facoltà di Yale.
Relativamente pochi documenti del periodo sopravvivono ed è difficile ricostruire i dettagli della prima carriera di Gibbs con precisione. Nel parere dei biografi, il principale mentore e sostenitore di Gibbs, sia a Yale che nella Connecticut Academy, era probabilmente l'astronomo e matematico Hubert Anson Newton, un'autorità principale su meteoriti, che è rimasto amico e confidente di Gibbs per tutta la vita. Dopo la morte di suo padre nel 1861, Gibbs ha ereditato abbastanza denaro per renderlo finanziariamente indipendente.
Un disturbo polmonare ricorrente affliggeva il giovane Gibbs e i suoi medici erano preoccupati che potesse essere suscettibile alla tubercolosi, che aveva ucciso sua madre. Soffriva anche di astigmatismo, il cui trattamento era allora ancora in gran parte sconosciuto agli oculisti, quindi Gibbs ha dovuto diagnosticare se stesso e macinare le proprie lenti. Sebbene negli anni successivi usasse gli occhiali solo per leggere o altri lavori da vicino, la delicata salute di Gibbs e la vista imperfetta probabilmente spiegano perché non si offrì volontario per combattere nella Guerra Civile del 1861-65. Non è stato arruolato e è rimasto a Yale per la durata della guerra.
Nel 1863, Gibbs ha ricevuto il primo Dottorato di Filosofia (Ph.D.) in ingegneria concesso negli Stati Uniti, per una tesi intitolata "On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing", nella quale ha utilizzato tecniche geometriche per investigare il design ottimale per gli ingranaggi. Nel 1861, Yale era diventata la prima università statunitense a offrire un dottorato di ricerca e il suo era solo il quinto Ph.D. concesso negli Stati Uniti in qualsiasi disciplina.
Carriera, 1863–73
Dopo la laurea, Gibbs è stato nominato tutor al college per un periodo di tre anni. Durante i primi due anni, ha insegnato latino e durante il terzo anno, ha insegnato "filosofia naturale", cioè la fisica. Nel 1866, ha brevettato un design per un freno ferroviario e ha letto un articolo davanti alla Connecticut Academy, intitolato "The Proper Magnitude of the Units of Length", nel quale ha proposto uno schema per razionalizzare il sistema di unità di misura utilizzato in meccanica.
Dopo il termine di incarico come tutor, Gibbs ha viaggiato in Europa con le sue sorelle. Hanno trascorso l'inverno del 1866-67 a Parigi, dove Gibbs ha frequentato lezioni alla Sorbonne e al Collège de France, tenute da distinti scienziati matematici come Joseph Liouville e Michel Chasles. Avendo intrapreso un rigoroso regime di studio, Gibbs ha contratto un raffreddore grave e un medico, temendo la tubercolosi, gli ha consigliato di riposarsi sulla Riviera, dove lui e le sue sorelle hanno trascorso diversi mesi e dove ha fatto un pieno recupero.
Trasferendosi a Berlino, Gibbs ha frequentato le lezioni insegnate dai matematici Karl Weierstrass e Leopold Kronecker, nonché dal chimico Heinrich Gustav Magnus. Nell'agosto 1867, la sorella di Gibbs Julia è stata sposata a Berlino ad Addison Van Name, che era stato compagno di classe di Gibbs a Yale. La coppia appena sposata è tornata a New Haven, lasciando Gibbs e sua sorella Anna in Germania. Ad Heidelberg, Gibbs è stato esposto al lavoro dei fisici Gustav Kirchhoff e Hermann von Helmholtz, e del chimico Robert Bunsen. A quel tempo, gli accademici tedeschi erano le autorità principali nelle scienze naturali, specialmente chimica e termodinamica.
Gibbs è tornato a Yale nel giugno 1869 e ha brevemente insegnato francese agli studenti di ingegneria. Probabilmente è stato anche intorno a questo periodo che ha lavorato a un nuovo design per un regolatore di motore a vapore, la sua ultima indagine significativa nell'ingegneria meccanica. Nel 1871, è stato nominato Professore di Fisica Matematica a Yale, il primo incarico di questo tipo negli Stati Uniti. Gibbs, che aveva mezzi indipendenti e non aveva ancora pubblicato nulla, è stato assegnato per insegnare esclusivamente agli studenti di dottorato ed è stato assunto senza stipendio.
Carriera, 1873–80
Gibbs ha pubblicato il suo primo lavoro nel 1873. I suoi articoli sulla rappresentazione geometrica di quantità termodinamiche sono apparsi nelle Transactions of the Connecticut Academy. Questi articoli hanno introdotto l'uso di diversi diagrammi di fase di tipo, che erano i suoi aiuti preferiti al processo immaginativo quando conduceva ricerche, piuttosto che i modelli meccanici, come quelli che Maxwell ha utilizzato nella costruzione della sua teoria elettromagnetica, che potevano non rappresentare completamente i loro fenomeni corrispondenti. Sebbene la rivista avesse pochi lettori capaci di comprendere il lavoro di Gibbs, ha condiviso ristampe con corrispondenti in Europa e ha ricevuto una risposta entusiasta da James Clerk Maxwell a Cambridge. Maxwell ha perfino realizzato, con le sue stesse mani, un modello in argilla che illustra il costrutto di Gibbs. Poi ha prodotto due calchi in gesso del suo modello e ha inviato uno a Gibbs. Quel calco è esposto al dipartimento di fisica di Yale.
Maxwell ha incluso un capitolo sul lavoro di Gibbs nella prossima edizione del suo Theory of Heat, pubblicato nel 1875. Ha spiegato l'utilità dei metodi grafici di Gibbs in una conferenza alla Chemical Society of London e lo ha persino citato nell'articolo su "Diagrams" che ha scritto per l'Encyclopædia Britannica. Le prospettive di collaborazione tra lui e Gibbs sono state interrotte dalla morte prematura di Maxwell nel 1879, all'età di 48 anni. Lo scherzo circolò successivamente a New Haven che "solo un uomo era vivo che poteva comprendere i giornali di Gibbs. Quello era Maxwell, e ora è morto".
Gibbs ha quindi esteso la sua analisi termodinamica a sistemi chimici multifase, cioè a sistemi composti da più di una forma di materia e ha considerato una varietà di applicazioni concrete. Ha descritto quella ricerca in una monografia intitolata "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances", pubblicata dalla Connecticut Academy in due parti che sono apparse rispettivamente nel 1875 e nel 1878. Quell'opera, che copre circa trecento pagine e contiene esattamente settecento equazioni matematiche numerate, inizia con una citazione da Rudolf Clausius che esprime quello che sarebbe stato successivamente chiamato il primo e il secondo principio della termodinamica: "L'energia del mondo è costante. L'entropia del mondo tende verso un massimo".
La monografia di Gibbs ha applicato rigorosamente e ingegnosamente le sue tecniche termodinamiche all'interpretazione di fenomeni fisico-chimici, spiegando e mettendo in relazione quello che era stato precedentemente una massa di fatti e osservazioni isolati. L'opera è stata descritta come "la Principia della termodinamica" e come un'opera di "portata praticamente illimitata". Ha solidamente gettato le basi per la chimica fisica. Wilhelm Ostwald, che ha tradotto la monografia di Gibbs in tedesco, si è riferito a Gibbs come al "fondatore dell'energetica chimica". Secondo commentatori moderni,
È universalmente riconosciuto che la sua pubblicazione è stata un evento di primaria importanza nella storia della chimica ... Tuttavia è passato un certo numero di anni prima che il suo valore fosse generalmente noto, questo ritardo era dovuto in gran parte al fatto che la sua forma matematica e i suoi processi deduttivi rigorosi la rendono difficile da leggere per chiunque, e soprattutto per gli studenti di chimica sperimentale per i quali è più importante.
Gibbs ha continuato a lavorare senza compenso fino al 1880, quando la nuova Johns Hopkins University a Baltimore, Maryland gli ha offerto una posizione che pagava 3.000 dollari all'anno. In risposta, Yale gli ha offerto uno stipendio annuale di 2.000 dollari, che era contento di accettare.
Carriera, 1880–1903
Dal 1880 al 1884, Gibbs ha lavorato allo sviluppo dell'algebra esterna di Hermann Grassmann in un calcolo vettoriale ben adatto alle esigenze dei fisici. Con questo obiettivo, Gibbs ha fatto distinzione tra i prodotti scalari e vettoriali di due vettori e ha introdotto il concetto di diadici. Un lavoro simile è stato condotto indipendentemente, e nello stesso periodo, dal fisico matematico e ingegnere britannico Oliver Heaviside. Gibbs ha cercato di convincere altri fisici della convenienza dell'approccio vettoriale rispetto al calcolo dei quaternioni di William Rowan Hamilton, che era allora ampiamente utilizzato dagli scienziati britannici. Questo lo ha portato, nei primi anni 1890, a una controversia con Peter Guthrie Tait e altri sulle pagine di Nature.
Le note di lezione di Gibbs sul calcolo vettoriale sono state stampate privatamente nel 1881 e 1884 per l'uso dei suoi studenti, e sono state successivamente adattate da Edwin Bidwell Wilson in un libro di testo, Vector Analysis, pubblicato nel 1901. Quel libro ha aiutato a popularizzare la notazione "del" che è ampiamente utilizzata oggi nell'elettrodinamica e nella meccanica dei fluidi. In altri lavori matematici, ha riscoperto il "fenomeno di Gibbs" nella teoria delle serie di Fourier che, a sua insaputa e a quella di studiosi successivi, era stato descritto cinquant'anni prima da un oscuro matematico inglese, Henry Wilbraham.
Dal 1882 al 1889, Gibbs ha scritto cinque articoli sulla ottica fisica, nei quali ha investigato la birifrangenza e altri fenomeni ottici e ha difeso la teoria elettromagnetica della luce di Maxwell contro le teorie meccaniche di Lord Kelvin e altri. Nel suo lavoro su l'ottica, così come nel suo lavoro sulla termodinamica, Gibbs ha deliberatamente evitato di speculare sulla struttura microscopica della materia e ha deliberatamente confinato i suoi problemi di ricerca a quelli che possono essere risolti da ampi principi generali e fatti sperimentalmente confermati. I metodi che ha utilizzato erano altamente originali e i risultati ottenuti
