수학자는 자신이 원하는 무엇이든 말할 수 있지만, 물리학자는 최소한 부분적으로는 정신이 멀쩡해야 한다.
Josiah Willard Gibbs는 물리학, 화학, 수학에 중요한 이론적 기여를 한 미국 과학자였다. 열역학의 응용에 관한 그의 업적은 물리화학을 엄밀한 귀납 과학으로 변환하는 데 결정적인 역할을 했다. James Clerk Maxwell과 Ludwig Boltzmann과 함께, 그는 통계역학을 창시했으며 이 용어를 직접 만들어냈다. 통계역학은 많은 입자로 구성된 물리 시스템의 가능한 상태들의 앙상블의 통계적 성질의 결과로서 열역학의 법칙들을 설명한다. Gibbs는 또한 물리 광학의 문제들에 Maxwell의 방정식을 적용하는 일에도 종사했다. 수학자로서, 그는 같은 시기에 유사한 업적을 수행한 영국 과학자 Oliver Heaviside와 독립적으로 현대 벡터 미적분학을 발명했다.
1863년에 Yale은 Gibbs에게 미국 최초의 공학 박사학위를 수여했다. 유럽에서 3년간 체류한 후, Gibbs는 Yale에서 나머지 경력을 보냈으며, 1871년부터 사망할 때까지 수리물리학 교수였다. 상대적 고립 속에서 일하면서, 그는 국제적 명성을 얻은 미국 최초의 이론 과학자가 되었으며 Albert Einstein으로부터 "미국 역사상 가장 위대한 정신"으로 칭찬받았다. 1901년에 Gibbs는 당시 국제 과학 공동체가 수여하는 최고의 영예로 여겨졌던 London의 Royal Society의 Copley Medal을 받았으며, 이는 "수리물리학에 대한 그의 기여"를 인정한 것이었다.
평론가들과 전기 저자들은 Gibbs의 20세기 전환기 뉴잉글랜드에서의 조용하고 고독한 삶과 그의 사상이 미친 위대한 국제적 영향 사이의 대조에 주목해 왔다. 그의 업적이 거의 전적으로 이론적이었지만, Gibbs의 기여의 실용적 가치는 20세기 전반기 동안 산업 화학의 발전과 함께 명백해졌다. Robert A. Millikan에 따르면, 순수 과학에서 Gibbs는 "통계역학과 열역학에 대해 Laplace가 천체역학에 대해, Maxwell이 전자기학에 대해 한 것을 했다. 즉, 자신의 분야를 거의 완성된 이론적 구조로 만들었다."
전기
가정배경
Gibbs는 Connecticut의 New Haven에서 태어났다. 그는 17세기 이래 저명한 미국 성직자와 학자들을 배출해온 오래된 Yankee 가문에 속했다. 그는 다섯 자녀 중 네 번째이자 유일한 아들로, 부친 Josiah Willard Gibbs Sr.와 모친 Mary Anna (née Van Cleve)의 아들이었다. 부친 쪽으로는 1701년부터 1707년까지 Harvard College의 대리 총장을 역임한 Samuel Willard의 후손이었다. 모친 쪽으로는 그의 조상 중 한 명이 New Jersey 대학(나중의 Princeton University)의 초대 총장인 Rev. Jonathan Dickinson이었다. Gibbs의 주어진 이름은 부친과 확대 가족의 여러 다른 구성원과 공유했으며, 18세기에 Massachusetts Bay 주의 비서였던 그의 선조 Josiah Willard에서 파생되었다.
연로한 Gibbs는 가족과 동료들에게 일반적으로 "Josiah"로 알려져 있었고, 아들은 "Willard"라고 불렸다. Josiah Gibbs는 언어학자이자 신학자로 1824년부터 1861년 사망할 때까지 Yale Divinity School의 신성 문학 교수를 역임했다. 그는 오늘날 주로 노예로 팔리는 것에 저항하는 반란을 일으킨 후 재판에서 증언할 수 있도록 Amistad 선박의 아프리카 승객들의 통역관을 찾은 폐지론자로 기억된다.
교육
Willard Gibbs는 Hopkins School에서 교육을 받았으며 1854년 15세의 나이에 Yale College에 입학했다. Yale에서 Gibbs는 수학과 라틴어의 탁월성에 대한 상을 받았으며, 1858년에 졸업했을 때 반의 상위권에 있었다. 그는 Sheffield Scientific School에서 대학원 학생으로 Yale에 남았다. 대학 졸업 후 19세의 나이에, Gibbs는 주로 Yale 교수진으로 구성된 학술 기관인 Connecticut Academy of Arts and Sciences에 입회했다.
그 시대의 상대적으로 적은 문서가 남아 있고 Gibbs의 초기 경력의 세부 사항을 정확히 재구성하기는 어렵다. 전기 저자들의 의견으로는, Yale과 Connecticut Academy에서 Gibbs의 주요 멘토이자 옹호자는 아마도 유성의 선도적 권위자였던 천문학자이자 수학자 Hubert Anson Newton이었을 것이며, 그는 Gibbs의 평생 친구이자 신임하던 사람으로 남았다. 1861년 부친의 사망 후, Gibbs는 자신을 재정적으로 독립시키기에 충분한 돈을 상속받았다.
되풀이되는 폐 질환이 젊은 Gibbs를 괴롭혔고 그의 의사들은 그가 결핵에 걸리기 쉬울 수 있다고 우려했으며, 결핵은 그의 어머니를 죽였다. 그는 또한 난시증으로 고생했으며, 당시에는 안경사들 사이에서 치료가 거의 알려지지 않아서, Gibbs는 자신을 진단하고 자신의 렌즈를 갈아야 했다. 나중 생애에 그는 독서나 기타 세밀한 작업을 할 때만 안경을 사용했지만, Gibbs의 허약한 건강과 불완전한 시력은 아마도 1861-65년 내전 중 자원하여 싸우지 않은 이유를 설명해 준다. 그는 징집되지 않았고 전쟁 기간 동안 Yale에 남았다.
1863년에 Gibbs는 미국에서 처음 수여된 공학 철학박사(Ph.D.)를 받았으며, 학위 논문 제목은 "스퍼 기어링에서 톱니바퀴 톱니의 형태에 관하여"였다. 이 논문에서 그는 기하학적 기법을 사용하여 기어의 최적 설계를 조사했다. 1861년에 Yale은 미국 최초로 박사학위를 제공하는 대학이 되었고 Gibbs의 것은 어떤 주제에서든 미국에서 수여된 다섯 번째 박사학위였다.
경력, 1863–73
졸업 후, Gibbs는 3년 임기로 대학의 강사로 임명되었다. 처음 2년 동안 그는 라틴어를 가르쳤으며 3년째에는 "자연철학" 즉, 물리학을 가르쳤다. 1866년에 그는 철도 제동기 설계의 특허를 얻었고 Connecticut Academy 앞에서 "길이 단위의 적절한 크기"라는 제목의 논문을 읽었으며, 여기서 그는 역학에 사용되는 측정 단위 체계를 합리화하는 방안을 제안했다.
강사로서의 임기가 끝난 후, Gibbs는 자신의 자매들과 함께 유럽으로 여행했다. 그들은 1866-67년 겨울을 Paris에서 보냈으며, Gibbs는 Sorbonne과 Collège de France에서 Joseph Liouville과 Michel Chasles 같은 저명한 수학 과학자들이 제공한 강의를 청강했다. 혹독한 공부 일과를 거친 후, Gibbs는 심한 감기에 걸렸고 의사는 결핵을 우려하여 Riviera에서 휴식을 취할 것을 권고했으며, 그곳에서 그와 그의 자매들은 수개월을 보냈고 그곳에서 완전히 회복했다.
Berlin으로 이주하여, Gibbs는 수학자 Karl Weierstrass와 Leopold Kronecker, 그리고 화학자 Heinrich Gustav Magnus가 제공한 강의를 청강했다. 1867년 8월에 Gibbs의 자매 Julia는 Berlin에서 Yale의 반급 친구였던 Addison Van Name과 결혼했다. 새로 결혼한 부부는 New Haven으로 돌아갔으며, Gibbs와 그의 자매 Anna를 독일에 남겼다. Heidelberg에서 Gibbs는 물리학자 Gustav Kirchhoff와 Hermann von Helmholtz, 그리고 화학자 Robert Bunsen의 업적에 노출되었다. 당시 독일의 학자들은 자연과학, 특히 화학과 열역학 분야에서 주도적 권위자들이었다.
Gibbs는 1869년 6월에 Yale로 돌아왔고 공학 학생들에게 짧은 기간 동안 프랑스어를 가르쳤다. 아마도 또한 이 무렵에 그는 증기 엔진 조속기의 새로운 설계에 대해 작업했으며, 이것이 기계 공학에서의 그의 마지막 중요한 조사였다. 1871년에 그는 Yale에서 수리물리학 교수로 임명되었으며, 이는 미국 최초의 그러한 교수직이었다. 독립적인 수단을 가진 Gibbs는 아직 아무것도 발표하지 않았으며, 대학원 학생들만 가르치도록 배정되었고 급여 없이 채용되었다.
경력, 1873–80
Gibbs는 1873년에 첫 번째 저작을 발표했다. 열역학 양의 기하학적 표현에 관한 그의 논문들은 Connecticut Academy의 Transactions에 실렸다. 이 논문들은 다양한 유형의 상태 다이어그램의 사용을 소개했으며, 이는 Maxwell이 자신의 전자기 이론을 구성할 때 사용한 기계적 모델과 같이 해당하는 현상을 완전히 표현할 수는 없는 대신 연구를 할 때 상상 과정에 그의 즐겨 찾는 보조 도구였다. 저널이 Gibbs의 업적을 이해할 수 있는 독자가 거의 없었지만, 그는 유럽의 특파원들과 인쇄본을 공유했고 Cambridge의 James Clerk Maxwell로부터 매우 열정적인 반응을 받았다. Maxwell은 Gibbs의 구성을 설명하는 점토 모델을 직접 손으로 만들었다. 그 후 그는 자신의 모델의 석고 주형 두 개를 만들고 그 중 하나를 Gibbs에게 우편으로 보냈다. 그 주형은 Yale 물리학과에 전시되어 있다.
Maxwell은 1875년에 발표된 그의 Theory of Heat의 다음 판에 Gibbs의 업적에 관한 장을 포함시켰다. 그는 Chemical Society of London의 강의에서 Gibbs의 그래프 방법의 유용성을 설명했고 심지어 Encyclopædia Britannica를 위해 자신이 작성한 "Diagrams" 기사에서도 이를 언급했다. 그와 Gibbs 사이의 협력 전망은 48세의 나이로 1879년에 Maxwell의 조기 사망으로 단절되었다. 나중에 New Haven에서 "Gibbs의 논문을 이해할 수 있는 사람은 단 한 명뿐이었다. 그것은 Maxwell이었고, 이제 그는 죽었다"는 농담이 퍼졌다.
Gibbs는 그 후 자신의 열역학적 분석을 다중 상 화학 시스템, 즉 물질의 한 형태 이상으로 구성된 시스템으로 확장했으며 다양한 구체적인 응용을 고려했다. 그는 "이질 물질의 평형에 관하여"라는 제목의 저작에서 그 연구를 설명했으며, Connecticut Academy에 의해 출판되었으며 각각 1875년과 1878년에 나타난 두 부분으로 발표되었다. 약 3백 페이지를 차지하고 정확히 700개의 번호가 매겨진 수학 방정식을 포함하는 그 업적은 나중에 열역학의 제1법칙과 제2법칙이라고 불릴 것을 표현하는 Rudolf Clausius의 인용문으로 시작한다: "세계의 에너지는 일정하다. 세계의 엔트로피는 최대값을 향한다."
Gibbs의 저작은 엄밀하고 독창적으로 자신의 열역학적 기법을 물리화학적 현상의 해석에 적용했으며, 이전에 고립된 사실과 관찰의 대량이었던 것을 설명하고 관련시켰다. 그 업적은 "열역학의 Principia"로, 그리고 "거의 무한한 범위의" 업적으로 설명되었다. 그것은 물리화학의 기초를 확실히 마련했다. Gibbs의 저작을 독일어로 번역한 Wilhelm Ostwald는 Gibbs를 "화학 에너지학의 창시자"라고 칭했다. 현대의 평론가들에 따르면,
그 발표가 화학사에서 첫 번째 중요성의 사건이었다는 것은 보편적으로 인정되고 있다... 그럼에도 불구하고 그 가치가 일반적으로 알려지기까지는 수년이 필요했으며, 이러한 지연은 주로 그것의 수학적 형태와 엄밀한 연역적 과정 때문에 누구든 읽기 어려웠고, 특히 그것이 가장 관심을 갖는 실험 화학 학생들에게 그러했다.
Gibbs는 1880년까지 급여 없이 계속 일했으며, 1880년 Baltimore, Maryland의 새로운 Johns Hopkins University가 연간 $3,000의 급여를 제공하는 직위를 제안했다. 이에 대응하여 Yale은 그에게 연간 $2,000의 급여를 제안했으며, 그는 이를 받아들이는 데 만족했다.
경력, 1880–1903
1880년부터 1884년까지, Gibbs는 Hermann Grassmann의 외부 대수를 물리학자의 필요에 적합한 벡터 미적분학으로 개발하는 일에 종사했다. 이러한 목적을 염두에 두고, Gibbs는 두 벡터의 점 곱셈과 외적을 구분했으며 dyadic의 개념을 도입했다. 유사한 업적이 영국의 수학 물리학자이자 공학자 Oliver Heaviside에 의해 독립적으로, 거의 같은 시기에 수행되었다. Gibbs는 당시 영국 과학자들에 의해 널리 사용되던 William Rowan Hamilton의 quaternionic 미적분학에 비해 벡터 접근법의 편의성을 다른 물리학자들에게 확신시키려고 노력했다. 이는 그를 1890년대 초에 Nature의 페이지에서 Peter Guthrie Tait 및 다른 사람들과의 논쟁으로 이끌었다.
Gibbs의 벡터 미적분학에 관한 강의 노트는 그의 학생들의 사용을 위해 1881년과 1884년에 사적으로 인쇄되었으며, 나중에 Edwin Bidwell Wilson에 의해 1901년에 출판된 교과서 Vector Analysis로 각색되었다. 그 책은 오늘날 전자기학과 유체역학에서 널리 사용되는 "del" 표기법을 대중화하는 데 도움이 되었다. 다른 수학적 업적에서, 그는 Fourier 급수 이론에서 "Gibbs 현상"을 재발견했으며, 이것은 그와 나중의 학자들이 모르는 사이에 50년 전에 모호한 영국 수학자 Henry Wilbraham에 의해 설명되었다.
1882년부터 1889년까지, Gibbs는 물리 광학에 관한 5개의 논문을
