Bir matematikçi istediği her şeyi söyleyebilir, ancak bir fizikçi en azından kısmen sane olmalıdır.
Josiah Willard Gibbs, fizik, kimya ve matematik alanlarında önemli teorik katkılarda bulunan bir Amerikan bilim insanıydı. Termodinamiklerin uygulanmasına ilişkin çalışmaları, fiziksel kimyayı titiz bir tümevarımsal bilime dönüştürmede araçsal rol oynamıştır. James Clerk Maxwell ve Ludwig Boltzmann ile birlikte, termodinamiklerin yasalarını birçok parçacıktan oluşan fiziksel bir sistemin olası durumlarının topluluklarının istatistiksel özellikleri olarak açıklayan istatistiksel mekaniği (bu terimi kendisi ortaya koyan) oluşturmuştur. Gibbs ayrıca Maxwell denklemlerinin fiziksel optikteki problemlere uygulanması üzerinde çalışmıştır. Matematikçi olarak, aynı dönemde benzer çalışmalar yapan İngiliz bilim insanı Oliver Heaviside'den bağımsız olarak modern vektör analizini icat etmiştir.
1863'te Yale, Gibbs'e mühendislikte ilk Amerikan doktorasını vermiştir. Avrupa'da üç yıl geçirdikten sonra Gibbs, kariyerinin geri kalanını Yale'de geçirmiş ve 1871'den ölümüne kadar matematiksel fizik profesörü olmuştur. Göreceli olarak izolasyon içinde çalışan Gibbs, Amerika Birleşik Devletleri'nde uluslararası bir ün kazanan ilk teorik bilim insanı olmuş ve Albert Einstein tarafından "Amerikan tarihinin en büyük zihni" olarak övülmüştür. 1901'de Gibbs, o zamanlar uluslararası bilim topluluğu tarafından verilen en yüksek onur sayılan Royal Society of London'ın Copley Madalyasını "matematiksel fiziye yaptığı katkılar için" almıştır.
Yorumcular ve biyograflar, Gibbs'in yüzyıl dönümü New England'daki sakin, yalnız yaşamı ile fikirlerinin büyük uluslararası etkisi arasındaki kontrastı belirtmişlerdir. Çalışması neredeyse tamamen teorik olmasına rağmen, Gibbs'in katkılarının pratik değeri 20. yüzyılın ilk yarısında endüstriyel kimyanın gelişmesiyle açık hale gelmiştir. Robert A. Millikan'a göre, saf bilimde Gibbs, "istatistiksel mekanik ve termodinamik için Laplace'ın gök mekaniği için ve Maxwell'in elektrodinamik için yaptığını, yani kendi alanını neredeyse tamamlanmış bir teorik yapı haline getirmiştir."
Biyografi
Aile geçmişi
Gibbs, Connecticut'ın New Haven şehrinde doğmuştur. 17. yüzyıldan beri seçkin Amerikan rahipler ve akademisyenler yetiştirmiş eski bir Yankee ailesine mensuptu. Beş çocuğun dördüncüsü ve Josiah Willard Gibbs Sr. ile eşi Mary Anna, née Van Cleve'nin tek oğluydu. Babasının tarafından Samuel Willard'ın soyundan geliyordu; Samuel Willard 1701'den 1707'ye kadar Harvard College'ın geçici başkanı olarak görev yapmıştır. Annesinin tarafından, atalarından biri, New Jersey College'ın (daha sonra Princeton Üniversitesi) ilk başkanı olan Rev. Jonathan Dickinson idi. Gibbs'in adı, babasının ve genişletilmiş ailesinin birkaç başka üyesinin adları ile aynı idi ve 18. yüzyılda Massachusetts Bayhurda Vali yardımcısı olmuş olan Josiah Willard atalarından türemişti.
Yaşlı Gibbs genel olarak aile ve meslektaşları tarafından "Josiah" olarak bilinirken, oğlu "Willard" olarak adlandırılıyordu. Josiah Gibbs, 1824'ten 1861'de ölümüne kadar Yale Divinity School'da kutsal literatür profesörü olarak görev yapan bir dilbilimci ve ilahiyatçıydı. Günümüzde başlıca olarak, gemi Amistad'ın Afrikalı yolcuları için bir tercüman bulan ve köle olarak satılmalarına karşı isyandan sonraki davada tanıklık etmelerine izin veren abolitionist olarak anılır.
Eğitim
Willard Gibbs, Hopkins School'da eğitim almış ve 1854'te 15 yaşında Yale College'a girmiştir. Yale'de Gibbs, matematik ve Latince'de mükemmellik için ödüller almış ve 1858'de sınıfının en üst kademesinde mezun olmuştur. Sheffield Scientific School'da Yale'de yüksek lisans öğrencisi olarak kalmıştır. Üniversiteden yakın zamanda, 19 yaşında Gibbs, Connecticut Academy of Arts and Sciences'a üye seçilmiştir; bu kurum esas olarak Yale fakültesi üyelerinden oluşan akademik bir kuruluştur.
Dönemden nispeten az belge kalmış ve Gibbs'in erken dönem kariyerinin ayrıntılarını kesinlikle yeniden yapılandırmak zordur. Biyografların görüşüne göre, Gibbs'in başlıca mentor ve destekçisi, hem Yale'de hem de Connecticut Academy'de, muhtemelen meteorlar konusunda önde gelen otorite olan ve Gibbs'in ömür boyu arkadaşı ve gizli danışmanı olan astronom ve matematikçi Hubert Anson Newton idi. 1861'de babasının ölümünden sonra, Gibbs onu finansal olarak bağımsız kılan kadar para miras aldı.
Tekrarlayan akciğer sorunları genç Gibbs'i rahatsız etti ve doktorları onun tüberküloza yatkın olabileceğinden endişe duydular; bu hastalık annesini öldürmüştü. Ayrıca astigmatizmadan muzdarip olmuş, çünkü tedavisi o zaman gözlükçüler tarafından halen büyük ölçüde bilinmiyordu; bu nedenle Gibbs kendini teşhis etmek ve kendi mercek öğütmek zorunda kalmıştı. Sonraki yıllarda gözlükleri yalnızca okuma veya diğer yakın çalışmalar için kullansa da, Gibbs'in hassas sağlığı ve eksik görüşü muhtemelen 1861-65 İç Savaşı'nda gönüllü olarak savaşmamasını açıklar. Asker çekilmedi ve savaş boyunca Yale'de kaldı.
1863'te Gibbs, "Dış Dişli Sistem Dişlerinin Şekli Hakkında" başlığı altında yazılmış bir tez için Amerika Birleşik Devletleri'nde verilen ilk Felsefe Doktoru (Ph.D.) mühendislik derecesini aldı; tezinde dişlilerin optimal tasarımını araştırmak için geometrik teknikler kullanmıştır. 1861'de Yale, Ph.D. derecesini sunmak için ilk ABD üniversitesi olmuş ve Gibbs'in derecesi herhangi bir konuda ABD'de verilen beşinci Ph.D. idi.
Kariyer, 1863–73
Mezuniyetten sonra, Gibbs üç yıl süreyle kolej için öğretim görevlisine atandı. İlk iki yıl Latince öğretti, üçüncü yıl "doğal felsefe", yani fizik öğretti. 1866'da demiryolu freninin bir tasarımı için patent aldı ve Connecticut Academy'nin önünde "Uzunluk Birimlerin Uygun Büyüklüğü" başlığı altında, mekanik çalışmalarda kullanılan ölçü birimleri sistemini rasyonalize etme planını önerdiği bir makale sundu.
Tutor görevi bittikten sonra, Gibbs kız kardeşleriyle birlikte Avrupa'ya seyahat etti. 1866-67 kışını Paris'te geçirdiler; orada Gibbs Joseph Liouville ve Michel Chasles gibi seçkin matematiksel bilim insanları tarafından verilen Sorbonne ve Collège de France'da dersler aldı. Zahmetli bir çalışma rejimine girdikten sonra Gibbs ağır bir soğuk algınlığına tutuldu ve bir doktor tüberkülozdan korkarak ona Riviera'da dinlenmesini tavsiye etti; orada kendisi ve kız kardeşleri birkaç ay geçirdiler ve tam iyileşti.
Berlin'e geçen Gibbs, matematikçiler Karl Weierstrass ve Leopold Kronecker ile kimyager Heinrich Gustav Magnus tarafından verilen dersleri aldı. Ağustos 1867'de Gibbs'in kız kardeşi Julia, Yale'de Gibbs'in sınıf arkadaşı olan Addison Van Name ile Berlin'de evlendi. Yeni evli çift New Haven'a döndü ve Gibbs ile kız kardeşi Anna'yı Almanya'da bıraktı. Heidelberg'de Gibbs, fizikçiler Gustav Kirchhoff ve Hermann von Helmholtz ile kimyager Robert Bunsen'in çalışmalarına maruz kaldı. O dönemde, Alman akademisyenler doğal bilimler, özellikle kimya ve termodinamik alanında önde gelen otoritelerdi.
Gibbs, Haziran 1869'da Yale'ye döndü ve kısaca mühendislik öğrencilerine Fransızca öğretti. Muhtemelen aynı zamanda da bir buhar motoru vali mekanizması için yeni bir tasarım üzerinde çalışmış olması, mekanik mühendislikte son önemli araştırması oldu. 1871'de Yale'de Matematiksel Fizik Profesörü olarak atandı; bu Amerika Birleşik Devletleri'nde ilk böyle profesörlüktü. Bağımsız kaynakları olan ve henüz hiçbir şey yayınlamamış olan Gibbs, yalnızca yüksek lisans öğrencilerine öğretmesi için atandı ve maaş olmaksızın işe alındı.
Kariyer, 1873–80
Gibbs ilk eserini 1873'te yayınladı. Termodinamik miktarların geometrik temsili hakkındaki makaleleri Connecticut Academy'nin Bildirilerine göründü. Bu makaleler, araştırma yaparken hayal etme sürecine yardımcı olmak için, elektromanyetik teorisini oluştururken Maxwell'in kullandığı mekanik modeller gibi karşılık gelen olguları tamamen temsil etmeyebilecek olan modeller yerine, farklı faz diyagramlarının kullanılmasını tanıttı. Derginin Gibbs'in çalışmasını anlayabilen çok az okuyucusu olmasına rağmen, o Cambridge'deki James Clerk Maxwell'e ayrıntılı kopyalar gönderdi ve Cambridge'den coşkulu bir yanıt aldı. Maxwell, Gibbs'in yapısını gösteren bir çamur modeli bile kendi elleriyle yaptı. Daha sonra modelinin iki alçı kalıbını yaptı ve birini Gibbs'e gönderdi. Bu kalıp, Yale fizik departmanında sergilenmektedir.
Maxwell, 1875'te yayınlanan Theory of Heat'in bir sonraki baskısında Gibbs'in çalışması hakkında bir bölüm ekledi. Gibbs'in grafik yöntemlerinin faydalarını Londra Kimya Topluluğuna verdiği bir derste açıkladı ve hatta Encyclopædia Britannica için yazdığı "Diyagramlar" makalesinde de buna atıfta bulundu. Maxwell ile Gibbs arasında işbirliği beklentileri Maxwell'ün 1879'da 48 yaşında erken ölümüyle kesintiye uğradı. Daha sonra New Haven'da "Gibbs'in makalelerini anlayabilen tek bir insan yaşıyordu. O Maxwell'di ve şimdi o öldü" şakası dolaştı.
Gibbs daha sonra termodinamik analizi çok fazlı kimyasal sistemlere, yani maddenin birden fazla biçiminden oluşan sistemlere genişletti ve çeşitli somut uygulamalar dikkate aldı. Bu araştırmasını "Heterojen Maddelerin Dengesi Hakkında" başlığı altında bir monografda anlattı; Connecticut Academy tarafından sırasıyla 1875 ve 1878'de göründü iki bölüm halinde yayınlandı. Yaklaşık üç yüz sayfayı kapsayan ve tam olarak yedi yüz numaralı matematiksel denklem içeren bu çalışma, daha sonra termodinamiklerin birinci ve ikinci yasaları olarak adlandırılan şeyi ifade eden Rudolf Clausius'tan bir alıntıyla başlar: "Dünyanın enerjisi sabittir. Dünyanın entropisi maksimuma doğru eğilim gösterir."
Gibbs'in monografı, termodinamik tekniklerini fiziko-kimyasal fenomenlerin yorumlanmasına kesin ve zekice bir şekilde uyguladı; daha önce izole gerçeklerin ve gözlemlerin bir yığını olmuş olanları açıkladı ve bağlantılı. Çalışma "termodinamiklerin Principia'sı" ve "neredeyse sınırsız kapsamın" bir çalışması olarak tanımlanmıştır. Fiziksel kimya için temeli sağlam bir şekilde attı. Gibbs'in monografını Almancaya çeviren Wilhelm Ostwald, Gibbs'i "kimyasal enerjinin kurucusu" olarak adlandırdı. Modern yorumcular tarafından,
Yayımlanmasının kimya tarihinde ilk derecede bir olay olduğu evrensel olarak kabul edilir... Yine de değeri genel olarak bilinmeden önce birkaç yıl geçti; bu gecikme, büyük ölçüde matematiksel biçimi ve kesin tümdengelimli yöntemleri, herhangi biri tarafından ve özellikle de onu en çok ilgilendiren deneysel kimya öğrencileri tarafından okunması zor hale getiren gerçeğinden kaynaklanmıştır.
Gibbs, 1880'de yeni Johns Hopkins Üniversitesi'nin Baltimore, Maryland'de ona yıllık 3.000 dolar ödenen bir görev teklif etmesine kadar ücret almadan çalışmaya devam etti. Buna karşılık Yale, yıllık 2.000 dolar maaş teklif etti ve Gibbs bunu kabul etmeye razı oldu.
Kariyer, 1880–1903
1880'den 1884'e kadar Gibbs, Hermann Grassmann'ın dış cebirini fizikçilerin ihtiyaçlarına uygun bir vektör analizine geliştirme üzerinde çalıştı. Bu amaçla, Gibbs iki vektörün nokta ve çapraz çarpımları arasında ayrım yaptı ve diadikler kavramını tanıttı. Benzer çalışma, İngiliz matematiksel fizikçi ve mühendis Oliver Heaviside tarafından bağımsız olarak ve aynı zamanda yaklaşık olarak yapıldı. Gibbs, o zamanlar İngiliz bilim insanları tarafından yaygın olarak kullanılan William Rowan Hamilton'un kuaterniyon analizinden ziyade vektöriyal yaklaşımının uygunluğundan diğer fizikçileri ikna etmeye çalıştı. Bu, 1890'ların başında, Nature sayfalarında Peter Guthrie Tait ve diğerleriyle bir tartışmaya yol açtı.
Gibbs'in vektör analizine ilişkin ders notları öğrencileri için 1881 ve 1884'te özel olarak basıldı ve daha sonra Edwin Bidwell Wilson tarafından 1901'de yayınlanan bir ders kitabı olan Vector Analysis'e uyarlandı. Bu kitap, elektrodinamik ve akışkan mekaniğinde bugün yaygın olarak kullanılan "del" gösteriminin popülarite kazanmasına yardımcı oldu. Diğer matematiksel çalışmalarda, elli yıl önce belirsiz bir İngiliz matematikçi Henry Wilbraham tarafından tanımlanmış olduğunu (kendisi ve daha sonra gelen bilim insanları tarafından bilinmediği halde) Fourier serileri teorisinde "Gibbs fenomeni"ni yeniden keşfetti.
1882'den 1889'a kadar Gibbs, kırılma ve diğer optik fenomenleri araştırdığı ve Maxwell'in ışığın elektromanyetik teorisini Lord Kelvin ve diğerlerinin mekanik teorilerine karşı savunduğu fiziksel optik üzerine beş makale yazdı. Optik çalışmasında, termodinamik çalışmasında olduğu kadar, Gibbs kasıtlı olarak maddenin mikroskobik yapısı hakkında spekülasyon yapmaktan kaçınmış ve araştırma problemlerini geniş genel ilkelerden ve deneysel olarak doğrulanmış gerçeklerden çözülebilecek olanlarla kasıtlı olarak sınırlamıştır. Kullandığı yöntemler oldukça orijinaldi ve elde
