Josiah Willard Gibbs

 

En 1863, la Universitato Yale premiis Gibson per la unua usona doktoreco pri inĝenierado. Post tri-jara restado en Eŭropo, Gibso pasis la resto de sia kariero en Yale, kie li estis profesoro pri matematika fiziko el 1871 ĝis sia morto. Laborante relative izolita, li fariĝis la plej frua teoria sciencisto en Usono kiu ricevis internacian agnoskon kaj estis laŭdata de Alberto Ejnŝtejno kiel "la plej granda geniulo de la usona historio". En 1901, Gibso ricevis tion, kio estas konsiderata la plej granda honoro donita de internacia scienca komunumo, la Medalo Copley de la Reĝa Societo de Londono "dank'al liaj kontribuaĵoj al matematiko kaj fiziko."

Komentistoj kaj biografoj rimarkis la kontraston inter la silenta kaj soleca vivo de Gibso dum la jarcenta turniĝo de Nova Anglio kaj la granda internacia influo de liaj ideoj. Kvankam lia laboro estis preskaŭ tute teoria, la praktika valoro de liaj kontribuaĵoj evidentiĝis per la industria disvolviĝo de kemio dum la unua duono de la 20-a jarcento. Laŭ la usona eksperimenta fizikisto Roberto Millikan (1868-1953), en pura scienco, Gibso "faris por la statistika meĥaniko kaj termodinamiko tion, kion Laplace faris por la ĉiela meĥaniko kaj Maxwell por la elektrodinamiko, tio estas, faris lian agadkampon preskaŭ finitan teorian strukturon.

 

Gibso apartenis al antikva Jankia familio kiu produktis distingiĝajn usonajn klerikojn kaj akademiulojn ekde la 17-a jarcento. Li estas la 4-a el kvin infanoj kaj la sola filo de la teologo kaj lingvisto Josiah Willard Gibbs (1790-1861) kaj ties edzino Mary Anna (fraŭla nomo van Cleve). Flanke de sia patro, lia antaŭulo estis Samuel Willard (1640-1707), kiu estis prezidanto de la Fakultato Harvarda ^[1] inter 1701 kaj 1707. Laŭ sia patrina flanko, unu el liaj antaŭuloj estis Jonathan Dickinson (1688-1747), la unua prezidanto de la Fakultato de Nova Ĵerzejo^[2], estonta Universitato Princeton. La nomo de li ricevita, kiun li dividis kun aliaj membroj de sia familio, devenis de sia prapatro Joŝijo Gibso, kiu estis sekretario Provinco de la Masaĉuseca Golfo^[3] en la 18-a jarcento.

La maljuna Gibso estis ĝenerale nomita "Joŝijo" de lia familio, dum la filo estis nomita "Vilardo". La maljuna Joŝijo Gibso estis lingvisto kaj teologo, kiu servis kiel profesoro pri sankta literaturo en la Teologia Lernejo de Yale^[4] de 1824 ĝis sia morto en 1861. Nuntempe li ĉefe rememoriĝas kiel la aboliciisto kiu trovis interpretiston por la afrikaj pasaĝeroj de la ŝipo "Amistad", permesante al ili atesti dum la juĝoperiodo sekvanta al ilia ribelo kontraŭ la eblo vendiĝi kiel sklavoj.

Vilardo Gibso edukiĝis en la Lernejo Hopkins^[5] kaj en 1854 li enmatrikuliĝis en la Fakultato Yale^[6], estante 15-jara. Li diplomiĝis en 1858, preskaŭ la plej bona de sia klasĉambro, kaj ricevis premiojn pro sia perfekteco pri matematiko kaj latina lingvo. Li restis en Yale kiel diplomita studento en la Scienca Lernejo Sheffield^[7]. Kiam li estis 19- jara, iom post sia diplomiĝo de la fakultato, Gibso li ekfaris parton de la Konektikuta Akademio pri Artoj kaj Sciencoj^[8], iu faka institucio ĉefe komponita per membroj de la Fakultato Yale.

Tre malmultaj dokumentoj supervivis al tiu periodo kaj tio malfaciligas la precizan rekonstruon kun detaloj pri la frua kariero de Gibso. En la opinio de biografoj, la ĉefa mentoro kaj patrono de Gibso, kaj en Yale kaj en la Konektikuta Akademio, tre eble estis la astronomo kaj matematikisto Hubert Anson Newton (1830-1896), renoma aŭtoritatulo pri meteoroj, kiu restis dumviva amiko kaj konfidanto de Gibso. Post la morto de sia patro, en 186, Gibso heredis sufiĉe financan situacion kiu portis al li sendependecon.

Rikura pulma malsano afliktis la junan Gibson kaj liaj kuracistoj maltrankviliĝis ke li eble povas kontaĝi pri tuberkulozo, kiu jam estis mortigita lia patrino. Li ankaŭ suferis pri astigmatismo, kies traktado estis preskaŭ nekonata de la tiamaj oftalmologoj, tiamaniere ke Gibso devis mem diagnozi kaj krei siajn proprajn lensojn. Kvankam en la estontaj jaroj li nur uzis okulvitrojn por legado kaj aliaj proksimaj laboroj, la delikata sano de Gibso kaj la neperfekta vidado eble eksplikos kial li ne engaĝiĝis kiel volontulo por batali en la Civila Milito 1861-65. Li ne varbiĝis kaj li restis en Yale dum la militodaŭro.

En 1863, Gibso ricevis sian PhD pri inĝenierado rajtigita en Usono, kies tezo estis titolita: "On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing"^[9], kie li uzis geometriajn teknikojn por trovi la plej bonan dezajnon por dentradaroj. Ĉi tiu estis ankaŭ la 5-a PhD rajtigita en Usono pri ajna temo. Post diplomiĝo, Gibso estis indikita kiel kuratoro de la Fakultato por trijara periodo. Dum la du unuaj jaroj li instruis la latinan kaj en la tria "naturan filozofion". En 1866, li patentigis projekton pri fervoja bremso kaj prelegis antaŭ la Akademio de Konektikuto pri dokumento titolita: "The Proper Magnitude of the Units of Length"^[10], kie li proponas skemon por raciigi la unuo-sistemon por mezuroj uzataj en meĥaniko.

Post la fino de sia kuratoreco, Gibso vojaĝis al Eŭropo kune kun siaj du fratinoj. Inter 1866-67 ili travintris en Parizo, kie Gibso vizitadis kelkajn lecionojn en la Universitato de Parizo kaj en la Kolegio de Francio, donitaj de distingaj sciencistoj kiel Joseph Liouville (1809-1882) kaj Michel Chasles (1793-1880). Post engaĝiĝi en puna studodieto, Gibso forte malvarmumiĝis kaj iu kuracisto, timante pri tuberkulozo, konsilis lin ferii en franca Riviera, kie li kaj liaj fratinoj restis dum pluraj monatoj kaj li komplete saniĝis.

Translokiĝinte al Berlino, Gibso vizitadis la lecionojn donitajn de la matematikistoj Karl Weierstrass (1815-1897) kaj Leopold Kronecker (1823-1891) krom la kemiisto Heinrich Gustav Magnus (1802-1870). En aŭgusto 1867, Julia, la fratino de Gibso, edziniĝis en Berlino al Addison van Name, kiu cetere estis samklasano de Gibso en la Universitato Yale. La ĵus geedziĝinta paro reiris al New Haven, kaj lasis Gibson kune kun lia fratino Anna en Germanio. En Heidelberg, Gibso havis la oportunon koni la laboraĵojn de la fizikistoj Gustav Kirchhoff (1824-1887) krom la kemiisto Robert Bunsen (1811-1899). Tiuepoke, la germanaj akademianoj havis fortan influon sur la aŭtoritatuloj pri natursciencoj, ĉefe kemio kaj termodinamiko.

Gibso revenis al Yale en junio 1869, kaj baldaŭe instruis la francan al studentoj pri inĝenierado. Tre eble dum tiu epoko li laboris sur nova projekto pri meĥanismo por vaporsistemo, lia lasta signifoplena esplorado pri meĥanika inĝenierado. En 1871, li estis nomumita Profesoro pri Matematika Fiziko ĉe Yale, la unua profesoro pri tiu katedro en Usono. Gibso, kiu estis finance sendependa kaj povis publikigi ĉion kion li volis, estis invitita por instrui ekskluzive diplomitajn studentojn kaj ekoficiĝis sensalajre. Profesoroj kun sensalajraj postenoj estis ordinaraĵo en la germanaj universitatoj, sur kies fundamentoj baziĝis la scienca intruado de diplomitoj en la Universitato Yale.

En 1873, Gibso publikigis sian unuan verkon, tiam kiam li nekutime estis en avancita aĝo 34-a. Liaj dokumentoj pri geometria reprezentado de termodinamikaj valoroj aperis en la verko "Transactions of the Connecticut Academy"^[11]. Ĉi-periodaĵo havis malmultajn legantojn kapablajn kompreni la verkon de Gibso, tamen, li dividis represaĵojn kun korespondantoj en Eŭropo kaj ricevis entuziasman respondon el James Clerk Maxwell (1831-1879), en Kembriĝo. Maxwell nepre faris, propramane, iu argila modelo ilustrante la projekton de Gibso. Li tiam produktis tri gipsajn muldilojn de lia modelo kaj enpoŝtigis unu al Gibso. Tiu muldilo eksponiĝas en la Fizika Departemento de la Universitato Yale.

Maxwell inkluzivis unu ĉapitron pri la laboro de Gibso en sia verko "Teorio pri Varmo"^[12], publikigita en 1875. Li klarigis la uzeblecon de la grafikaj metodoj de Gibso en prelego kiun li faris en la Kemia Societo de Londono^[13] kaj eĉ menciis ĝin en sia artikolo pri "Diagramoj" kiun li skribis por la Encyclopædia Britannica. Prikunlaboraj prospektoj inter Maxwell kaj Gibso restis nekompletaj pro la frua morto de Maxwell, en 1879, aĝante 48 jarojn. Ŝerca medio cirkulis en New Haven dirante ke "nur unu homo ekzistis povanta kompreni la dokumentojn de Gibso. Tiu homo estis Maxwell kaj nun li estas mortinta."

Gibso tiam etendis siajn analizojn pri termodinamiko al plurfazaj sistemoj (tio estas, sistemoj komponitaj de pli ol unu tipo de materio) kaj konsideris serion da konkretaj aplikadoj. Li priskribis tiun esploradon en monografion titolitan "Pri la ekvilibro de la heterogenaj substancoj"^[14], publikigita de la Konektikuta akademio en du partoj aperantaj respektive en 1875 kaj 1878. Tiu verko, entute entenanta preskaŭ tricent paĝojn, enhavas ekzakte sepcent matematikajn ekvaciojn kalkulitajn., komencante per mencio de Rudolf Clausius (1822-1888) asertante tion, kio estonte fariĝus la unuaj kaj duaj leĝoj pri termodinamiko^[15]: "La energio de la mondo estas konstanta. La entropio de la mondo inklinas al la maksimumo."

La monografio de Gibso rigore kaj inteligente aplikis liajn termodinamikajn teknikojn ĝis la interpretado de la fiziko-kemiaj fenomenoj, eksplikante kaj listigante tion, kio antaŭe estis nur amaso da izolitaj faktoj kaj observoj. La verko priskribiĝis kiel la "Principia" de la termodinamiko, kaj kiel laboro kun "praktike senlima atingo". Wilhelm Ostwald (1853-1932), kiu tradukis en la germanan la monografion de Gibso, rigardis lin "la fondinton de la kemia energio". Laŭ modernaj komentistoj:

"Universale agnoskiĝas ke ties publikiĝo estis unuegrava evento en la historio de la kemio ... Malgraŭ tio, oni bezonis multajn jarojn antaŭ ol ĝia valoro estus rekonita. Tiu prokrasto okazis pro la fakto ke ĝia matematika formulo kaj la rigore deduktivaj procezoj estis malfacile kompreneblaj de multaj, ĉefe de la studentoj pri eksperimenta kemio al kiuj ĝi koncernas." -- J. J. O'Connor kaj E. F. Robertson, 1997^[16].

Gibso daŭre laboris sensalajre ĝis 1880, kiam la Universitato Johns Hopkins, en Baltimore, Maryland, proponis al li pozicion per $3000 dolaroj jare. Reciproke, Yale oferis al li jarsalajron je $2000, kiuj li gaje akceptis.

Inter 1880 kaj 1884, Gibso laboris sur disvolviĝon pri "ekstera algebro"^[17] de Hermann Graßmann (1809-1877) en vektoran kalkulon tre adekvata al la bezonoj de la fizikistoj. Portante tiun ideon en la menso, Gibso distingis la punktojn kaj la krucoproduktojn de la du vektoroj, tiam enkondukante la koncepton pri "diada aŭ duobla tensoro"^[18]. Similaj laboroj sendepende kaj samtempe disvolviĝis de la brita fizikisto kaj inĝeniero Oliver Heaviside (1850-1925). Gibso provis konvinki aliajn fizikistojn pri la adekvateco de la vektora metodologio super la "kvaternia sistemo"^[19] de William Rowan Hamilton (1805-1865), kiu estis vaste uzata de la britaj scienculoj. Pro tio, en la komenco de la jardeko 1890, polemiko stariĝis kune kun Peter Tait (1831-1901) kaj aliaj en la paĝoj de la Revuo Naturo^[20].

La notacioj de la dokumentaro de Gibso pri vektora kalkulo estis private presitaj inter 1881 kaj 1884, por la uzado de studentoj, kaj pli malfrue estis adaptitaj de Edwin Bidwell Wilson (1879-1964) en lernolibro "Vektoraj analizoj"^[21][22] kaj unue publikigitaj en 1901.Tiu libro helpis la popularigon de la notacio del, ankoraŭ hodiaŭ uzata en elektrodinamiko kaj meĥaniko de fluidoj. En alia matematika laboro, li remalkovris la "Gibsan fenomenon"^[23] en la teorio de la Serio de Fourier (kiu, sen lia kono kaj de la estontaj erudiciuloj, estis priskribitaj antaŭ 50 jaroj de la nekonata angla matematikisto Henry Wilbraham (1825-1883)^[24]).

Inter 1882 kaj 1889, Gibso skribis kvin dokumentojn pri fizika optiko^[25], kie li esploris la duoblan refrakton kaj aliajn optikajn fenomenojn, krom defendi la teorion pri lumo-elektromagnetismo de Maxwell kontraste kun la meĥanikaj teorioj de Lordo Kelvin (1824-1907) kaj aliaj. En sia verko pri optiko samkiel en sia verko pri termodinamiko, Gibso decide evitis pripensi la mikroskopan strukturon de la materio, kaj tio montras lian saĝan konduton, rilate al la revoluciaj disvolviĝoj pri kvantuma meĥaniko ekaperinta ĉirkaŭ la epoko de lia morto.

Gibso kreis la vorton "statistika meĥaniko" kaj enkondukis gravajn konceptojn pri la koresponda matematika priskribo de la fizikaj sistemoj, inkludante la nociojn pri kemia potencialo (1876), statistika ensemblo (1878) kaj faza spaco (1902). La derivaĵoj de Gibso pri la fenomenologiaj leĝoj de la termodinamiko devenantaj de la statistikaj proprecoj de sistemoj kun multaj partikloj estis prezentita en sia plej influa lernolibro "Elementary Principles in Statistical Mechanics"^[26], publikigita en 1902, unu jaron antaŭ lia morto.

La retiriĝinta personeco de Gibso kaj la intensa fokuso en liaj laboroj limigis la alireblecon de la studentoj. Lia ĉefa protektito estis Edwin Bidwell Wilson (1879-1964), kiu tamen klarigis ke "escepte de la lernoĉambro, mi scias tre malmulte pri Gibso". Malgraŭ tio, li havis vojon, kiun li kutime promenadis, en la posttagmeza fino, inter sia studio de la Laboratorio Sloane kaj la hejmo -- kie li plenumis kelkajn ekzercojn inter la laboro kaj la vespermanĝo -- kaj iu okaze trovis lin dum tiu periodo. Gibso kontrolis la doktoran tezon pri matematika ekonomiko skribita de Irving Fisher (1867-1947), en 1891. Post la morto de Gibso, Fisher financis la publikadon de lia "Collected Works"^[27][28]. Alia distingiĝa studento estis Lee De Forest (1873-1961), estonta pioniro pri radio-teknologio.

Gibso mortis en New Haven en la 28-a de aprilo 1903, aĝante 64 jarojn, viktimo je akuta intesta obstrukco^[29]. Lia enterigo okazis post du tagojn en sia hejmo, en la strato High Street, 121 kaj lia korpo sepultiĝis en la Tombejo Grove Street^[30].

• On the form of the teeth of wheels in spur gearing, 1863
• On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, 1875
• Memoir of the Gibbs Family of Warwickshire, England, and United States of America, 1879
• On the Fundamental Formula of Statistical Mechanics, with Applications to Astronomy and Thermodynamics, 1885
• Elementary Principles in Statistical Mechanics, 1902
• Vector Analysis: A Text-book for the Use of Students of Mathematics and Physics, Founded Upon the Lectures of J. Willard Gibbs, 1922
• The Early Work of Willard Gibbs in Applied Mechanics, 1947, Josiah Willard Gibbs, Lynde Phelps Wheeler
• A Study of the Effects of Base in and Base Out Prism to Phorias at Three Distances and the Effects of Plus and Minus Lens Power to Cross Cylinder Findings at the Afore Mentioned Distances, 1957, Josiah Willard Gibbs, Jin Roberson
• Thermodynamics, 1961
• On the Fundamental Formulae of Dynamics