Джозайя Уиллард Гиббс (англ. Josiah Willard Gibbs; 1839—1903) — американский математик, физик и физикохимик, один из создателей векторного анализа, статистической физики, математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие всех современных точных наук и естествознания в целом; чей образ запечатлён в «Галерее славы великих американцев». Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, правило фаз Гиббса — Гельмгольца, треугольник Гиббса — Розебома, уравнения Гиббса — Дюгема и др.

В 1901 г. Гиббс был удостоен высшей награды международного научного сообщества того времени, присуждаемой каждый год только одному ученому, – Медали Копли Лондонского королевского общества, за то, что он стал "первым, кто применил второй закон термодинамики для всестороннего рассмотрения соотношения между химической, электрической и тепловой энергией и способностью к совершению работы" ^[1].

Биография

Ранние годы

Гиббс родился 11 февраля 1839 года в городе Нью-Хейвен, штат Коннектикут. Его отец, профессор духовной литературы в Йельской богословской школе (впоследствии вошедшей в состав Йельского университета), был известен в связи с его участием в судебном процессе, называвшемся Amistad. Хотя отца тоже звали Джозайя Уиллард, с именем сына никогда не употребляли «младший»: кроме того, пять других членов семьи носили то же имя. Дед по материнской линии также был выпускником Йельского университета в области литературы. После обучения в Хопкинс-школе, в возрасте 15 лет Гиббс поступил в Йельский колледж. В 1858 г. он окончил колледж в числе лучших в своем классе и был премирован за успехи в математике и латыни.

Годы зрелости

В 1863 г. по решению Шеффильдской научной школы в Йеле Гиббс был удостоен первой в США степени доктора философии (PhD) по техническим наукам за диссертацию «О форме зубцов колёс для зубчатой передачи». Последующие годы он преподавал в Йеле: два года вёл латынь и ещё год — то, что впоследствии было названо натурфилософией и сравнимо с современным понятием «естественные науки». В 1866 г. он уехал в Европу для продолжения учёбы, проводя по одному году в Париже, Берлине и затем — в Гейдельберге, где он встречает Кирхгоффа и Гельмгольца. В то время немецкие учёные были ведущими авторитетами в химии, термодинамике и фундаментальных естественных науках. Эти три года, собственно, и составляют ту часть жизни учёного, которую он провел за пределами Нью-Хейвена.

В 1869 г. он вернулся в Йель, где в 1871 г. был назначен профессором математической физики, — это была первая подобная должность в Соединённых Штатах — и занимал этот пост всю оставшуюся жизнь.

Позиция профессора была поначалу неоплачиваемой, — ситуация, типичная для того времени (особенно для Германии), и Гиббс должен был публиковать свои статьи. В 1876—1878 гг. он пишет ряд статей по анализу многофазных химических систем графическим методом. Позже они были изданы в монографии «О равновесии разнородных веществ» (On the Equilibrium of Heterogeneous Substances), наиболее известной его работе. Этот труд Гиббса рассматривается как одно из величайших научных достижений XIX века и одна из фундаментальных работ по физической химии. В своих статьях Гиббс применил термодинамику для объяснения физико-химических явлений, связав то, что ранее было набором отдельных фактов.

«Общепризнано, что издание этой монографии было событием первостепенной важности в истории химической науки. Тем не менее, потребовалось несколько лет, прежде чем было до конца осознанно её значение; задержка была главным образом обусловлена тем, что используемая математическая форма и строгие дедуктивные приёмы делают чтение трудным для любого, и особенно для студентов в области экспериментальной химии, к которым это имело наибольшее отношение…» ^[2]

Важнейшие разделы, освещённые в других его статьях о гетерогенных равновесиях, включают:

• Концепции химического потенциала и свободной энергии

• Модель ансамбля Гиббса, основу статистической механики

• Правило фаз Гиббса

Гиббс публиковал и работы по теоретической термодинамике. В 1873 г. вышла его статья о геометрическом представлении термодинамических величин. Эта работа вдохновила Максвелла изготовить пластиковую модель (так называемую термодинамическую поверхность Максвелла), иллюстрирующую гиббсовский конструкт. Модель была впоследствии отослана Гиббсу и в настоящее время хранится при Йельском университете.

Поздние годы

В 1880 г. вновь открывшийся Университет Джона Хопкинса в Балтиморе, штат Мэриленд, предложил Гиббсу позицию за 3 тыс. долларов, на что Йель ответил увеличением жалованья до 2 тыс. долларов. Но Гиббс не оставил Нью-Хейвен. С 1880 по 1884 г. он объединяет идеи двух математиков: «кватернион» Уильяма Гамильтона и «внешнюю алгебру» Германа Грассмана, и создает (независимо от британского физика и инженера Оливера Хевисайда) векторный анализ. В 1882-89 гг. Гиббс вносит в него усовершенствования, пишет труды по оптике, развивает новую электрическую теорию света. Он намеренно избегает теоретизирования касательно строения вещества, что было мудрым решением ввиду последовавших революционных событий в физике субатомных частиц и квантовой механике. Его химическая термодинамика была вещью более универсальной, чем любая другая существовавшая в то время химическая теория.

После 1889 г. он продолжает работу над статистической термодинамикой, «оснащая квантовую механику и теории Максвелла математическим каркасом».^[2] Он пишет классические учебники по статистической термодинамике, которые выходят в 1902 г. Гиббс внёс также вклад в кристаллографию и применил свой векторный метод к расчёту планетарных и кометных орбит.

Об именах и карьере его студентов известно немногое. Гиббс никогда не был женат и всю жизнь прожил в отцовском доме вместе с сестрой и зятем, библиотекарем в Йеле. Он был настолько сконцентрирован на науке, что был, как правило, недоступен для личных интересов. Его протеже Э. В. Уилсон рассказывал: «Вне стен учебной аудитории я видел его крайне мало. У него была привычка пойти прогуляться после полудня по улочкам между его кабинетом в старой лаборатории и домом — небольшая зарядка в перерыве между работой и обедом — и тогда можно было иногда встретить его» ^[3]. Гиббс умер в Нью-Хейвене и похоронен на кладбище Гроув-стрит.

Научное признание

Признание пришло к ученому не сразу, в частности, потому что Гиббс в основном публиковался в “Transactions of the Connecticut Academy of Sciences” – журнале, издаваемом под редакцией его зятя-библиотекаря, мало читаемом в Соединённых штатах и еще меньше в Европе. Поначалу лишь немногие европейские физики-теоретики и химики, (в их числе был, например, шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл) обратили внимание на его работу. Лишь после того, как статьи Гиббса были переведены на немецкий (Вильгельмом Оствальдом в 1892 г.) и французский (Анри Луи ле Шателье в 1899 г.) языки, его идеи получили широкое распространение в Европе. Его теория правила фаз была экспериментально подтверждена в работах Х.В. Бахёйса Розебома, который продемонстрировал её применимость в различных аспектах.

На родном континенте Гиббс был оценен даже меньше. Тем не менее, он был признан, и в 1880 г. Американская академия искусств и наук присудила ему премию Румфорда за работы по термодинамике ^[4]. А в 1910 г. в память об ученом Американское химическое общество по инициативе Уильяма Конверса учредило Медаль Уилларда Гиббса.

Американские школы и колледжи того времени акцентировались на традиционных дисциплинах, а не на науке, и студенты мало интересовались его лекциями в Йеле. Знакомые Гиббса так описывали его работу в Йеле:

“Свои последние годы жизни он оставался высоким, благородным джентльменом со здоровой походкой и здоровым цветом лица, справляющимся со своими обязанностями по дому, доступным и отзывчивым к студентам. Гиббса высоко ценили друзья, но американская наука была чересчур озабочена практическими вопросами, чтобы применять его основательные теоретические работы в период его жизни. Он проживал свою тихую жизнь в Йеле и глубоко восхищался несколькими способными студентами, не производя на американских учёных первого впечатления, сопоставимого с его талантом.” (Кроутер, 1969)

Не следует думать, что Гиббс был малоизвестен в свои дни. Например, математик Джайен-Карло Рота, просматривая стеллажи с литературой по математике в Библиотеке Стерлинга (при Йельском Университете), наткнулся на написанный от руки Гиббса и прикреплённый к каком-то конспекту список адресатов. Список насчитывал свыше двухсот заметных математиков того времени, том числе Пуанкаре, Гильберта, Больцмана и Маха. Можно прийти к выводу, что среди корифеев науки труды Гиббса были более известны, чем о них свидетельствует печатный материал. Достижения Гиббса, однако, были окончательно признаны лишь с появлением в 1923 г. публикации Гильберта Ньютона Льюиса и Мерл Рэндэлл “Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances”, которая познакомила с методами Гиббса химиков из различных университетов. Эти же методы легли, по большей части, в основу химической технологии.

Согласно Американскому математическому обществу, учредившему в 1923 году так называемые “Гиббсовские лекции” для поднятия всеобщей компетенции в математических подходах и приложениях, Гиббс был величайшим из ученых, когда-либо рожденных на американской земле ^[5].

В 1945 г. Йельский университет, в честь Дж. Уилларда Гиббса, ввел в обиход звание профессора теоретической химии, сохранявшееся до 1973 г. за Ларсом Онзагером, (лауреатом Нобелевской премии по химии). В честь Гиббса были названы также лаборатория при Йельском университете и должность старшего преподавателя математики. 28 февраля 2003 г. в Йеле прошёл симпозиум, отметивший 100 лет со дня его смерти. Рутгерский университет (штат Нью-Джерси) имеет профессорство им. Дж. Уилларда Гиббса в области термомеханики, числящееся в настоящее время за Бернардом Д. Коулманом.^[6]

В 1950 г. бюст Гиббса был размещен в Зале славы великих американцев (Hall of Fame for Great Americans).

4 мая 2005 года Почтовая служба Соединённых Штатов выпустила серию почтовых марок, с портретами Гиббса, Джона фон Неймана, Барбары Мак-Клинток и Ричарда Фейнмана.

Влияние на последующие работы

Труды Гиббса привлекли к себе большое внимание и повлияли на деятельность учёных, некоторые из них стали Нобелевскими лауреатами:

• В 1910 г. голландец Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс был удостоен Нобелевской премии по физике. В своей Нобелевской лекции он отметил влияние на его работу гиббсовских уравнений состояния.

• В 1918 г. Макс Планк получил Нобелевскую премию по физике за труды в области квантовой механики, в особенности, за публикацию в 1900 г. его квантовой теории. Его теория существенным образом базировалась на термодинамике Рудольфа Клаузиуса, Дж. Уилларда Гиббса и Людвига Больцмана. Планк так говорил о Гиббсе: “его имя не только в Америке, но и во всём мире будет причислено к самым известным физикам-теоретикам всех времён...”.

• В начале XX века Гильберт Н. Льюис и Мерл Рэндэлл использовали и расширили разработанную Гиббсом теорию химической термодинамики. Свои изыскания они изложили в 1923 г. в книге, которая называлась “Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Substances” и была одним из фундаментальных учебников по химической термодинамике. В 1910-х гг. Уильям Джиок поступил в Химический колледж при Университете Беркли и в 1920 г. получил степень бакалавра в химии. Поначалу он хотел стать химиком-технологом, но под влиянием Льюиса проявил интерес к химическим исследованиям. В 1934 г. он стал полноправным профессором химии в Беркли, а в 1949 г. получил Нобелевскую премию за свои криохимические исследования, использовавшие третий закон термодинамики.

• Используя линейный векторный анализ Гиббса, Говард Скотт разработал исчисление и модуль размерности, которые позволили ему предложить оптимизированные решения для промышленных задач. Скотт в 1920-х годах рассмотрел полностью автоматизированный завод, интегрированные системы перевозки, коммуникации, электрические сети передачи и результат планирования жизненного цикла в контексте учета экономических потребностей вместо того, что группа назвала системой цен, или денежно-кредитным основанием^[7].

• Работы Гиббса оказали существенное влияние на формирование взглядов Ирвинга Фишера, - экономиста, имевшего степень доктора философии в Йеле.

Увековечение имени

Судно для океанографических экспедиций Военно-морских сил США “USNS Josiah Willard Gibbs (T-AGOR-1)”, бывшее в эксплуатации в 1958-71 гг., было названо в честь Гиббса.

Сочинения, издания

• The collected works, v. 1-2, N. Y. — L., 1928;
• The scientific papers, v. 1-2, N. Y., 1906 (в русском переводе — «Основные принципы статистической механики», М. — Л., 1946;
• Гиббс Дж. В. Термодинамические работы, М., 1950.
• Гиббс Дж. В. Основные принципы статистической механики (излагаемые со специальным применением к рациональному обоснованию термодинамики). М.-Л.: ОГИЗ, 1946.
• Гиббс Дж. В. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982.

Библиография

• Семенченко В. К., Д. В. Гиббс и его основные работы по термодинамике и статистической механике (К 50-летию со дня смерти), «Успехи химии», 1953, т. 22, в. 10;
• Франкфурт У. И., Френк А. М., Джозайя Виллард Гиббс. М.: Наука, 1964.
• Уилсон М. Американские учёные и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. — М.: Знание, 1975. — С. 65-74. — 136 с. — 100 000 экз.
• Wheeler, Lynde, Phelps (1951). Josiah Willard Gibbs - the History of a Great Mind. Ox Bow Press. ISBN 1-881987-11-6.

Примечания