乔赛亚·威拉德·吉布斯

乔赛亚·威拉德·吉布斯（，；），美国科学家。他在物理学、化学以及数学领域都做出了重大的理论贡献，其中在有关热力学的实际应用的研究奠定了物理化學的基础。。

1863年，吉布斯获得耶鲁学院所授予的美国国内首个工程学博士学位。1871年，他在旅居欧洲三年后被聘任为耶鲁学院的数学物理学教授，并一直担任这一职位直到去世。吉布斯尽管相对孤立於当时科学蓬勃发展的欧洲，但还是成为了美国首位获得国际声誉的理论科学家，并被阿尔伯特·爱因斯坦誉为“美国史上最为杰出的英才”。1901年，他因在数学物理学领域的贡献而獲授当时国际科学界的最高奖项，英国皇家学会颁发的科普利奖章。

吉布斯一生的事迹受到众多作家以及评论家的传颂。他所做的研究尽管大多都是纯理论性的，但其实际应用价值在20世纪上半叶化工领域的蓬勃发展中得到了充分的體現。諾貝爾物理學獎得主罗伯特·密立根曾这样评价吉布斯：“[他]對于统计力学和热力学来说，就如同拉普拉斯之于天体力学，麦克斯韦之于电动力学。他为自己所研究的领域构造了几近完整的理论体系。”

生平
家族背景
吉布斯出身于一个英才辈出的美国北方家族。他的父亲是语言学家兼神学家，母亲是玛丽·安娜·吉布斯。他是他父母五个子女中的老四，也是他们唯一的儿子。他的父系血缘可追溯至曾于1701年至1707年担任哈佛大学校长的，而其母系血缘则可追溯至新泽西州学院的首任校长牧师。“乔赛亚·威拉德”这个名字则来源於吉布斯曾任马萨诸塞湾省布政司的祖先，乔赛亚·威拉德。

吉布斯的家人及同事一般把他父亲叫作“乔赛亚”，而称他为“威拉德”。老吉布斯自1824年至1861年其去世一直担任耶鲁大学神学院的经学教授。他积极支持废奴主义，曾帮助（）帆船所载的非洲人寻找翻译，让他们能够为反抗行为作证辩护。

早年
吉布斯10歲時就读于，后于1854年进入耶鲁学院学习。在校期間，他曾因数学及拉丁语成绩优异而获奖。1858年，他以班级顶尖成绩毕业。毕业后，他留校成为的研究生。19岁时，吉布斯当选康涅狄格艺术与科学学会会员。这个学会的会员大多是耶鲁学院的教员。数学家和天文学家休伯特·安森·牛顿是吉布斯耶魯時期的導師。牛顿对吉布斯的未來發展产生了很大程度的影響。他是流星体方面研究的权威，并且是吉布斯一生的挚友。1861年，吉布斯在其父去世后继承了一笔遗产。这笔遗产足以应付其日常开支毕业后，吉布斯留校当了三年助教。他头两年讲授拉丁语，第三年讲授物理。美國的火車因为此项专利不再需要配備制动员。同年，他在康涅狄格学会宣读了一篇题为《长度单位的确切大小》（）的论文。他在文中提出了机械领域中计量单位系统的一个合理化方案。同时，他还致力于设计一种新型的蒸汽机。这也是他在机械工程领域最后的一项重要研究。1871年，他任職为耶鲁学院的数学物理学教授。这是美国国内首个同类教授席位。吉布斯当时尚未发表任何学术著作，只被指派了研究生的教学工作。吉布斯虽然此时没有任何薪酬，但仍能靠父母的遗产安稳度日。

麦克斯韦在1875年出版的《热学》（）的新修订本中用一章的篇幅叙述了吉布斯的这项工作。他在向伦敦化学学会做的一次演讲中叙述了吉布斯所提出的图像方法的实用性，而且在为大英百科全书撰写的有关图解法的文章中也提及了这项工作。将这部专著译为德语的威廉·奥斯特瓦尔德把吉布斯称作是“化学能量学的鼻祖”。約翰·奥康纳和艾德蒙·罗伯逊这样评述这部专著：“这部专著的出版被公认为是化学史上一等一的要事……但是人们在许多年后才认识到它的价值。这很大程度上是由于其中的数学表述和严谨的推导过程令人望而却步。特别是对于最需要它的实验化学学生来说更是如此。”吉布斯一直尝试去让物理学家们认识到向量分析相对于四元数分析的优越性。后者由威廉·哈密顿引入，当时被英国科学家广泛应用。这引起了他和等人在19世纪90年代初于《自然》杂志上的一场论战。论战的焦点之一是標記方法及其背後更为深层的问题。

吉布斯有关向量分析的讲义《向量分析要素》（）起初并没有公开发行，仅在1881年和1884年为学生进行了小批量的印刷。這本讲义可称是現代向量分析的開端。

函數，它給出了實數線上階躍函數的傅里葉級數與吉布斯現象相關的過衝。]]

在學術生涯初期，吉布斯曾在物理光學領域付出一番心力。但他在研究时常有意规避对于物质的微观结构的推测，而去選擇基於宏观的一般原則與實驗事實的论题来进行研究。所以他在發覺到物理光學領域的進一步研究必須涉及到物質微觀結構之時毅然決然地改換至熱力學領域。後來，当他意識到馬克士威提出的電磁學理論有極大的發展空間而且不需要推測物質的微觀結構时，他又重啟了在物理光學領域的研究。、1876年引入的化学势。吉布斯通过多粒子系统的统计性质对于热力学的唯象定律进行了理论推导。这项工作在他去世的前一年发表于对后世具有很大影响力的教科书《统计力学基本原理》（）中。}}

有些數學較差的學生也多多少少由於他对于研究课题的沉迷而时常跟不上吉布斯的进度。每當學生總結對論題的表述之後，他还會習慣地問到：「是否已獲證明？」吉布斯去世后，费雪资助了其著作全集的出版。吉布斯另一位著名的学生是无线电技术的先驱李·德富雷斯特。

吉布斯1903年4月28日因急性肠梗阻在纽黑文去世，享年64岁。耶鲁大学同年五月在斯隆实验室举行了他的追悼会。英国物理学家约瑟夫·汤姆孙出席了追悼会并做了一个简短演讲。以及旅居欧洲的几年外，他的一生几乎都是在纽黑文度过的。并一以贯之地参与日常的活动。他其他的宗教及政治观点就不再为人所知了。{{efn|假設一個機械系統是由n個粒子組成，且2n維空間中的一點可以用來代表這個機械系統的相，他稱這2n維空間為"相延伸"，其意義與當今術語相空間等價。但是，吉布斯並沒有給出術語"相空間"。吉布斯对于不可逆性的分析及他对H定理和的阐释对于20世纪数学物理学的发展产生重大影响。

吉布斯充分意识到，对于一个由大量经典粒子组成的系统，无论这个系统是处于固态还是處於气态，利用能均分定理都不能解釋它们的比热。他認為，基于「物质组成假定」來論述熱力學理論會遭遇到困難。這一点從上面提及的比熱这一例子中也可得知。

向量分析
英国的科学家在描述物理量的动态变化时一度非常依赖威廉·哈密顿所提出的四元数的概念，比如麦克斯韦对于三维空间中电场与磁場的大小及方向不相同的电磁场所做的描述。然而，吉布斯注意到四元数之间的积总是可以表示为一个标量与一个三维向量的和。这会在數學方面带来复杂性與冗餘性。因而为了数学表述上的简洁以及便于教学，他定义了两个向量的数量积和向量积。他所运用的这两种积的表示方法至今仍被广泛运用。他还对向量微积分的发展做出了巨大贡献。他所运用的一些运算技巧至今在电动力学、流体力学等等领域仍被沿用。

由於吉布斯在19世纪80年代到90年代的努力提倡，四元数最终被由他及奥利弗·亥维赛分别独立发展的向量分析理论取代。吉布斯在确定行星及彗星的运行轨道时运用了这种向量方法。

物理光学
晶体。吉布斯利用有关电磁现象的麦克斯韦方程对于这一现象进行了理论解释。]]

尽管吉布斯在物理光学方面的研究并不如他的其它科学工作那样为人们熟知，但是他利用麦克斯韦方程组对于双折射、色散以及偏振现象做出理论解释，這是经典电磁学领域的一项重大工作。

科学界的认可
在吉布斯工作的时代，美国严谨的理论科学传统并不深厚。他所做的研究工作对于他的学生和同行而言并不易于理解。因而他竭力让他的工作成果尽可能的通俗，并简化它们的表示以令它们更容易被接受。詹姆斯·杰拉尔德·克劳瑟这样描述吉布斯与美国科学界同行的关系：

{{Cquote|晚年的吉布斯是个身材高大、举止庄重、步伐矫健而又面色红润的绅士。他每天做着他那份家务，为人友善，对于不能举一反三的学生也是和蔼可亲，非常受朋友尊敬。但当时的美国科学界太过重视实际问题的解决，以至于他影响深远的科学工作在其在世时毫无用武之地。他在耶鲁度过了宁静的一生，受到一些年轻有为的学生的仰慕。但是美国科学界的同行对他的才华的印象却不是那么深刻。他还获得了由普林斯顿大学和威廉姆斯学院颁发的名誉博士学位。林德·惠勒复制了那个邮件清单，并把它附在了他为吉布斯所做的传记的附录中。而吉布斯提出的热力学理论则在20世纪初期即受到化工领域，从电化学到合成氨气的哈柏法，广泛应用。

当荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯1910年因他关于气体和液体的状态方程的研究获得诺贝尔物理学奖时，他在获奖感言中表示他受到了吉布斯相关工作的巨大影响。马克斯·普朗克因利用量子的概念解决黑体辐射问题获得1918年的诺贝尔奖。这项工作很大程度上是基于基尔霍夫，玻尔兹曼以及吉布斯有关热力学的工作。他说，吉布斯将永远处于美国以至整个世界有史以来最为伟大的理论物理学家之列。

20世纪上半叶，两部化学热力学奠基之作相继出版。它们都是基於吉布斯在该领域所做的工作。它们分别是1923年出版的由吉尔伯特·路易斯和合著的《化学过程中的热力学和自由能》（）和1933年出版的由编著的《利用威拉德·吉布斯方法的现代热力学》（）。

吉布斯所提出的系综这一概念在理论物理学界和纯粹数学界都产生了巨大的影响。数学物理学家这样评价吉布斯：“每位曾经学习过热力学和统计力学的人都会注意到，吉布斯的科学工作最令人印象深刻的特点之一，就是他对于概念的表述非常贴切。这让它们在理论物理学和数学经过百年动荡洗礼后仍能幸存下来。”1954年，在被问到谁是其所认识的最为伟大的思考者，爱因斯坦给出的回答是亨德里克·洛伦兹。但他后来又补充道：“我与威拉德·吉布斯素昧平生，否则我也许会将他与洛伦兹一同作为我的答案。”

吉布斯在其早期论文中论述的热力学的图像方法反映了后来被数学家称作是凸分析的思想。基於吉布斯关于热力学以及统计力学的工作的数学概念还有博弈论中的，信息论中的吉布斯不等式以及计算统计学中的吉布斯取样法。

吉布斯发展的向量分析是他对数学做出的另一项巨大贡献。1901年出版的基於吉布斯讲义的《矢量分析》促进了矢量方法及其表示方法在理论物理学和数学界的推广，并令其最终取代了在当时科学文献中占主导地位的四元数。

吉布斯还是被誉为“无线电之父”的李·德富雷斯特的导师。其发明了三极管放大器。。在1947年出版的《》一书中，他将吉布斯说的“数学是一种语言”作为该书的。他说他对于价格的理解的思想渊源并不是帕累托或是斯卢茨基，“而是伟大的热力学家，耶鲁大学的威拉德·吉布斯”。

数学家诺伯特·维纳将吉布斯利用概率论对于统计力学的表述称作是“20世纪物理的第一次重大变革”，并且认为他所提出的控制论受到其很大的影响。他在《人有人的用处》的序言中说：“本书旨在通过吉布斯的观点对于发展中的科学的实质性改造及其对我们生活态度总体上的间接影响，来说明其对于现代生活的冲击。”

后世对於吉布斯的纪念
当德国物理化学家瓦尔特·能斯特1906年为做而拜访耶鲁时，他惊讶地发现当时竟然没有設立任何吉布斯的紀念碑。因此，他为资助校方树立一座纪念碑而将500美元的讲座费捐出。由雕刻家完成的一尊浅浮雕纪念像最终在1912年揭幕，安放在斯隆实验室。。1923年，美国数学学会捐资设立了，“以向公众展示一些数学思想及它们的应用”。

1945年，耶鲁大学设立了乔赛亚·威拉德·吉布斯理论化学教授席位。拉斯·昂萨格一直担任这一教职直到1973年。昂萨格像吉布斯一样专注于将新的数学理论引入到物理化学的研究中来。他1968年获得了诺贝尔化学奖。除了创设乔赛亚·威拉德·吉布斯实验室以及乔赛亚·威拉德·吉布斯数学副教授席位外，耶鲁大学还在1989年以及吉布斯去世百年之际的2003年举办了两场有关吉布斯生活和工作的专题座谈会。罗格斯大学也捐资设立了乔赛亚·威拉德·吉布斯热力学教授席位。伯纳德·科尔曼自1988年起就担任这一教职。

吉布斯1950年被选入美国伟人名人堂。海洋考察船乔赛亚·威拉德·吉布斯号自1958年至1971年在美国海军中服役。而为纪念吉布斯，1964年，月球东侧边缘附近的一个陨石坑被命名為吉布斯隕石坑。

2005年，美國郵政署發行了一套紀念美國科學家的郵票，其中包含了吉布斯紀念郵票。

文学作品中
1909年，美国历史学家和小说家写了一篇题为《历史的相律》（The Rule of Phase Applied to History）的文章。文中，他试图将吉布斯的相律以及其他热力学概念运用于对于整个人类史的分析之中。威廉·詹姆士等人批评了亚当斯在对于一些科学概念理解不够充分情况下，而随意引用它们来隱喻人类的思想以及社会的变革的做法。这篇文章直到1919年亚当斯去世后才被發表於他的弟弟编辑整理的《民主教条的退化》（The Degradation of the Democratic Dogma）一书中。

20世纪30年代，诗人被吉布斯一生事迹所吸引，为他写了一首有关他生活和工作的长诗，《吉布斯》，并为他创作了一部传记。她这样评价吉布斯：

鲁凯泽所作的传记于1942年出版，受到了文学界的好评。科学界则对之毁誉参半。吉布斯的外甥，耶鲁大学物理化学教授，拉尔夫·范·内姆就对她所作的传记感到不满。这多少是由于她缺乏相关的科学训练。他因此決定不讓她閱讀家族的信笺，并劝说吉布斯以前的学生撰寫包含更多有关其科学工作的内容的传记。吉布斯的门徒埃德温·威尔逊也嚴厲批評鲁凯泽描述吉布斯一生的方式。在范·内姆和威尔逊的支持下，物理学家林德·惠勒撰寫了一本描述吉布斯的传記，并于1951年出版。

《财富》杂志1946年的一期以麦克斯韦所做的基於吉布斯工作的水的作为封面，并配以封面故事“基础科学”。鲁凯泽称这个面为“水的雕塑”这幅由阿瑟·利多夫创作的封面里还包含吉布斯相律的数学表达式，一个雷达屏幕，示波器中显示的波形，牛顿的苹果以及一个三维相图。。托马斯·品钦在他2006年的小说《抵抗白昼》中将吉布斯设定为其中一个人物的导师。他在这部小说中也用不少的篇幅描写了冰洲石发生的吉布斯曾经研究过的双折射现象。

主要研究领域概览

物理化学：吉布斯能、相图、吉布斯相律、输运现象
统计力学：系綜、化学势、吉布斯熵、吉布斯悖论
数学：矢量分析、凸分析、吉布斯现象
电磁学：麦克斯韦方程组的应用、双折射

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