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威拉德·吉布斯·乔赛亚。 一位科学家的传记
吉布斯的奥秘不在于他是一个被误解还是未被赏识的天才。 吉布斯的谜团在别处：务实的美国是如何在实用主义统治时期产生了一位伟大的理论家的？ 在他之前，美国没有一个理论家。 然而，由于之后几乎没有理论家。 绝大多数美国科学家都是实验者。 乔赛亚·威拉德·吉布斯 11 年 1839 月 XNUMX 日出生于康涅狄格州纽黑文，是耶鲁大学教授的儿子。 六代人以来，他的家族以奖学金闻名于新英格兰。 他的祖先之一是哈佛大学校长，另一个是马萨诸塞州殖民地的秘书和普林斯顿大学的第一任校长。 吉布斯的父亲被认为是一位杰出的神学家。 吉布斯 1854 岁时，他开始在纽黑文的一所小型私立学校学习，该学校与他家位于同一街区。 他从小就是一个安静、害羞的男孩，总是跟随别人，从不做领导，但从不站在一边。 1858年，年轻人进入耶鲁大学，XNUMX年吉布斯获得学士学位。 在那些年里，谢菲尔德正在建立一所科学学校。 1847年，与她一起开设了研究生院。 但直到1861年，这所学校才获得授予物理学博士学位的权利。 吉布斯注定要及时成为美国最伟大的科学理论家，但他的训练是遵循美国实用主义的路线。 1863 年，他因在机械工程方面的工作成为美国第一个获得物理学博士学位的人。 论文题目是《论齿轮离合器的齿形》。 他立即在学院获得了为期三年的教职。 吉布斯的父亲于 1861 年去世，给孩子们留下了 23 美元。 因此，吉布斯可以靠微薄的收入过活。 在教学期间，Gibbs 并没有停止做他最喜欢的事情——机械。 他写了几篇关于蒸汽轮机的论文，并发明了铁路制动器，它在火车惯性的影响下工作。 1866 年，当他在耶鲁大学的任期结束时，吉布斯和他的两个姐妹一起出国了。 这是他职业生涯的转折点。 在欧洲，他接受了深入的教育，为他一生中最重要的工作奠定了坚实的基础。 起初，他在索邦大学和法兰西学院学习。 每周有 XNUMX 个小时，吉布斯听讲座，跟杜哈明和卢维尔这样的物理学家和数学家一起学习。 在这里，吉布斯首先阅读了拉普拉斯、泊松、拉格朗日和柯西的作品。 第二年他去了柏林，师从昆特和维尔斯特拉斯。 在柏林呆了一年后，他搬到了海德堡，基尔霍夫、康托尔、本生和亥姆霍兹等著名科学家在那里讲学，从他们那里学到了更多关于理论物理学的知识。 1869 年回到美国，他与在国外旅行期间结婚的妹妹一起定居在他父亲位于纽黑文的家中。 13 年 1871 月 XNUMX 日，耶鲁大学公报宣布“乔赛亚·威拉德·吉布斯先生已被任命为哲学和美术系的数学和物理学教授，没有薪水。” 这个讲坛是美国第一个。 只是因为身边的人都非常了解Gibbs的能力，相信他的美好未来，耶鲁大学才发现任命他担任这个职位是可能的。 成为教授后，他学习了力学、波动光学、矢量分析、电学和磁学理论。 1873年，他的第一部热力学著作《液体热力学中的图解方法》和《利用表面对物质的热力学性质进行几何表示的方法》问世。 在 1875-1878 年发表的一项大型研究“关于异构系统的平衡”中，吉布斯发展并广泛应用了他的教学。 艾萨克·牛顿曾一度将平衡的概念扩展到包括运动。 他的发现产生了历史上最伟大的思想革命之一。 Gibbs 的工作同样重要。 他将平衡的概念扩展为包括物质状态的变化。 冰变成水，水变成蒸汽，蒸汽变成氧气和氢气。 氢与氮结合形成氨。 自然界的任何过程都是变化的过程； 吉布斯发现了这种变化的规律。 正如牛顿发现力学定律一样，吉布斯创造了物理化学定律，成为化学科学的主流。 吉布斯必须找到物质状态的测量单位，以显示这种物质是否会经历某种转变或保持不变。 吉布斯发现的关键是粒子的速度，它与能量成正比。 研究热能的科学称为热力学。 吉布斯写道：“热力学定律……表达……由大量粒子组成的系统的行为。” 以恒定体积加热的水会损失一定量的热量，这些热量会进入分子的内部结构。 在同样的转变过程中，液态氨变成气态氨，也会损失一些热量。 这种内部吸收热量的性质称为熵。 每个反应中熵的量变是非常重要的。 当液体以恒定体积沸腾时发生的熵变化等于汽化热除以沸点。 每个反应的熵变化可以通过简单的算术计算：反应进行所需的卡路里数除以反应发生时的温度。 Gibbs 引入了“熵”这个词作为热力学中的一个术语。 在这两个例子中，只有一种成分（第一种情况下是水，另一种情况下是氨）从液态变为气态。 吉布斯将这种理解扩展到包括几个成分，以便可以考虑液体混合物和固体混合物。 当他进一步扩展他的理论范围以包括相互结合的成分时，他终于发现了一个描述化学反应及其平衡的方程。 对于这样的系统，吉布斯确定了与熵相关的新量，这使他能够提前预测化学反应或物理转变是否会发生，如果会发生，反应会持续多长时间。 他将这些量称为化学势。 像熵一样，化学势是物质的一种物理性质。 这些研究的结果就是著名的吉布斯相位规则。 他只用了四页就概述了它，没有给出任何具体的例子。 在接下来的五十年里，科学家们写了许多关于吉布斯相规则的书籍和专着，描述了它与矿物学、岩相学、生理学、冶金学和所有其他科学领域的关系。 该规则确立了必须遵守的条件，以使某些化合物在不同相中处于平衡状态：液态、固态和气态。 它很快被公认为科学史上最重要的线性方程。 在吉布斯发现后的 XNUMX 年内，化学已经渗透到世界工业的每一个主要分支。 由于吉布斯的工作成果，炼钢变成了一种化学过程，烤面包、制造水泥、提取盐、生产液体燃料、纸张、灯泡用钨丝、衣服和成千上万的其他物品也是如此。 吉布斯的工作还被用来解释火山的作用、血液中发生的生理过程、电池的电解作用以及化学肥料的生产。 吉布斯逝世后的五十年里，有四次诺贝尔奖授予基于他的著作的作品。 Shortly after completing his classical study in the spring of 1879, Gibbs was elected a member of the US National Academy, in 1880 a member of the American Academy of Arts and Sciences in Boston. 吉布斯的热力学著作发表后，他的科学名声迅速增长。 他被选为许多外国科学院和科学学会的成员，获得科学奖项。 除了热力学之外，吉布斯还对向量代数做出了宝贵贡献。 在自然界中，有许多量不仅要在数量上，而且要在方向上加以表征。 吉布斯向量代数简化了空间的处理。 随着时间的推移，广义吉布斯矢量成为了一种强大的科学工具，它诞生于吉布斯已经年事已高的时候，并且对他来说仍然是未知的——相对论。 在他早期的平衡研究中，吉布斯从物质是连续质量的假设出发。 后来他意识到物质是由运动中的微小粒子组成的。 他修改了他的热力学以反映这一发现，在统计基础上剖析热力学现象。 牛顿力学变成了统计力学。 1902 年，吉布斯的基础著作《统计力学基础》出版。 基于完全独立的假设，吉布斯使用统计力学发现了熵和其他相关量的新含义，这些量在第一次近似时似乎非常强大。 在经典热力学第二定律的基础上，吉布斯的同时代人预言了“世界末日”，那时宇宙的熵将接近最大值，即超出极限，在此之后不可能将能量转化为可用的形式。 这种状态被称为“热死”。 著名科幻作家 HG Wells 在小说《时光机》中对她的可怕描述。 吉布斯的统计力学表明，这样的结果绝不是不可避免的。 事实证明，科学家们大大低估了“救援”的机会。 牛顿对行星和恒星的结构一无所知。 他的行星运动方程不依赖于它们的性质，并且在牛顿力学中是完全正确的。 吉布斯和他的同时代人对分子的结构一无所知。 Gibbs自己也明白这一点。 他写道：“将工作建立在与物质结构有关的假设之上的人，会在沙子上建造建筑物。” 和牛顿一样，吉布斯有天赐的天赋，他的统计力学在原子和核物理学的所有后续发现中幸存下来。 吉布斯接近自然的基本真理，只有最伟大的科学家才能做到。 吉布斯的作品难以阅读和理解。 他画了几张初步草图，然后在脑海中展开他的研究，直到它们完全完美。 当他开始将他的理论写在纸上时，他省略了推理过程中的中间阶段，因为在他看来它们不再重要了。 Gibbs 的工作仅在 XNUMX 到 XNUMX 年后才得到广泛的理解和应用。 在三个世纪的现代科学史中，与吉布斯的均衡理论具有同等重要性和深度的思想不超过十几个。 在每种情况下，这些新想法都需要至少二十年才能被完全接受。 Gibbs 在耶鲁的同事可能不了解他工作的重要性，但他们肯定知道他是个天才。 吉布斯是个中等身材的瘦子，冷静而自信，有着典型的洋基面孔。 他留着当时流行的整齐的胡须，使他受人尊敬。 他的声音很轻，说话的语气很有礼貌。 关于他，一个头脑敏锐，喜欢微妙讽刺的人，孩子们只记得他是一位善良温和的威尔叔叔。 他那双闪闪发亮的眼睛锐利而锐利。 他知道如何携带可笑的废话，开始有趣的游戏和恶作剧，并且不会真正争取新的熟人。 “我需要建议，我知道他可以帮助我，不仅因为他是一位伟大的科学家，还因为我觉得他是一个善良而敏感的人，”他的侄子、侄女、朋友和学生。 吉布斯是那些谦虚可以称为热情的人之一。 在他的一生中，他获得了 XNUMX 个奖项和荣誉文凭，其中包括主要的国际科学成就奖。 但是，即使是他最亲密的朋友也没有完全了解他的成功，直到他们阅读了报纸上的讣告。 根据 Gibbs 的作品，James Maxwell 订购了 Gibbs 曲线的三维石膏模型并将其作为礼物送给他。 很难想出一个更好的迹象来表明一位伟大的科学家对另一位科学家的钦佩。 一天，熟悉模型来历的同学问他： - 谁给你这个模型？ 他简短地回答： - 一位朋友。 - 这个朋友是谁？ - 一名英国人。 长期以来，麦克斯韦在名声鼎盛时如何有时间和洞察力发掘出现在康涅狄格州科学院不起眼的期刊上的吉布斯论文一直是个谜。 但这个谜最终被解开了。 Maxwell 以一种非常简单的方式发现了 Gibbs 的文章——他通过邮件收到了它。 吉布斯经常被指责对其他科学家对其工作的反馈不感兴趣，他将他的论文重印本寄给了最著名的科学家。 吉布斯编制了一份名单，列出了生活在 XNUMX 个国家的 XNUMX 个科学家的名字。 在他的一生中，他写了 XNUMX 部专着，并亲自将每部都寄给了他名单上可能感兴趣的科学家。 为 Gibbs 工作是他一生的理由，他很高兴，因为他知道自己的工作有多棒。 他生命的最后几年不仅因失去姐姐和亲密朋友而黯然失色，而且因物理学、X 射线和电子领域新的革命性思想的出现而黯然失色。 他还不知道这些意想不到的发现如何与他的宇宙观相一致。 有一天，一个新的发现让他非常沮丧，他对学生们说，困惑地摇着头：“也许我该离开了。” 他感到疲倦、孤独，而曾经为他的生活辩护的东西似乎一去不复返了。 但Gibbs的担心是徒劳的。 他于 28 年 1903 月 1909 日去世，但量子力学并没有反驳他的工作。 尤其是 XNUMX 年在哥伦比亚大学讲授理论物理学并解释他的理论的马克斯·普朗克说：乔赛亚·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs）指出，他是有史以来最著名的理论家之一，不仅在美国，而且在全世界。” 作者：萨明 D.K.
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