Josiah Willard Gibbs
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| Willard Gibbs | |
|---|---|
 Josiah Willard Gibbs | |
| Né | Février, 1839 New Haven, Connecticut |
| Mort | 28 avril 1903 (âgés de 64) New Haven, Connecticut |
| Résidence | États Unis |
| Les champs | Physique , chimie , mathématiques |
| Institutions | Université de Yale |
| Alma mater | Yale |
| Conseiller de doctorat | Hubert Anson Newton |
| Doctorants | Edwin Bidwell Wilson, Irving Fisher, Henry Bumstead Andrews, Lynde Wheeler, Lee De Forest |
| Connu pour | Mécanique statistique Ensemble statistique Gibbs entropie espace de phase Énergie libre de Gibbs règle de phase Gibbs paradoxe Calcul vectoriel Produit Croix Phénomène de Gibbs L'équation de Gibbs-Helmholtz L'équation de Gibbs-Duhem Algorithme de Gibbs Mesure de Gibbs Etat Gibbs Effet Gibbs-Thomson Gibbs isotherme Effet Gibbs-Donnan Gibbs lemme |
| Influences | Rudolf Clausius, Hermann Grassmann, James Clerk Maxwell , Ludwig Boltzmann |
| Prix remarquables | Prix Rumford (1880), Médaille Copley (1901) |
Signature  | |
Josiah Willard Gibbs (11 Février, 1839 - le 28 Avril, 1903) était un scientifique américain qui a apporté des contributions théoriques importants à la physique, la chimie et les mathématiques. Son travail sur les applications de la thermodynamique a joué un rôle dans la transformation chimie physique dans une science déductive rigoureuse. Avec James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann, il a créé la mécanique statistique (un terme qu'il a inventé), expliquant les lois de la thermodynamique comme conséquences des propriétés statistiques de grande ensembles de particules. Gibbs a également travaillé sur l'application des équations de Maxwell à des problèmes de optique physique. En tant que mathématicien, il a inventé moderne calcul vectoriel (indépendamment du scientifique britannique Oliver Heaviside, qui a effectué des travaux similaires au cours de la même période).
En 1863, Yale décerné Gibbs le premier Américain doctorat en génie . Après un séjour de trois ans en Europe, Gibbs a passé le reste de sa carrière à l'Université Yale, où il était professeur de physique mathématique à partir de 1871 jusqu'à sa mort. Travailler dans un isolement relatif, il est devenu le premier scientifique théorique aux États-Unis pour gagner une réputation internationale et a été salué par Albert Einstein comme «le plus grand esprit dans l'histoire américaine". En 1901, Gibbs a reçu ce qui était alors considéré comme le plus grand honneur décerné par la communauté scientifique internationale, le Copley Médaille de la Royal Society de Londres, "pour ses contributions à la physique mathématique».
Les commentateurs et les biographes ont remarqué sur le contraste entre calme, la vie solitaire de Gibbs à son tour du siècle Nouvelle-Angleterre et le grand impact international de ses idées. Bien que son travail était presque entièrement théorique, la valeur pratique des contributions de Gibbs est devenu évident avec le développement de la chimie industrielle au cours de la première moitié du 20e siècle. Selon Robert A. Millikan, en science pure Gibbs "a fait pour la mécanique statistique et thermodynamique ce Laplace a fait pour la mécanique céleste et Maxwell a fait pour l'électrodynamique, à savoir, fait son champ une structure théorique fini à peu près. "
Biographie
Les antécédents familiaux
Gibbs appartenait à une vieille Yankee famille qui avait produit ecclésiastiques et universitaires américains distingués depuis le 17ème siècle. Il était le quatrième de cinq enfants et le seul fils de Josiah Willard Gibbs et son épouse Mary Anna, née Van Cleve. Du côté de son père, il a été descendu de Samuel Willard, qui a servi comme acteur Président de l'université de Harvard de 1701 à 1707. Du côté de sa mère, un de ses ancêtres était le Rev. Jonathan Dickinson, le premier président du Collège du New Jersey (plus tard l'Université de Princeton ). Le prénom de Gibbs, qu'il partageait avec son père et plusieurs autres membres de sa famille élargie, dérivé de son ancêtre Josiah Willard, qui avait été secrétaire de la Province de la baie du Massachusetts dans le 18ème siècle.
Le Gibbs aîné était généralement connu pour sa famille et ses collègues que "Josiah", tandis que le fils a été appelé "Willard". Josiah Gibbs était un linguiste et théologien qui a servi comme professeur de littérature sacrée au Yale Divinity School de 1824 jusqu'à sa mort en 1861. Il est surtout connu aujourd'hui comme le abolitionniste qui a trouvé un interprète pour les passagers africains du navire Amistad, leur permettant de témoigner au cours le procès qui a suivi leur rébellion contre étant vendus comme esclaves.
Les premières années
Willard Gibbs a fait ses études à la Hopkins School et entré Yale College en 1854, âgé 15. Il est diplômé en 1858 près de la tête de sa classe, et a reçu des prix d'excellence en mathématiques et latine . Il est resté à Yale comme un étudiant diplômé à la École scientifique Sheffield. À l'âge de 19 ans, peu de temps après avoir obtenu son diplôme de l'université, Gibbs a été intronisé à l'Académie du Connecticut de Arts et des Sciences, une institution savante composée principalement de membres de la faculté de Yale.
Relativement peu de documents de la période survivre et il est impossible de reconstruire les détails de début de carrière de Gibbs avec précision. De l'avis des biographes, mentor et principal champion de Gibbs, à la fois à Yale et à l'Académie Connecticut, était probablement l'astronome et mathématicien Hubert Anson Newton, une sommité en matière météores , qui sont restés ami et confident vie de Gibbs. Après la mort de son père en 1861, Gibbs a hérité assez d'argent pour le faire financièrement indépendante. Il souffrait d'récurrente problèmes pulmonaires comme un jeune homme et ses médecins craint qu'il pourrait être sensible à la tuberculose , qui avait tué sa mère. Ces problèmes et un défaut dans sa vue expliquent probablement pourquoi il n'a pas volontaires pour combattre dans la guerre civile de 1861-1865. Il n'était pas enrôlé et il est resté à Yale pour la durée de la guerre.
En 1863, Gibbs a reçu le premier Doctorat diplôme en génie accordé aux États-Unis, pour une thèse intitulée "Sur le formulaire des dents des roues Spur Gearing", dans lequel il a utilisé des techniques géométriques pour enquêter sur la conception optimale pour engrenages. Ce était aussi le cinquième Ph.D. accordé aux États-Unis dans ne importe quel sujet. Après l'obtention du diplôme, Gibbs a été nommé à titre de tuteur au Collège pour une durée de trois ans. Pendant les deux premières années, il enseigne le latin et pendant la troisième philosophie naturelle (ce est à dire, la physique). En 1866, il fait breveter un design pour un frein de chemin de fer et a lu un papier avant de l'Académie Connecticut, intitulé «L'ampleur appropriée de l'unité de longueur", dans lequel il propose un schéma de rationalisation du système d'unités de mesure utilisées dans la mécanique.
Après son mandat comme tuteur terminé, Gibbs a voyagé en Europe avec ses sœurs. Ils ont passé l'hiver de 1866-1867 à Paris, où Gibbs assisté à des conférences à la Sorbonne et le Collège de France, dictée par ces mathématiciens distingués que Joseph Liouville et Michel Chasles. Ayant entrepris un régime punir d'étude, Gibbs a attrapé un gros rhume et un médecin, craignant la tuberculose, lui a conseillé de se reposer dans le Côte d'Azur, où lui et ses sœurs a passé plusieurs mois et où il fait un rétablissement complet.
Déménagement à Berlin , Gibbs a assisté aux conférences donnés par des mathématiciens Karl Weierstrass et Leopold Kronecker, ainsi que par le chimiste Heinrich Gustav Magnus. En Août 1867, la sœur de Julia Gibbs était marié à Berlin pour Addison Van Nom, qui avait été le camarade de classe de Gibbs à Yale. Le couple nouvellement marié est retourné à New Haven, laissant Gibbs et sa sœur Anna en Allemagne. En Heidelberg, Gibbs a été exposé au travail des physiciens Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz, et chimiste Robert Bunsen. À l'époque, des universitaires allemands étaient les principales autorités dans le domaine des sciences naturelles, en particulier la chimie et la thermodynamique .
Gibbs est retourné à Yale en Juin 1869 et brièvement enseigné le français aux élèves ingénieurs. Ce était probablement aussi à cette époque qu'il a travaillé sur un nouveau design pour une machine à vapeur gouverneur, sa dernière enquête importante en génie mécanique. En 1871, il a été nommé professeur de physique mathématique à l'Université Yale, le premier professeur aux États-Unis. Gibbs, qui avait des moyens indépendants et ne avait pas encore de publier quoi que ce soit, a été affecté à l'enseignement des étudiants diplômés exclusivement et a été embauché sans salaire. Postes d'enseignants non salariés étaient courantes dans les universités allemandes, sur lequel le système d'enseignement scientifique diplômé de Yale a ensuite été modélisé.
Moyen année
Gibbs publie son premier ouvrage en 1873, à l'âge exceptionnellement avancé de 34. Ses articles sur la représentation géométrique des quantités thermodynamiques apparu dans les opérations de l'Académie Connecticut. Ce journal avait peu de lecteurs capables de comprendre le travail de Gibbs, mais il a partagé avec ses réimpressions correspondants en Europe et a reçu une réponse enthousiaste de James Clerk Maxwell , à l' Université de Cambridge . Maxwell a même fait, de ses propres mains, un modèle d'argile illustrant la construction de Gibbs. Il a ensuite produit trois moulages en plâtre de son modèle et envoyé par la poste un à Gibbs. Ce casting est exposée au département de physique de Yale.
Maxwell inclus un nouveau chapitre sur le travail de Gibbs dans la prochaine édition de sa théorie de la chaleur, publié en 1875. Il a expliqué l'utilité des méthodes graphiques de Gibbs lors d'une conférence à la Chemical Society de Londres et même fait référence dans l'article sur "Diagrammes" qu'il a écrit pour le Encyclopædia Britannica. La mort précoce de Maxwell en 1879, à l'âge de 48, empêché une plus grande collaboration entre lui et Gibbs. La plaisanterie tard distribué à New Haven que "un seul homme qui pouvait comprendre vécu les papiers de Gibbs. Ce était Maxwell, et maintenant il est mort."
Gibbs a ensuite étendu son analyse thermodynamique des systèmes chimiques multi-phase (c.-à-systèmes composés de plus d'un type de matière) et considéré comme une variété d'applications concrètes. Il a décrit que la recherche dans une monographie intitulée " Sur l'équilibre des substances hétérogènes », publié par l'Académie Connecticut en deux parties qui sont apparus respectivement en 1875 et 1878. Ce travail, qui couvre environ trois cents pages et contient exactement sept cents équations mathématiques numérotées, commence par une citation de Rudolf Clausius qui exprime ce qu'on appellera plus tard la première et la seconde lois de la thermodynamique: "L' énergie du monde est constante La. entropie du monde tend vers un maximum. "
La monographie de Gibbs rigoureuse et ingénieusement appliqué ses techniques thermodynamiques à l'interprétation des phénomènes physico-chimiques, expliquer et concernant ce qui était auparavant une masse de faits et d'observations isolées. Le travail a été décrit comme «le Principia de la thermodynamique »et comme une œuvre de la« portée pratiquement illimitée ". Wilhelm Ostwald, qui a traduit la monographie de Gibbs en allemand, appelé Gibbs comme le «fondateur de l'énergétique chimiques". Selon les commentateurs modernes,
Il est universellement reconnu que sa publication était un événement de première importance dans l'histoire de la chimie ... Néanmoins ce était un certain nombre d'années avant que sa valeur était généralement connu, ce retard était dû en grande partie au fait que sa forme mathématique et rigoureuse processus déductifs rendent la lecture difficile pour quiconque, et particulièrement pour les étudiants de chimie expérimentale auxquels elle la plupart des préoccupations.- JJ O'Connor et EF Robertson, 1997
Gibbs a continué à travailler sans rémunération jusqu'en 1880, lorsque la nouvelle Université Johns Hopkins Baltimore, Maryland lui a offert un poste rémunéré $ 3,000 par an. En réponse, Yale lui a offert un salaire annuel de $ 2000, dont il était contenu à accepter.
Ans plus tard
De 1880 à 1884, Gibbs a travaillé sur le développement du algèbre extérieure de Hermann Grassmann dans un calcul vectoriel bien adapté aux besoins des physiciens. Avec cet objectif en tête, Gibbs distingue entre la point et produits croisés de deux vecteurs et introduit le concept de dyadiques. Un travail similaire a été réalisée de façon indépendante, et à peu près au même moment, par le physicien et mathématicien britannique et ingénieur Oliver Heaviside. Gibbs a cherché à convaincre les autres physiciens de la commodité de l'approche vectorielle sur la calcul quaternionique de William Rowan Hamilton, qui a ensuite été largement utilisé par des scientifiques britanniques. Cela l'a amené, au début des années 1890, à une controverse avec Peter Guthrie Tait et d'autres dans les pages de Nature.
Les notes de cours de Gibbs sur le calcul vectoriel ont été imprimés privé en 1881 et 1884 pour l'utilisation de ses étudiants, et ont ensuite été adaptés par Edwin Bidwell Wilson dans un manuel, Vector Analysis, publié en 1901. Ce livre a contribué à populariser la " del "notation qui est largement utilisé aujourd'hui dans l'électrodynamique et la mécanique des fluides . Dans d'autres travaux mathématiques, il re-découvert la " Phénomène de Gibbs "dans la théorie de série de Fourier (qui, à son insu et à des chercheurs plus tard, avait été décrit 50 années auparavant par un mathématicien anglais obscure, Henry Wilbraham).
De 1882 à 1889, Gibbs a écrit cinq articles sur optique physique, dans lequel il a enquêté biréfringence et d'autres phénomènes optiques et défendus théorie électromagnétique de Maxwell de la lumière contre les théories mécaniques de Lord Kelvin et d'autres. Dans son travail sur l'optique, tout autant que dans son travail sur la thermodynamique, Gibbs a délibérément évité de spéculer sur la structure microscopique de la matière, qui se est avéré une sage compte tenu des développements révolutionnaires dans la mécanique quantique qui ont commencé à l'époque de sa mort.
Gibbs a inventé la mécanique statistique terme et introduit des concepts clés dans la description mathématique correspondante de systèmes physiques, y compris les notions de potentiel chimique (1876), ensemble statistique (1878), et espace de phase (1902). La dérivation de Gibbs des lois phénoménologiques de la thermodynamique des propriétés statistiques des systèmes avec de nombreuses particules a été présenté dans les principes élémentaires son manuel très influent dans la mécanique statistique, publié en 1902, un an avant sa mort.
Retraite la personnalité de Gibbs et intense concentration sur son travail limitées son accessibilité aux étudiants. Son protégé principal était Edwin Bidwell Wilson, qui a pourtant expliqué que "sauf dans la salle de classe, je ai vu très peu de Gibbs. Il avait une façon, vers la fin de l'après-midi, de prendre une promenade dans les rues entre son étude dans la vieille Sloane Laboratoire et sa maison-un peu d'exercice entre le travail et le dîner et une peuvent parfois venir à travers lui à ce moment ". Gibbs a fait superviser la thèse de doctorat sur l'économie mathématique écrits par Irving Fisher en 1891. Après la mort de Gibbs, Fisher a financé la publication de ses œuvres complètes. Un autre étudiant était distinguée Lee De Forest, plus tard, un pionnier de la technologie de radio.
Gibbs est mort à New Haven, âgé de 64 ans, victime d'une obstruction intestinale aiguë. Il est enterré dans Cimetière rue Grove.
La vie et le caractère personnel
Gibbs ne se maria jamais, vivre toute sa vie dans sa maison d'enfance avec sa sœur Julia et son mari Addison Van Nom, qui était le bibliothécaire de Yale. Sauf pour ses vacances d'été coutumiers dans le Adirondacks (à Keene Valley, New York) et plus tard à la White Mountains (en Intervale, New Hampshire), son séjour en Europe en 1866-1869 était presque la seule fois que Gibbs passé à l'extérieur de New Haven. Il a rejoint Church College de Yale (un Congregational Church) à la fin de sa première année et est resté un agent régulier pour le reste de sa vie. Il généralement voté pour la Candidat républicain aux élections présidentielles, mais il a soutenu Grover Cleveland , un conservateur Démocrate. Sinon on sait très peu de ses opinions religieuses ou politiques, dont il garda pour lui.
Gibbs n'a pas produit une correspondance personnelle importante et beaucoup de ses lettres ont ensuite été perdu ou détruit. Au-delà des écrits techniques concernant ses recherches, il a publié seulement deux autres pièces: une brève nécrologie de Rudolf Clausius, l'un des fondateurs de la théorie mathématique de la thermodynamique, et un mémoire plus biographique de son mentor à Yale, HA Newton. De l'avis de Edward Wilson Bidwell,
Gibbs ne était pas un annonceur renommée personnelle ni une propagande pour la science; il était un érudit, descendant d'une vieille famille de lettrés, vivant avant que les jours où la recherche était devenu recherche ré ... Gibbs ne était pas un monstre, il ne avait pas les moyens frappants, il était un homme de bien vouloir digne.- EB Wilson, 1931
Selon Lynde Wheeler, qui avait été l'élève de Gibbs à Yale, dans ses dernières années Gibbs
était toujours bien habillé, portait habituellement un chapeau de feutre sur la rue, et jamais exposé l'une des manières physiques ou excentricités parfois perçus comme indissociables du génie ... Sa manière était cordial sans être démonstratif et transmis clairement la simplicité et la sincérité de innée sa nature.- Lynde Wheeler, 1951
Il a été un investisseur prudent et directeur financier, et à sa mort en 1903 sa succession a été évalué à $ 100,000. Pendant de nombreuses années il a servi à titre de fiduciaire, secrétaire et trésorier de son alma mater, l'école Hopkins. Le président américain Chester A. Arthur l'a nommé comme l'un des commissaires à la Conférence nationale des électriciens, qui se est réuni à Philadelphie en Septembre 1884, et Gibbs a présidé une de ses sessions. Un cavalier vif et habile, Gibbs a été observée habituellement dans New Haven conduite de sa sœur chariot. Dans une notice nécrologique publiée dans le American Journal of Science, ancien élève de Gibbs Henry A. Bumstead visé à caractère personnel de Gibbs:
Sans prétention manière, genial et bienveillant dans ses rapports avec ses semblables, ne jamais montrer d'impatience ou d'irritation, dépourvu d'ambition personnelle de la sorte de vil ou le moindre désir de se élever, il est allé loin vers la réalisation de l'idéal de la désintéressé, gentleman chrétien. Dans l'esprit de ceux qui l'ont connu, la grandeur de ses réalisations intellectuelles ne sera jamais éclipser la beauté et la dignité de sa vie.HA Bumstead, 1903
Contributions scientifiques majeures
Thermodynamique chimique
Les papiers de Gibbs des années 1870 a introduit l'idée d'exprimer le U intérieur de l'énergie d'un système en termes de l'entropie S, en plus de l'habituel Etat variables de volume V, la pression p et la température T. Il a également introduit le concept de la potentiel chimique 
d'une espèce chimique donnée, définie comme le taux de l'augmentation de U associée à l'augmentation du nombre N de molécules de ladite espèce (à entropie constante et volume). Ainsi, il était Gibbs qui combine le premier des premier et second lois de la thermodynamique en exprimant la variation infinitésimale dans l'énergie d'un système sous la forme:
où la somme dans le dernier terme est au cours des différentes espèces chimiques. En prenant le Transformée de Legendre de cette expression, il a défini les concepts de l'enthalpie et "énergie libre", y compris ce qui est maintenant connu comme le « énergie libre Gibbs "(un potentiel thermodynamique qui est particulièrement utile pour les chimistes car elle détermine si une réaction se effectue spontanément à une température fixe et pression). De la même manière, il a également obtenu ce qui plus tard est venu à être connu sous le nom " L'équation de Gibbs-Duhem ".
La publication de l'article "sur l'équilibre des substances hétérogènes» (1874-1878) est maintenant considéré comme un point de repère dans le développement de chimie physique. Dans ce document, Gibbs a développé une théorie mathématique rigoureuse pour divers phénomènes de transport, y compris adsorption, électrochimie, et de la En effet Marangoni mélanges de fluides. Il a également formulé le règle des phases
pour le nombre de F variables pouvant être commandées de façon indépendante dans un mélange de composants en C existants d'équilibre P phases . La conscience de cette règle a conduit à l'utilisation généralisée de diagrammes de phase par les chimistes.
Mécanique statistique
Avec James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann, Gibbs est considéré comme l'un des fondateurs de la mécanique statistique. Ce était Gibbs qui a inventé le terme «mécanique statistique" pour identifier la branche de la physique théorique qui tient compte des propriétés thermodynamiques des systèmes observés en termes de la statistique des grands ensembles de particules. Il introduit le concept de espace des phases et l'a utilisé pour définir la microcanonique, canonique, et grands ensembles canoniques, obtenant ainsi une formulation plus générale des propriétés statistiques des systèmes à plusieurs particules que ce que Maxwell et Boltzmann avaient atteint auparavant.
Selon Henri Poincaré, écrit en 1904, même si Maxwell et Boltzmann avait auparavant expliqué le irréversibilité des processus physiques macroscopiques en termes probabilistes, "celui qui a vu le plus clairement, dans un livre trop peu lu parce que ce est un peu difficile à lire, est Gibbs, dans ses Principes élémentaires de la mécanique statistique." L'analyse de Gibbs d'irréversibilité, et sa formulation de Boltzmann H-théorème et du hypothèse ergodique, ont été les principaux facteurs qui influent sur la physique mathématiques de 20e siècle.
Gibbs était bien conscient que l'application de la equipartition théorème à grands systèmes de particules classiques omis d'expliquer les mesures de la chaleurs spécifiques des deux solides et des gaz, et il a fait valoir que ce était la preuve du danger de fonder la thermodynamique sur les «hypothèses sur la constitution de la matière". Propre cadre de Gibbs pour la mécanique statistique a été si soigneusement construit que cela pourrait être reporté presque intact après la découverte que les lois microscopiques de la nature obéissent à des règles quantiques, plutôt que les lois classiques connus de Gibbs et de ses contemporains. Sa résolution de la soi-disant " Gibbs paradoxe », à propos de l'entropie du mélange de gaz, est maintenant souvent citée comme une préfiguration de la indiscernabilité des particules requises par la physique quantique.
Vecteur d'analyse
Des scientifiques britanniques, y compris Maxwell, avaient compté sur les quaternions de Hamilton afin d'exprimer la dynamique des grandeurs physiques, comme les champs électriques et magnétiques, ayant à la fois une grandeur et une direction dans l'espace en trois dimensions. Gibbs, cependant, noter que le produit de quaternions devait toujours être séparé en deux parties: une unidimensionnel (scalaire) quantité et en trois dimensions vecteur , de sorte que l'utilisation des quaternions introduit des complications et des licenciements mathématiques qui pourraient être évités dans l'intérêt de la simplicité et de faciliter l'enseignement. Il propose donc de définir Dot et Cross produits distincts pour les paires de vecteurs et introduit la notation désormais courant pour eux. Il a également été en grande partie responsable pour le développement des vecteurs calcul techniques encore utilisées aujourd'hui dans l'électrodynamique et la mécanique des fluides.
Alors qu'il travaillait sur l'analyse de vecteur à la fin des années 1870, Gibbs découvre que son approche était semblable à celui qui avait pris Grassmann dans son "algèbre multiple". Gibbs a ensuite cherché à connaître le travail de Grassmann, soulignant que ce était à la fois plus générale et historiquement avant l'algèbre quaternionique de Hamilton. Pour établir la priorité de Grassmann, Gibbs convaincu les héritiers de Grassmann à chercher la publication en Allemagne de l'essai sur les marées que Grassmann avait soumis en 1840 à la faculté à la Université de Berlin, où il avait d'abord introduit la notion de ce qui allait être appelé un espace vectoriel .
Comme Gibbs avait préconisé dans les années 1880 et 1890, quaternions ont finalement été pratiquement abandonné par les physiciens en faveur de l'approche vectorielle développé par lui et, indépendamment, par Oliver Heaviside. Gibbs a appliqué ses méthodes de vecteur à la détermination de la planète et de la comète orbites. Il a également développé le concept de triades mutuellement réciproques de vecteurs qui se est avéré plus tard être de l'importance dans cristallographie.
Optique physique
Bien que la recherche de Gibbs sur l'optique physique est moins bien connu aujourd'hui que ses autres travaux, il a apporté une contribution significative à la musique classique de l'électromagnétisme en appliquant les équations de Maxwell à la théorie des processus optiques tels que biréfringence, dispersion, et activité optique. Dans ce travail, Gibbs a montré que ces processus pourraient être pris en compte par les équations de Maxwell sans hypothèses particulières sur la structure microscopique de la matière ou sur la nature du milieu dans lequel les ondes électromagnétiques étaient censés se propager (la soi-disant éther luminifère ). Gibbs a également souligné que l'absence d'un onde électromagnétique longitudinale, qui est nécessaire pour tenir compte des propriétés observées de la lumière , est automatiquement garanti par les équations de Maxwell (en vertu de ce qui est maintenant appelé leur " invariance de jauge "), alors que dans les théories mécaniques de la lumière, tels que Lord Kelvin, il doit être imposée comme condition ad hoc sur les propriétés de l'éther.
Dans son dernier rapport sur l'optique physique, Gibbs a conclu que
il peut être dit pour la théorie de l'électricité [de la lumière] qu'il ne est pas obligé d'inventer des hypothèses, mais seulement d'appliquer les lois fournies par la science de l'électricité, et qu'il est difficile d'expliquer les coïncidences entre les propriétés électriques et optiques des médias, sauf si nous considérons les mouvements de lumière électrique.-JW Gibbs, 1889
Peu de temps après, la nature électromagnétique de la lumière a été démontré de façon concluante par les expériences de Heinrich Hertz en Allemagne.
La reconnaissance scientifique
Gibbs a travaillé à une époque où il y avait peu de tradition de la science théorique rigoureux aux États-Unis. Sa recherche ne était pas facile à comprendre à ses élèves ou ses collègues et il n'a fait aucun effort pour populariser ses idées ou de simplifier leur exposition pour les rendre plus accessibles. Son ouvrage sur la thermodynamique a été publié principalement dans les Transactions de l'Académie Connecticut, un journal édité par bibliothécaire frère-frère, qui a été peu lu aux Etats-Unis et encore moins en Europe. Lorsque Gibbs a présenté son long article sur l'équilibre des substances hétérogènes à l'Académie, à la fois Elias Loomis et HA Newton protesté qu'ils ne comprennent pas le travail de Gibbs du tout, mais ils ont aidé à réunir l'argent nécessaire pour payer pour la composition des nombreuses équations et des symboles mathématiques dans le document. Fonds dans le but ont été apportés à la fois par les membres de l'université et par les hommes d'affaires et professionnelles locales à New Haven.
Même si elle avait été immédiatement adopté par Maxwell, la formulation graphique de Gibbs des lois de la thermodynamique ne est entré en usage répandu dans le milieu du 20e siècle, grâce au travail des László Tisza et Herbert Callen. Selon James Gerald Crowther,
dans ses dernières années [Gibbs] était un grand homme digne, d'un pas en bonne santé et teint vermeil, d'effectuer sa part des tâches ménagères, accessible et aimables (si inintelligible) aux étudiants. Gibbs a été très apprécié par ses amis, mais la science américaine a été trop préoccupé par des questions pratiques de faire grand usage de son travail théorique profonde de son vivant. Il a vécu sa vie tranquille à Yale, profondément admiré par quelques étudiants capables, mais ne faisant aucune empreinte immédiate sur la science en rapport américain avec son génie.- JG Crowther, 1937
D'autre part, Gibbs ne recevoir les grands honneurs alors possible pour un chercheur universitaire aux États-Unis. Il a été élu à la National Academy of Sciences en 1879 et a reçu le 1880 Prix Rumford de la Académie américaine des arts et des sciences pour ses travaux sur la thermodynamique chimique. Il a également accordé des doctorats honorifiques de l'Université de Princeton et Williams College.
En Europe, Gibbs a été intronisé comme membre honoraire de la London Mathematical Society en 1892 et comme membre étranger de la Royal Society en 1897. Il a été élu membre correspondant de la Prussienne et Français Académies des sciences et reçu des doctorats honorifiques des universités de Erlangen et Christiania (aujourd'hui Oslo). La Société royale honoré de Gibbs en 1901 avec le Médaille Copley, alors considéré comme la plus haute distinction internationale dans les sciences naturelles, remarquant qu'il avait été "le premier à appliquer la seconde loi de la thermodynamique à la discussion exhaustive de la relation entre produits chimiques, de l'énergie électrique et thermique et de la capacité de travail externe. " Gibbs, qui est resté à Yale, était représentée à la cérémonie par le commandant Richardson Clover, l'attaché naval américain à Londres.
Dans son autobiographie, mathématicien Gian-Carlo Rota raconte parcourant désinvolture les piles de mathématiques Bibliothèque Sterling et trébuchant sur une liste de diffusion manuscrite, attaché à certaines des notes de cours de Gibbs, qui a recensé plus de deux cents scientifiques remarquables de son époque, y compris Poincaré, Boltzmann, David Hilbert , et Ernst Mach. De cette Rota a conclu que le travail de Gibbs était mieux connu parmi l'élite scientifique de son temps que le matériel publié suggère. Lynde Wheeler reproduit cette liste de diffusion dans une annexe à sa biographie de Gibbs. Ce Gibbs a réussi à intéresser ses correspondants européens dans son travail est démontré par le fait que sa monographie "sur l'équilibre des substances hétérogènes» a été traduit en allemand (alors la langue de premier plan pour la chimie) par Wilhelm Ostwald en 1892 et en français par Henri Louis Le Châtelier en 1899.
Influence
Influence la plus immédiate et évidente de Gibbs était sur la chimie physique et la mécanique statistique, deux disciplines qui il a grandement contribué à fonder. Durant la vie de Gibbs, sa règle de phase a été validé expérimentalement par le chimiste néerlandais HW Bakhuis Roozeboom, qui a montré comment l'appliquer dans une variété de situations, assurant ainsi qu'il l'utilisation généralisée. En chimie industrielle, les thermodynamique de Gibbs ont trouvé de nombreuses applications au début du 20e siècle, de l'électrochimie au développement de la Haber processus pour la synthèse de l'ammoniac .
Lorsque physicien hollandais JD van der Waals a reçu le 1910 Prix Nobel "pour son travail sur la équation d'état pour les gaz et les liquides "il a reconnu la grande influence de l'œuvre de Gibbs sur ce sujet. Max Planck a reçu le prix Nobel 1918 pour ses travaux sur la mécanique quantique, en particulier son article 1900 La loi de Planck pour quantifié rayonnement du corps noir. Ce travail a été largement basée sur la thermodynamique de Kirchhoff, Boltzmann et Gibbs. Planck a déclaré que le nom de Gibbs "non seulement en Amérique mais dans le monde entier ne sera jamais compté parmi les physiciens théoriques les plus célèbres de tous les temps."
La première moitié du 20e siècle a vu la publication de deux manuels influents qui ne tarda pas à être considérés comme des documents de fondation de la thermodynamique chimique, qui tous deux utilisés et étendu le travail de Gibbs dans ce domaine: ce sont Thermodynamique et gratuit énergétique des procédés chimiques ( 1923), par Gilbert N. Lewis et Merle Randall et moderne Thermodynamique par les méthodes de Willard Gibbs (1933), par Edward A. Guggenheim. Sous l'influence de Lewis, William Giauque (qui avaient d'abord voulu être ingénieur chimiste) est devenu un professeur de chimie à Berkeley et a remporté le 1949 Prix Nobel de chimie pour ses enquêtes sur les propriétés de la matière à des températures proches absolue zéro, des études guidées par la troisième loi de la thermodynamique .
Le travail de Gibbs sur des ensembles statistiques, tel que présenté dans son manuel de 1902, a eu un grand impact à la fois physique théorique et en mathématiques pures. Initialement ignorent les contributions de Gibbs dans ce domaine, Albert Einstein a écrit trois articles sur la mécanique statistique, publiés entre 1902 et 1904. Après avoir lu le manuel de Gibbs (qui a été traduit en allemand par Ernst Zermelo en 1905), Einstein a déclaré que le traitement de Gibbs était supérieur à son posséder et a expliqué qu'il aurait pas écrit ces papiers si il avait connu le travail de Gibbs. Selon le physicien mathématique Arthur Wightman:
Il est l'un des traits marquants de l'œuvre de Gibbs, remarqué par tous les élèves de la thermodynamique et la mécanique statistique, que ses formulations de concepts physiques ont été si heureusement choisis qu'ils ont survécu à 100 ans de développement turbulent dans la physique théorique et les mathématiques.- AS Wightman 1990
Début des papiers de Gibbs sur l'utilisation des méthodes graphiques en thermodynamique reflètent une compréhension puissamment original de ce que les mathématiciens appellera plus tard " analyse convexe ", y compris des idées qui, selon Barry Simon, «dormaient pendant environ 75 années". Concepts mathématiques importants basés sur le travail de Gibbs sur la thermodynamique et mécanique statistique comprennent l' Gibbs lemme dans la théorie des jeux , l' inégalité Gibbs et Gibbs algorithme en théorie de l'information, ainsi que l'échantillonnage de Gibbs dans les statistiques de calcul.
Le développement de calcul vectoriel était autre grande contribution de Gibbs aux mathématiques. La publication en 1901 du manuel de EB Wilson analyse vectorielle , basé sur les conférences de Gibbs à Yale, a fait beaucoup pour propager l'utilisation de méthodes et de notation vectorielles en mathématiques et en physique théorique, déplacer définitivement les escouades qui avaient jusque-là été dominant dans la littérature scientifique .
A Yale, Gibbs a également été le mentor de Lee De Forest, qui a continué à inventer pour l' amplificateur triode et a été appelé le "père de la radio". De Forest crédité l'influence de Gibbs pour la réalisation "que les chefs de file dans le développement électrique seraient ceux qui ont poursuivi la théorie des ondes supérieur et oscillations et la transmission par ces moyens de l'intelligence et de puissance. " Un autre étudiant de Gibbs qui a joué un rôle important dans le développement de la technologie radio était Lynde Wheeler.
Gibbs a également eu une influence indirecte sur l'économie mathématique. Il a supervisé la thèse d'Irving Fisher, qui a reçu le premier Ph.D. en économie de Yale en 1891. Dans cet ouvrage, publié en 1892 comme Enquêtes mathématiques dans la théorie de la valeur et des prix , Fisher a établi une analogie directe entre l'équilibre de Gibbs dans les systèmes physiques et chimiques, et l' équilibre général des marchés, et il a utilisé de Gibbs notation vectorielle. Le protégé de Gibbs Edwin Bidwell Wilson est devenu, à son tour, un mentor pour éminent économiste américain et lauréat du prix Nobel Paul Samuelson. En 1947, Samuelson publié Foundations of Economic Analysis , basé sur sa thèse de doctorat, dans lequel il a utilisé comme épigraphe une remarque attribuée à Gibbs: «Les mathématiques sont un langage." Samuelson a expliqué plus tard que dans sa compréhension de ses prix «dettes ne sont pas principalement pour Pareto ou Slutsky, mais à la grande thermodynamicien, Willard Gibbs de Yale. "
Pour sa part, le mathématicien Norbert Wiener a cité l'utilisation de Gibbs de la probabilité dans la formulation de la mécanique statistique comme «la première grande révolution de la physique du XXe siècle" et comme une influence majeure sur sa conception de la cybernétique. Wiener expliqué dans la préface de son livre L'usage humain de êtres humains qu'il était "consacré à l'impact du point de vue sur la vie moderne de Gibbs, à la fois par les modifications de fond qu'elle a faites à la science de travail, et par les changements qu'il a fait indirectement dans notre attitude envers la vie en général ».
Commémoration
Lorsque le chimiste allemand Walther Nernst visité Yale en 1906 pour donner la conférence Silliman, il a été surpris de découvrir qu'il n'y avait pas de mémorial tangible pour Gibbs. Il a fait don donc son frais de 500 $ de conférences à l'université pour aider à payer pour un monument approprié, qui a finalement été dévoilé en 1912 sous la forme d'un bronze bas-relief du sculpteur Lee Lawrie, installé dans la Sloane Laboratoire de Physique. En 1910, la American Chemical Society a créé le Médaille Gibbs Willard, grâce à l'initiative de William A. Converse, un ancien président et secrétaire de la Section de Chicago. Le American Mathematical Society a doté la Josiah Willard Gibbs Lectureship en 1923 pour sensibiliser le public des mathématiques et ses applications.
En 1945, l'Université de Yale a créé la chaire J. Willard Gibbs en chimie théorique, tenue jusqu'en 1973 par Lars Onsager, qui a remporté le prix Nobel 1968 de chimie. (Onsager, comme Gibbs, a travaillé principalement sur l'application de nouvelles idées mathématiques à des problèmes de chimie physique.) Josiah Willard Gibbs laboratoires de Yale et son J. Willard Gibbs de professeur adjoint en mathématiques sont également nommés en son honneur, et l'université a accueilli deux colloques consacré à la vie et l'œuvre de Gibbs, l'un en 1989 et un autre sur le centenaire de sa mort, en 2003. Université Rutgers a une J. Willard Gibbs professeur de Thermomécanique, actuellement détenu par Bernard D. Coleman.
En 1950, Gibbs a été élu auTemple de la renommée des Grands Américains. Le United States Navy navire de recherche océanographiqueUSNSJosiah Willard Gibbs(T-AGOR-1), en service de 1958 à 1971, a été nommé pour Gibbs. Le Gibbs cratère, situé près de la branche orientale de laLune, a été nommé en son honneur en 1964.
EA Guggenheim introduit le symboleGpour l'énergie libre de Gibbs en 1933, et le même symbole a été utilisé aussi parDirk ter Haar en 1966. Cette notation est désormais universelle et est recommandé par l' IUPAC.En 1960, William Giauqueet al.a suggéré d'utiliser le nom "Gibbs" (de GBS abrégés.) pour l'unité de l'entropie,calories /Kelvin, mais cet usage ne devienne pas commun et correspondantunité SI,Joule / Kelvin, porte pas de nom particulier.
Dans la littérature
En 1909, l'historien et romancier américain Henry Adams a terminé un essai intitulé «La règle de la phase appliquée à l'histoire", dans laquelle il a cherché à appliquer la règle des phases de Gibbs et d'autres concepts thermodynamiques à une théorie générale de l'histoire humaine. William James, Henry Bumstead , et d'autres ont critiqué à la fois ténue portée de Adams des concepts scientifiques qu'il invoquée, ainsi que le caractère arbitraire de son application de ces concepts comme des métaphores pour l'évolution de la pensée humaine et de la société. L'essai resté inédit jusqu'à ce qu'il apparaisse à titre posthume en 1919, la dégradation de la proclamation du dogme démocratique , édité par Henry Adams jeune frère Brooks.
Dans les années 1930, le poète féministe Muriel Rukeyser est devenu fasciné par Willard Gibbs et a écrit un long poème sur sa vie et de travail ("Gibbs", inclus dans la collection Un tournant Vent , publié en 1939), ainsi qu'une biographie de longueur du livre ( Willard Gibbs , 1942). Selon Rukeyser:
Willard Gibbs est le type de l'imagination à l'œuvre dans le monde. Son histoire est celle d'une ouverture qui a eu son effet sur nos vies et notre façon de penser; et, il me semble, il est l'emblème de l'imagination, qui est appelé nu abstrait et peu pratique, mais dont les découvertes peuvent être utilisés par quiconque est intéressé, dans tout ce «champ» -une imagination qui, pour moi, plus que cela de toute autre figure de la pensée américaine, tout poète, ou politique, ou figure religieuse, se trouve à l'imagination dans ses points essentiels.- Muriel Rukeyser, 1949
En 1946, Fortune Magazine illustré une histoire de couverture sur «La science fondamentale" avec une représentation de la surface thermodynamique qui Maxwell avait construit sur la base de la proposition de Gibbs. Rukeyser avait appelé cette surface une «statue de l'eau" et le magazine a vu en elle «la création abstraite d'un grand scientifique américain qui se prête à la symbolique des formes d'art contemporain." L'œuvre d'art par Arthur Lidov également inclus expression mathématique de Gibbs de la règle de phase pour les mélanges hétérogènes, ainsi qu'un radar écran, une forme d'onde de l'oscilloscope, de Newton la pomme, et une petite interprétation d'un diagramme de phase en trois dimensions.
Le neveu de Gibbs, Ralph Gibbs Van Nom, un professeur de chimie physique à Yale, était mécontent de la biographie de Rukeyser, en partie à cause de son manque de formation scientifique. Van Nom avait retenu les papiers de son de la famille et, après son livre a été publié en 1942 pour des revues scientifiques littéraires, mais mixtes positifs, il essayé d'encourager les anciens élèves de Gibbs pour produire une nouvelle et plus orientée techniquement biographie. Avec son soutien, Lynde Wheeler a publié un tel travail en 1951.
Tant la biographie de Gibbs et Rukeyser de lui une place importante dans la collection de poésie True North (1997) par Stephanie Strickland. Dans la fiction, Gibbs apparaît comme le mentor de Kit de caractères Traverse dans le roman de Thomas Pynchon Contre Jour (2006). Ce roman traite également en évidence la biréfringence de spath d'Islande, un phénomène optique que Gibbs enquête.
Gibbs timbre (2005)
Le 4 mai 2005, le United States Postal Service a émis le American Scientists commémorative timbre série conçue par l'artiste Victor Stabin, représentant Gibbs, John von Neumann , Barbara McClintock, et Richard Feynman . Kenneth R. Jolls, un professeur de génie chimique à l' Université d'État de l'Iowa et un expert sur les méthodes graphiques en thermodynamique, consultés sur la conception du timbre en l'honneur Gibbs. Le timbre identifie Gibbs comme un «thermodynamicien" et dispose d'un diagramme à partir de la 4ème édition de Maxwell la théorie de la chaleur , publié en 1875, qui illustre surface thermodynamique de Gibbs pour l'eau. microlettres sur le col du portrait de Gibbs dépeint son équation mathématique original pour le changement dans l'énergie d'une substance en termes de son entropie et les autres variables d'état.
Contour de travail principale
- Chimie physique:énergie libre,diagramme de phase,règle des phases,phénomènes de transport
- Mécanique statistique:ensemble statistique,espace des phases,potentiel chimique,Gibbs entropie, Gibbs paradoxe
- Mathématiques: Analyse vectorielle,analyse convexe, Phénomène de Gibbs
- Electromagnétisme:les équations de Maxwell,biréfringence
