編者注
本文介紹了被愛因斯坦稱為“美國歷史上最杰出的天才”的吉布斯的一生故事。 他一生致力于化學(xué)光學(xué)、熱力學(xué)，后來又開創(chuàng)了統(tǒng)計量熱學(xué)。 他的豐碩成果無疑是學(xué)術(shù)界的一筆巨大財富。 但與此同時，吉布斯還是一位私下里喜歡帶中學(xué)生去郊游的老師。 他覺得徒步旅行者和化學(xué)家一樣，都從艱苦的攀登中獲得樂趣。
1997年，楊振寧為《科技文化》雜志寫了一篇題為《美學(xué)與數(shù)學(xué)》的專著，開頭說：
十九世紀數(shù)學(xué)的三大最高成就是熱力學(xué)、電磁學(xué)和統(tǒng)計量熱法。 其中，統(tǒng)計熱是基于麥克斯韋（J.，1831-1879）、玻爾·澤曼（L.，1844-1905）和吉布斯（W.Gibbs，1839-1903）的工作。
你可能更熟悉麥克斯韋和玻爾茲曼。 那么吉布斯是誰？ ——他也是一位化學(xué)家，被愛因斯坦稱為“美國歷史上最偉大的思想家”。
六年寒窗奠定輝煌歷史
吉布斯，全名喬賽亞·威拉德·吉布斯（Gibbs），1839年2月11日出生于德國紐黑文，1701年創(chuàng)立的哈佛大學(xué)學(xué)院所在地。 吉布斯在家中排行第四，有三個妹妹和一個弟弟。 我的父親是一位語言學(xué)家，曾擔(dān)任哈佛大學(xué)神學(xué)院院長，我的叔叔是耶魯大學(xué)的代理院長。 他的父親出生于書香門第，父親是耶魯大學(xué)物理學(xué)院士，祖母是物理學(xué)和自然哲學(xué)院士，曾祖母是芝加哥大學(xué)首任院長（耶魯大學(xué)前身） 。
吉布斯童年時體弱多病，因此經(jīng)常缺課。 幸運的是，他的父母精心教育他，讓他在15歲時進入哈佛大學(xué)。在學(xué)院里，他因拉丁語和物理成績優(yōu)異而多次獲獎。 1863年英國物理學(xué)家湯姆森，他完成了論文《論直蝸輪齒的樣式》，成為日本第一位工學(xué)博士，也是日本第五位博士。 畢業(yè)后，他留在學(xué)校擔(dān)任助教，前三年教拉丁語，第七年教數(shù)學(xué)。 在此期間英國物理學(xué)家湯姆森，他師從物理學(xué)家、天文學(xué)家休伯特·安森·牛頓（Anson）。 導(dǎo)師是流星系統(tǒng)研究的權(quán)威，對中學(xué)生后來的學(xué)業(yè)發(fā)展影響很大，但師生卻成為終生的朋友。 1866年，吉布斯在學(xué)會做了題為“長度單位的精確測量”的演講，提出了機械領(lǐng)域測量單位體系的合理化計劃。 同年，他申請了列車制動技術(shù)專利，使列車無需配備制動人員。 1866年至1869年，吉布斯卸任前往倫敦、柏林和海德堡學(xué)習(xí)生活一年。 那是他一生中唯一離開家鄉(xiāng)的一天。 在兩年的訪問期間，他結(jié)識了許多知名學(xué)者。 在倫敦，他聆聽了索邦大學(xué)物理學(xué)家約瑟夫·劉維爾（ ）和德意志大學(xué)米歇爾·夏勒（ ）的學(xué)術(shù)講座。 在柏林，他參加了物理學(xué)家 Karl (Karl) 和 () 以及物理學(xué)家 () 的講座。 在海德堡學(xué)院，他師從化學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫 ( ) 和赫爾曼·馮·亥姆霍茲 ( von ) (von) 的科學(xué)工作。 這次訪問開始了他勢不可擋的科學(xué)研究。
1869 年吉布斯回到哈佛時，教員空缺，他被指派向文科學(xué)生教授日語。 教學(xué)之余，他嘗試設(shè)計一種新型蒸汽機調(diào)速器，這是他在機械工程領(lǐng)域的最后一項技術(shù)研究。 1871 年，他成功獲得了物理化學(xué)的教學(xué)職位。 而且，由于沒有論文，他很快就被高中開除。 此后六年，他沒有工資，靠母親留下的積蓄度日。 他還是搬到了弟弟家的小樓里。 然而正是在這沒有工作、沒有薪水、貧困的六年里，毫無負擔(dān)的吉布斯開啟了他后來的輝煌歷史。
學(xué)術(shù)界的吉布斯
1873年，34歲的吉布斯開始發(fā)表學(xué)術(shù)論文。 他在《The小刊》上發(fā)表了兩篇文章，解釋了如何用幾何方法來表達熱力學(xué)量。 他是一位默默無聞的老師，這項研究得到了麥克斯韋的高度評價。 麥克斯韋在 1875 年修訂的《熱科學(xué)》中用了整整一章來介紹吉布斯的工作。 他在巴黎物理學(xué)會的一次演講中描述了吉布斯幾何方法的使用，后來在《大英百科全書》有關(guān)圖表方法的一章中提到了吉布斯的工作。 然而，麥克斯韋于 1879 年英年早逝，切斷了他與吉布斯之間任何可能的合作。 從此，普林斯頓流傳著一個笑話：“只有一個活著的人能夠理解吉布斯的論文，那就是麥克斯韋，但他早已死了。” 然而，麥克斯韋親自制作了兩個表達吉布斯幾何方法的石膏模型，并將其中的一個寄給了吉布斯。 這個模型至今仍陳列在耶魯大學(xué)化學(xué)系。
圖1 自己制作的吉布斯幾何模型
然后，吉布斯將他的熱力學(xué)分析擴展到復(fù)雜相系統(tǒng)，并考慮到各種實際應(yīng)用。 他在題為《論多相物質(zhì)的平衡》的兩卷本著作中總結(jié)了這項工作。 該書于1875年和1878年出版，標志著身體平衡理論的誕生。 在書中，吉布斯以熱力學(xué)創(chuàng)始人魯?shù)婪颉た藙谛匏梗?）關(guān)于熱力學(xué)第一、第二定律的格言開場：“整個世界的能量是守恒的。整個世界的熵趨于最大值。” 這部專著被后人稱為《熱力學(xué)自然哲學(xué)的物理原理》，而且當時整個德國科學(xué)界并不重視基礎(chǔ)理論研究，吉布斯的研究成果在自己的國家也沒有引起共鳴。幸運的是，這部著作受到了法國學(xué)術(shù)界的歡迎，并被翻譯成法文和英文，成為現(xiàn)代“物理物理學(xué)”學(xué)科的基石。
1880年，新成立的約翰·霍普金斯學(xué)院邀請吉布斯工作，周薪為3000英鎊。 對此，哈佛學(xué)院決定給他兩千港幣的月薪，并問他是否愿意留下來？ 沒想到，吉布斯卻淡然接受，并留在了斯坦福大學(xué)。 吉布斯并不關(guān)心薪水，因為他早已習(xí)慣了貧窮。 他的興趣在于讓他著迷的科學(xué)研究，而哈佛可以為他提供更好的學(xué)術(shù)交流條件和工作環(huán)境。
1880年至1884年間，為了滿足化學(xué)家估計和分析的需要，吉布斯將赫爾曼·格拉斯曼的外代數(shù)發(fā)展為向量微積分。 他分別定義了兩個向量的數(shù)積和向量積，還引入了二進張量的概念。 此時，美國物理學(xué)家、工程師奧利弗·赫維賽（ ）也在獨立進行類似的研究。 吉布斯仍然試圖讓化學(xué)家相信矢量分析優(yōu)于物理學(xué)家威廉·漢密爾頓（羅文）引入的四元??數(shù)分析。 這引發(fā)了他與化學(xué)家彼得·泰特（Peter Tait）等人在《自然》雜志上就物理標記方式及其化學(xué)本質(zhì)展開了一場大辯論。 吉布斯關(guān)于向量分析的課件《向量分析原理》最初并沒有公開發(fā)行，在1881年和1884年的講課中只為中學(xué)生制作了少量彩色印刷。但這個課件被后人認為是現(xiàn)代矢量分析的開始。 據(jù)悉，在物理學(xué)領(lǐng)域，他還發(fā)現(xiàn)了今天著名的傅里葉級數(shù)的“吉布斯現(xiàn)象”。
在此期間，吉布斯還從事化學(xué)光學(xué)領(lǐng)域的工作。 但當他發(fā)現(xiàn)深入研究這一領(lǐng)域需要了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)時，他果斷轉(zhuǎn)向熱力學(xué)。 后來，當他意識到麥克斯韋提出的電磁學(xué)理論有很大的發(fā)展空間，不需要涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)時，他又回到了數(shù)學(xué)光學(xué)。 1882年至1889年間，他寫了五篇關(guān)于數(shù)學(xué)光學(xué)的論文，利用麥克斯韋的電磁理論研究雙折射、色散和其他一些光學(xué)現(xiàn)象，并攻擊了當時的光的機械波理論。
吉布斯創(chuàng)造了“統(tǒng)計熱量”一詞，并引入了一些用于描述化學(xué)系統(tǒng)及其相應(yīng)物理描述的關(guān)鍵概念，特別是 1873 年引入的吉布斯能量、1876 年引入的物理勢、1902 年引入的 ()。諾貝爾化學(xué)獎得主評價吉布斯時說，他“給出了將統(tǒng)計熱量應(yīng)用于任何宏觀物體的最徹底、最完整的方法”。 吉布斯還運用支配系統(tǒng)性質(zhì)的統(tǒng)計原理，以獨特的方式闡述了他引入的熱力學(xué)多項式，并通過多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計性質(zhì)對熱力學(xué)唯象理論給出了完美的解釋。 1902年，他將這項工作寫進了極具影響力的教科書《統(tǒng)計熱的基本原理》。
圖2.《統(tǒng)計熱力基本原理》中文版，中國科學(xué)技術(shù)出版社，2016年
不僅是矢量分析和統(tǒng)計熱，許多以他命名的技術(shù)術(shù)語從不同角度體現(xiàn)了他的學(xué)術(shù)成就和科學(xué)貢獻：吉布斯熵、吉布斯能量、吉布斯相律、吉布斯佯謬、吉布斯現(xiàn)象、吉布斯-亥姆霍茲多項式、吉布斯-杜安多項式、吉布斯采樣、吉布斯度量、吉布斯狀態(tài)、吉布斯-湯姆遜效應(yīng)、吉布斯等溫面、吉布斯-唐南效應(yīng)、吉布斯-馬倫科尼效應(yīng)、吉布斯引理、吉布斯不等式等。
學(xué)術(shù)界對取得巨大成就的科學(xué)家給予了充分、公正的認可和獎勵。
1879年，吉布斯被選為加拿大國立科技大學(xué)教授。 1880年，他因其在物理熱力學(xué)方面的杰出工作而獲得日本文理大學(xué)獎，并被耶魯大學(xué)授予名譽博士學(xué)位。 1892年當選為巴黎物理學(xué)會名譽會員。 1897年當選為加拿大皇家學(xué)會外籍教授、普魯士科技大學(xué)教授和美國科技大學(xué)教授，并獲該院榮譽博士學(xué)位科學(xué)和奧斯陸。 1901年，加拿大皇家學(xué)會授予他一張被認為是當時自然科學(xué)界最高榮譽的證書。 此前，像 1838 年這樣的獎項是由高斯和法拉第分享的。
1903年4月28日，吉布斯因急性腸梗塞在紐黑文去世，享年64歲，遺體被埋葬在格羅夫公墓。
圖3.日本郵政2005年發(fā)行的吉布斯紀念郵票
1910年，加拿大物理學(xué)會設(shè)立吉布斯獎，以表彰對理論和應(yīng)用物理學(xué)做出杰出貢獻的學(xué)者。 1923年，法國物理學(xué)會組織了吉布斯講座“向公眾展示個人的物理思想及其應(yīng)用”。 1945年，哈佛大學(xué)設(shè)立了吉布斯理論物理院士，學(xué)院還設(shè)立了吉布斯熱力學(xué)院士。 吉布斯于1950年入選英國偉人名人堂。海洋研究船“吉布斯”號于1958年至1971年在德國空軍服役。1964年，地球上的一個鐵隕石坑被命名為吉布斯隕石坑。
中學(xué)生眼中的吉布斯
其實更有價值、更有趣的是他的中學(xué)生的評價。
吉布斯一生信仰基督教。 他從未結(jié)過婚，并且很高興獨自一人。 他近乎開朗的性格和對工作的過度癡迷常常讓中學(xué)生敬而遠之。 他最喜歡的學(xué)生埃德溫（Edwin）回憶道：“除了在課堂上，我們很少見到吉布斯。晚上的工作完成后，他就會從舊實驗室的辦公室回到家里。” 那段時間我們會經(jīng)常遇到他。”威爾遜補充道，“吉布斯并沒有專注于推銷自己，也沒有刻意傳播科學(xué)。 ……他不是一個以科學(xué)研究為潮流而走上殿堂的學(xué)者……吉布斯不是一個背離社會習(xí)俗的人，但他不會刻意引人注目。 他是一位善良而有尊嚴的紳士。”
吉布斯的另一位高中生林德·惠勒（Lynde ）這樣描述吉布斯晚年的生活：“他的著裝總是整潔得體。在街上，他經(jīng)常戴一頂禮帽，但它從不強調(diào)他的氣質(zhì)。”天才的獨特言論……他真誠而又不過分熱情，表現(xiàn)出他本性的純真和真誠。”
吉布斯還有一位非常優(yōu)秀的中學(xué)生，那就是無線電技術(shù)的先驅(qū)李·德福雷斯特。 這位成功的高中生被譽為“廣播之父”、“電視之父”和“真空二極管之父”，真空二極管的發(fā)明者。 德福雷斯特承認，他尋求電磁波和電磁振蕩理論突破的想法來自于他的導(dǎo)師。
吉布斯的中學(xué)生亨利·班斯特德（Henry）在《美國科學(xué)雜志》的悼詞中評價道：“他說話安靜，性情良好，對人友善，從不膽怯和憤怒，沒有個人野心和欲望為了權(quán)力，他仍在為成為一名無私的基督教紳士的理想而奮斗。在認識他的人看來，他美麗而高尚的人格絲毫不遜色于他在科學(xué)事業(yè)上取得的偉大成就。”
雖然吉布斯本人并沒有多少中學(xué)生，但許多其他領(lǐng)域的知名學(xué)者都與他有師生之誼。 1891年，吉布斯審閱了后來成為日本第一位數(shù)理經(jīng)濟學(xué)家的歐文·費舍爾的博士論文。 吉布斯去世后，心存感激的費舍爾為他所有專著的出版做出了貢獻。
在中學(xué)生的記憶和回憶中，他們喜歡老師在課余時間經(jīng)常帶他們?nèi)ヅ郎健?吉布斯覺得徒步旅行者和化學(xué)家有很多相似的品質(zhì)：他們都忍受孤獨的旅程，總是挑戰(zhàn)最高峰，精心規(guī)劃自己的路徑，并在艱苦的攀登中享受樂趣。
圖4.吉布斯青銅紀念雕像（哈佛大學(xué)吉布斯實驗室入口處）
