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。 他一生致力于化學光學、熱力學，后來又開創了統計量熱學。 他的豐碩成果無疑是學術界的一筆巨大財富。 但與此同時，吉布斯還是一位私下里喜歡帶中學生去郊游的老師。 他覺得徒步旅行者和化學家一樣，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《美學與數學》的專著，開頭說：
十九世紀數學的三大最高成就是熱力學、電磁學和統計量熱法。 其中，統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年創立的哈佛大學學院所在地。 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家，曾擔任哈佛大學神學院院長，我的叔叔是耶魯大學的代理院長。 他的父親出生于書香門第，父親是耶魯大學物理學院士，祖母是物理學和自然哲學院士，曾祖母是芝加哥大學首任院長（耶魯大學前身） 。
吉布斯童年時體弱多病，因此經常缺課。 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。在學院里，他因拉丁語和物理成績優異而多次獲獎。 1863年英國物理學家湯姆森，他完成了論文《論直蝸輪齒的樣式》，成為日本第一位工學博士，也是日本第五位博士。 畢業后，他留在學校擔任助教，前三年教拉丁語，第七年教數學。 在此期間英國物理學家湯姆森，他師從物理學家、天文學家休伯特·安森·牛頓（Anson）。 導師是流星系統研究的權威，對中學生后來的學業發展影響很大，但師生卻成為終生的朋友。 1866年，吉布斯在學會做了題為“長度單位的精確測量”的演講，提出了機械領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、柏林和海德堡學習生活一年。 那是他一生中唯一離開家鄉的一天。 在兩年的訪問期間，他結識了許多知名學者。 在倫敦，他聆聽了索邦大學物理學家約瑟夫·劉維爾（ ）和德意志大學米歇爾·夏勒（ ）的學術講座。 在柏林，他參加了物理學家 Karl (Karl) 和 () 以及物理學家 () 的講座。 在海德堡學院，他師從化學家古斯塔夫·基爾霍夫 ( ) 和赫爾曼·馮·亥姆霍茲 ( von ) (von) 的科學工作。 這次訪問開始了他勢不可擋的科學研究。
1869 年吉布斯回到哈佛時，教員空缺，他被指派向文科學生教授日語。 教學之余，他嘗試設計一種新型蒸汽機調速器，這是他在機械工程領域的最后一項技術研究。 1871 年，他成功獲得了物理化學的教學職位。 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，毫無負擔的吉布斯開啟了他后來的輝煌歷史。
學術界的吉布斯
1873年，34歲的吉布斯開始發表學術論文。 他在《The小刊》上發表了兩篇文章，解釋了如何用幾何方法來表達熱力學量。 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》中用了整整一章來介紹吉布斯的工作。 他在巴黎物理學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化學系。
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分析擴展到復雜相系統，并考慮到各種實際應用。 他在題為《論多相物質的平衡》的兩卷本著作中總結了這項工作。 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，吉布斯以熱力學創始人魯道夫·克勞修斯（ ）關于熱力學第一、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《熱力學自然哲學的物理原理》，而且當時整個德國科學界并不重視基礎理論研究，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術界的歡迎，并被翻譯成法文和英文，成為現代“物理物理學”學科的基石。
1880年，新成立的約翰·霍普金斯學院邀請吉布斯工作，周薪為3000英鎊。 對此，哈佛學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。 吉布斯并不關心薪水，因為他早已習慣了貧窮。 他的興趣在于讓他著迷的科學研究，而哈佛可以為他提供更好的學術交流條件和工作環境。
1880年至1884年間，為了滿足化學家估計和分析的需要，吉布斯將赫爾曼·格拉斯曼的外代數發展為向量微積分。 他分別定義了兩個向量的數積和向量積，還引入了二進張量的概念。 此時，美國物理學家、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家相信矢量分析優于物理學家威廉·漢密爾頓（羅文）引入的四元??數分析。 這引發了他與化學家彼得·泰特（Peter Tait）等人在《自然》雜志上就物理標記方式及其化學本質展開了一場大辯論。 吉布斯關于向量分析的課件《向量分析原理》最初并沒有公開發行，在1881年和1884年的講課中只為中學生制作了少量彩色印刷。但這個課件被后人認為是現代矢量分析的開始。 據悉，在物理學領域，他還發現了今天著名的傅里葉級數的“吉布斯現象”。
在此期間，吉布斯還從事化學光學領域的工作。 但當他發現深入研究這一領域需要了解物質的微觀結構時，他果斷轉向熱力學。 后來，當他意識到麥克斯韋提出的電磁學理論有很大的發展空間，不需要涉及物質的微觀結構時，他又回到了數學光學。 1882年至1889年間，他寫了五篇關于數學光學的論文，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現象，并攻擊了當時的光的機械波理論。
吉布斯創造了“統計熱量”一詞，并引入了一些用于描述化學系統及其相應物理描述的關鍵概念，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 ()。諾貝爾化學獎得主評價吉布斯時說，他“給出了將統計熱量應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性質的統計原理，以獨特的方式闡述了他引入的熱力學多項式，并通過多粒子系統的統計性質對熱力學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《統計熱的基本原理》。
圖2.《統計熱力基本原理》中文版，中國科學技術出版社，2016年
不僅是矢量分析和統計熱，許多以他命名的技術術語從不同角度體現了他的學術成就和科學貢獻：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、吉布斯-湯姆遜效應、吉布斯等溫面、吉布斯-唐南效應、吉布斯-馬倫科尼效應、吉布斯引理、吉布斯不等式等。
學術界對取得巨大成就的科學家給予了充分、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教授。 1880年，他因其在物理熱力學方面的杰出工作而獲得日本文理大學獎，并被耶魯大學授予名譽博士學位。 1892年當選為巴黎物理學會名譽會員。 1897年當選為加拿大皇家學會外籍教授、普魯士科技大學教授和美國科技大學教授，并獲該院榮譽博士學位科學和奧斯陸。 1901年，加拿大皇家學會授予他一張被認為是當時自然科學界最高榮譽的證書。 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年發行的吉布斯紀念郵票
1910年，加拿大物理學會設立吉布斯獎，以表彰對理論和應用物理學做出杰出貢獻的學者。 1923年，法國物理學會組織了吉布斯講座“向公眾展示個人的物理思想及其應用”。 1945年，哈佛大學設立了吉布斯理論物理院士，學院還設立了吉布斯熱力學院士。 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。
中學生眼中的吉布斯
其實更有價值、更有趣的是他的中學生的評價。
吉布斯一生信仰基督教。 他從未結過婚，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生敬而遠之。 他最喜歡的學生埃德溫（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。 ……他不是一個以科學研究為潮流而走上殿堂的學者……吉布斯不是一個背離社會習俗的人，但他不會刻意引人注目。 他是一位善良而有尊嚴的紳士?！?span style="display:none">87r物理好資源網(原物理ok網)
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，他經常戴一頂禮帽，但它從不強調他的氣質?！碧觳诺莫毺匮哉摗嬲\而又不過分熱情，表現出他本性的純真和真誠?！?span style="display:none">87r物理好資源網(原物理ok網)
吉布斯還有一位非常優秀的中學生，那就是無線電技術的先驅李·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師。
吉布斯的中學生亨利·班斯特德（Henry）在《美國科學雜志》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事業上取得的偉大成就?！?span style="display:none">87r物理好資源網(原物理ok網)
雖然吉布斯本人并沒有多少中學生，但許多其他領域的知名學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理經濟學家的歐文·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。
在中學生的記憶和回憶中，他們喜歡老師在課余時間經常帶他們去爬山。 吉布斯覺得徒步旅行者和化學家有很多相似的品質：他們都忍受孤獨的旅程，總是挑戰最高峰，精心規劃自己的路徑，并在艱苦的攀登中享受樂趣。
圖4.吉布斯青銅紀念雕像（哈佛大學吉布斯實驗室入口處）
