編者注
本文介紹了被愛因斯坦稱為“美國(guó)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(lái)又開創(chuàng)了統(tǒng)計(jì)量熱學(xué)。 他的豐碩成果無(wú)疑是學(xué)術(shù)界的一筆巨大財(cái)富。 但與此同時(shí)，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(jué)得徒步旅行者和化學(xué)家一樣，都從艱苦的攀登中獲得樂(lè)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(shuō)：
十九世紀(jì)數(shù)學(xué)的三大最高成就是熱力學(xué)、電磁學(xué)和統(tǒng)計(jì)量熱法。 其中，統(tǒng)計(jì)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(shuí)？ ——他也是一位化學(xué)家，被愛因斯坦稱為“美國(guó)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(guó)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(gè)妹妹和一個(gè)弟弟。 我的父親是一位語(yǔ)言學(xué)家，曾擔(dān)任哈佛大學(xué)神學(xué)院院長(zhǎng)，我的叔叔是耶魯大學(xué)的代理院長(zhǎng)。 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(zhǎng)（耶魯大學(xué)前身） 。
吉布斯童年時(shí)體弱多病，因此經(jīng)常缺課。 幸運(yùn)的是，他的父母精心教育他，讓他在15歲時(shí)進(jìn)入哈佛大學(xué)。在學(xué)院里，他因拉丁語(yǔ)和物理成績(jī)優(yōu)異而多次獲獎(jiǎng)。 1863年英國(guó)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(yǔ)，第七年教數(shù)學(xué)。 在此期間英國(guó)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(duì)中學(xué)生后來(lái)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(huì)做了題為“長(zhǎng)度單位的精確測(cè)量”的演講，提出了機(jī)械領(lǐng)域測(cè)量單位體系的合理化計(jì)劃。 同年，他申請(qǐng)了列車制動(dòng)技術(shù)專利，使列車無(wú)需配備制動(dòng)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(wèn)期間，他結(jié)識(shí)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(wèn)開始了他勢(shì)不可擋的科學(xué)研究。
1869 年吉布斯回到哈佛時(shí)，教員空缺，他被指派向文科學(xué)生教授日語(yǔ)。 教學(xué)之余，他嘗試設(shè)計(jì)一種新型蒸汽機(jī)調(diào)速器，這是他在機(jī)械工程領(lǐng)域的最后一項(xiàng)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(méi)有論文，他很快就被高中開除。 此后六年，他沒(méi)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(méi)有工作、沒(méi)有薪水、貧困的六年里，毫無(wú)負(fù)擔(dān)的吉布斯開啟了他后來(lái)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(lái)表達(dá)熱力學(xué)量。 他是一位默默無(wú)聞的老師，這項(xiàng)研究得到了麥克斯韋的高度評(píng)價(jià)。 麥克斯韋在 1875 年修訂的《熱科學(xué)》中用了整整一章來(lái)介紹吉布斯的工作。 他在巴黎物理學(xué)會(huì)的一次演講中描述了吉布斯幾何方法的使用，后來(lái)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(gè)笑話：“只有一個(gè)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(gè)表達(dá)吉布斯幾何方法的石膏模型，并將其中的一個(gè)寄給了吉布斯。 這個(gè)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(kuò)展到復(fù)雜相系統(tǒng)，并考慮到各種實(shí)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(xiàng)工作。 該書于1875年和1878年出版，標(biāo)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(chǎng)：“整個(gè)世界的能量是守恒的。整個(gè)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(dāng)時(shí)整個(gè)德國(guó)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(guó)家也沒(méi)有引起共鳴。幸運(yùn)的是，這部著作受到了法國(guó)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(qǐng)吉布斯工作，周薪為3000英鎊。 對(duì)此，哈佛學(xué)院決定給他兩千港幣的月薪，并問(wèn)他是否愿意留下來(lái)？ 沒(méi)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?yàn)樗缫蚜?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(jì)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(gè)向量的數(shù)積和向量積，還引入了二進(jìn)張量的概念。 此時(shí)，美國(guó)物理學(xué)家、工程師奧利弗·赫維賽（ ）也在獨(dú)立進(jìn)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(biāo)記方式及其化學(xué)本質(zhì)展開了一場(chǎng)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(méi)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(gè)課件被后人認(rèn)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(jí)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(dāng)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(shí)，他果斷轉(zhuǎn)向熱力學(xué)。 后來(lái)，當(dāng)他意識(shí)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(shí)，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(dāng)時(shí)的光的機(jī)械波理論。
吉布斯創(chuàng)造了“統(tǒng)計(jì)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(shì)、1902 年引入的 ()。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主評(píng)價(jià)吉布斯時(shí)說(shuō)，他“給出了將統(tǒng)計(jì)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(yùn)用支配系統(tǒng)性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)原理，以獨(dú)特的方式闡述了他引入的熱力學(xué)多項(xiàng)式，并通過(guò)多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)對(duì)熱力學(xué)唯象理論給出了完美的解釋。 1902年，他將這項(xiàng)工作寫進(jìn)了極具影響力的教科書《統(tǒng)計(jì)熱的基本原理》。
圖2.《統(tǒng)計(jì)熱力基本原理》中文版，中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2016年
不僅是矢量分析和統(tǒng)計(jì)熱，許多以他命名的技術(shù)術(shù)語(yǔ)從不同角度體現(xiàn)了他的學(xué)術(shù)成就和科學(xué)貢獻(xiàn)：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(xiàng)式、吉布斯-杜安多項(xiàng)式、吉布斯采樣、吉布斯度量、吉布斯?fàn)顟B(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(duì)取得巨大成就的科學(xué)家給予了充分、公正的認(rèn)可和獎(jiǎng)勵(lì)。
1879年，吉布斯被選為加拿大國(guó)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(jiǎng)，并被耶魯大學(xué)授予名譽(yù)博士學(xué)位。 1892年當(dāng)選為巴黎物理學(xué)會(huì)名譽(yù)會(huì)員。 1897年當(dāng)選為加拿大皇家學(xué)會(huì)外籍教授、普魯士科技大學(xué)教授和美國(guó)科技大學(xué)教授，并獲該院榮譽(yù)博士學(xué)位科學(xué)和奧斯陸。 1901年，加拿大皇家學(xué)會(huì)授予他一張被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)自然科學(xué)界最高榮譽(yù)的證書。 此前，像 1838 年這樣的獎(jiǎng)項(xiàng)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(jì)念郵票
1910年，加拿大物理學(xué)會(huì)設(shè)立吉布斯獎(jiǎng)，以表彰對(duì)理論和應(yīng)用物理學(xué)做出杰出貢獻(xiàn)的學(xué)者。 1923年，法國(guó)物理學(xué)會(huì)組織了吉布斯講座“向公眾展示個(gè)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(guó)偉人名人堂。海洋研究船“吉布斯”號(hào)于1958年至1971年在德國(guó)空軍服役。1964年，地球上的一個(gè)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(shí)更有價(jià)值、更有趣的是他的中學(xué)生的評(píng)價(jià)。
吉布斯一生信仰基督教。 他從未結(jié)過(guò)婚，并且很高興獨(dú)自一人。 他近乎開朗的性格和對(duì)工作的過(guò)度癡迷常常讓中學(xué)生敬而遠(yuǎn)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(huì)從舊實(shí)驗(yàn)室的辦公室回到家里。” 那段時(shí)間我們會(huì)經(jīng)常遇到他。”威爾遜補(bǔ)充道，“吉布斯并沒(méi)有專注于推銷自己，也沒(méi)有刻意傳播科學(xué)。 ……他不是一個(gè)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(gè)背離社會(huì)習(xí)俗的人，但他不會(huì)刻意引人注目。 他是一位善良而有尊嚴(yán)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(qiáng)調(diào)他的氣質(zhì)。”天才的獨(dú)特言論……他真誠(chéng)而又不過(guò)分熱情，表現(xiàn)出他本性的純真和真誠(chéng)。”
吉布斯還有一位非常優(yōu)秀的中學(xué)生，那就是無(wú)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(yù)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(rèn)，他尋求電磁波和電磁振蕩理論突破的想法來(lái)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(guó)科學(xué)雜志》的悼詞中評(píng)價(jià)道：“他說(shuō)話安靜，性情良好，對(duì)人友善，從不膽怯和憤怒，沒(méi)有個(gè)人野心和欲望為了權(quán)力，他仍在為成為一名無(wú)私的基督教紳士的理想而奮斗。在認(rèn)識(shí)他的人看來(lái)，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(méi)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(lái)成為日本第一位數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)家的歐文·費(fèi)舍爾的博士論文。 吉布斯去世后，心存感激的費(fèi)舍爾為他所有專著的出版做出了貢獻(xiàn)。
在中學(xué)生的記憶和回憶中，他們喜歡老師在課余時(shí)間經(jīng)常帶他們?nèi)ヅ郎健?吉布斯覺(jué)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(dú)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(lè)趣。
圖4.吉布斯青銅紀(jì)念雕像（哈佛大學(xué)吉布斯實(shí)驗(yàn)室入口處）
