Josiah Willard Gibbs

Josiah Willard Gibbs
Életrajzi adatok
Született	1839. február 11. New Haven, Connecticut
Elhunyt	1903. április 28. (64 évesen) New Haven, Connecticut, USA
Sírhely	Grove Street Cemetery
Ismeretes mint	matematikus fizikus kémikus egyetemi oktató elméleti fizikus mérnök thermodynamicist
Nemzetiség	amerikai
Házastárs	nincs
Szülei	Mary Ann Fox Gibbs Josiah Willard Gibbs, Sr.
Iskolái	Yale College Heidelbergi Egyetem Yale School of Engineering & Applied Science Yale Egyetem Hopkins School Sheffield Scientific School
Iskolái
Felsőoktatási intézmény	Yale Egyetem
Doktorátusi tanácsadói	Hubert Anson Newton
Pályafutása
Aktivitási típus	matematikus, elméleti fizikus, fizikai kémikus
Munkahelyek
Más munkahelyek	Yale Egyetem
Jelentős munkái	statisztikus mechanika, statisztikus sokaság, Gibbs-féle entrópia, fázistér, Gibbs-féle szabadenergia, Gibbs-féle fázisszabály, Gibbs-paradoxon, vektorszámítás, vektoriális szorzat, Gibbs-jelenség, Gibbs-Helmholtz-egyenlet, Gibbs-Duhem egyenlet, Gibbs-algoritmus, Gibbs-Thomson hatás, Gibbs-féle adszorpciós izoterma, Gibbs-Donnan hatás, Gibbs-lemma
Szakmai kitüntetések
Rumford-díj (1880), Copley-érem (1901)
Josiah Willard Gibbs aláírása
A Wikimédia Commons tartalmaz Josiah Willard Gibbs témájú médiaállományokat.

Josiah Willard Gibbs (New Haven, Connecticut, 1839. február 11. – New Haven, Connecticut, 1903. április 28.) amerikai tudós, aki a statisztikus fizika, a fizikai kémia és a matematika tudományok területén ért el kiemelkedő elméleti eredményeket. Termodinamikai munkásságával szilárd elméleti alapot szolgáltatott a fizikai kémiának, így nagy szerepet játszott induktív tudománnyá válásában. James Clerk Maxwell-lel és Ludwig Boltzmannal együtt megteremtette a statisztikus mechanikát (az elnevezés is tőle származik), a termodinamika törvényeit pedig nagyszámú részecske statisztikus viselkedéséből, az ún. statisztikus sokaságból vezette le. Dolgozott a Maxwell-egyenletek optikai alkalmazásán, matematikusként pedig (a brit Oliver Heaviside-tól függetlenül) megteremtette a modern vektorszámítást (vektorkalkulus).

1863-ban az Amerikai Egyesült Államokban elsőként szerzett mérnöki tudományokból doktorátust a Yale Egyetemen. 1871-től haláláig a Yale Egyetem matematikai fizika professzora. Amerikai elméleti tudósként elsőként vált nemzetközileg elismertté szakmájában, Einstein az „amerikai történelem legnagyobb elméjének” nevezte. 1901-ben az akkoriban legmagasabb kitüntetésnek számító Copley-éremmel jutalmazták a matematikai fizikában elért sikereiért.

Életrajzírói Gibbset rendkívüli eredményei ellenére igen szerény és csendes embernek írják le. Annak ellenére, hogy munkássága szinte majdnem teljesen elméleti jellegű, gyakorlati jelentősége a kémiai technológiai iparág megjelenésével vált egyértelművé a 20. század első felében. Robert Millikan szerint jelentősége a statisztikus mechanika és termodinamika területén Laplace égi mechanikai eredményeivel, valamint Maxwell elektrodinamikai teljesítményével egyenértékű.

Tudományos tevékenysége

Kémiai termodinamika

Gibbs 1870-es évekbeli munkáiban a rendszer U belső energiáját az S entrópia, a V térfogat, a P nyomás és T termodinamikai hőmérséklet összefüggésében adta meg. Bevezette a kémiai potenciál (µ) mennyiséget, mellyel megadható, hogy N számú molekula bevitele a rendszerbe mennyivel változtatja meg a rendszer belső energiáját állandó entrópia és térfogat esetén. Az elsők között teremtette meg az összefüggést a termodinamika első és második főtétele között a rendszer belső energiájának infinitezimális megváltozásának megadásával:

$\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\,\mathrm {d} V+\sum _{i}\mu _{i}\,\mathrm {d} N_{i}\,$

A kifejezés Legendre-transzformációjával bevezette az entalpia és a szabadenergia fogalmait, illetve a ma Gibbs-féle szabadenergiának nevezett mennyiséget, más néven szabadentalpiát (azt a termodinamikai potenciált, melynek segítségével megjósolható, hogy egy adott kémiai reakció spontán végbemegy-e az adott irányban vagy sem). Hasonló úton jutott a ma Gibbs-Duhem egyenletként ismert összefüggéshez.

A „Heterogén anyagok egyensúlyáról” című 1874-1878-as publikációja jelentős mérföldkő volt a fizikai kémia tudományágának megteremtésében. E munkájában szigorú matematikai módszerekkel közelítette meg a különféle transzportfolyamatokat (pl. adszorpció), az elektrokémiai jelenségeket és a folyadékelegyek Marangoni-effektusát. Megalkotta a ma nevét viselő fázisszabályt, melyet ma fázisdiagramok készítésére használnak.

Statisztikus mechanika

James Clerk Maxwell-lel és Ludwig Boltzmannal együtt Gibbset tekintik a statisztikus mechanika megteremtőjének. Gibbs alkotta meg a kifejezést, definícióját is ő adta: az elméleti fizika azon ága, melyben a rendszer termodinamikai tulajdonságai nagyszámú részecske statisztikus viselkedéséből vezethető le. Bevezette a fázistér fogalmát, és segítségével definiálta a mikrokanonikus, a makrokanonikus és nagykanonikus sokaságot, amely sokkal általánosabb, mint Maxwell vagy Boltzmann elmélete.

Henri Poincaré szerint bár Maxwell és Boltzmann korábban megmagyarázta a makroszkopikus fizikai folyamatok irreverzibilitását valószínűségi fogalmak alapján, Gibbs volt az, aki „A statisztikus mechanika alapvető elvei” című meglehetősen nehezen olvasható művében matematikailag legkorrektebben tárgyalta. Az irreverzibilitás vizsgálatával és Boltzmann H-tételének, valamint az ergodikus hipotézis megszövegezésével rendkívüli hatást gyakorolt a 20. századi matematikai fizikára.

Gibbs tudatában volt annak, hogy az ekvipartíciós tétel alkalmazása klasszikus részecskéket tartalmazó nagy rendszerek esetén képtelen megmagyarázni a gázok és szilárd anyagok vizsgálatával mért hőkapacitás értékeket, és nem akarta a termodinamikát hipotézisekre alapozni. Gibbs statisztikus mechanikája annyira precízen és óvatosan megfogalmazottnak bizonyult, hogy a kvantummechanika kialakulásával is sokkal inkább tartható maradt, mint kortársai munkái. A róla elnevezett paradoxon megfogalmazásával, mely a elegyedő gázok entrópiájával kapcsolatos, előrevetítette a részecskék megkülönböztethetetlenségének kvantummechanikai elvét.

Vektoranalízis

Brit tudósok, köztük Maxwell, Hamilton kvaternióira támaszkodva magyarázta a fizikai mennyiségek (például mágneses és elektromos jelenségek) dinamikáját, azaz szerintük mindegyik rendelkezik nagysággal és iránnyal a háromdimenziós térben. Gibbs szerint a kvaterniók szorzatát célszerű felbontani két részre: egy egydimenziós skaláris mennyiségre, és egy háromdimenziós vektorra, mivel szerinte a kvaterniók alkalmazása számos matematikai bonyodalmat és redundanciát okoz, amelyek kerülendők az egyszerűség és könnyebb taníthatóság érdekében. Ezért javasolta a külön skalár- és vektoriális szorzat bevezetését és megalkotta új jelölésrendszerét. Nagy szerepe volt vektorszámítási technikák kidolgozásában, melyek ma is használatosak az elektrodinamikában és fluid mechanikában.

Fordítás

• Ez a szócikk részben vagy egészben a Josiah Willard Gibbs című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel. Ez a jelzés csupán a megfogalmazás eredetét és a szerzői jogokat jelzi, nem szolgál a cikkben szereplő információk forrásmegjelöléseként.