约西亚·威拉德·吉布斯1839—1903

1863年，吉布斯获得耶鲁学院所授予的美国国内首个工程学博士学位。1871年，他在旅居欧洲三年后被聘任为耶鲁学院的数学物理学教授，并一直担任这一职位直到去世。吉布斯尽管相对孤立于当时科学蓬勃发展的欧洲，但还是成为了美国首位获得国际声誉的理论科学家，并被阿尔伯特·爱因斯坦誉为“美国史上最为杰出的英才”。1901年，他因在数学物理学领域的贡献而获授当时国际科学界的最高奖项，英国皇家学会颁发的科普利奖章。

吉布斯一生的事迹受到众多作家以及评论家的传颂。他所做的研究尽管大多都是纯理论性的，但其实际应用价值在20世纪上半叶化工领域的蓬勃发展中得到了充分的体现。诺贝尔物理学奖得主罗伯特·密立根曾这样评价吉布斯：“[他]对于统计力学和热力学来说，就如同拉普拉斯之于天体力学，麦克斯韦之于电动力学。他为自己所研究的领域构造了几近完整的理论体系。”

生平

家族背景

吉布斯出身于一个英才辈出的美国北方家族。他的父亲是语言学家兼神学家老乔赛亚·威拉德·吉布斯，母亲是玛丽·安娜·吉布斯。他是他父母五个子女中的老四，也是他们唯一的儿子。他的父系血缘可追溯至曾于1701年至1707年担任哈佛大学校长的萨缪尔·威拉德，而其母系血缘则可追溯至新泽西州学院的首任校长乔纳森·迪金森牧师。“乔赛亚·威拉德”这个名字则来源于吉布斯曾任马萨诸塞湾省布政司的祖先，乔赛亚·威拉德。

吉布斯的家人及同事一般把他父亲叫作“乔赛亚”，而称他为“威拉德”。老吉布斯自1824年至1861年其去世一直担任耶鲁大学神学院的经学教授。他积极支持废奴主义，曾帮助友谊号（西班牙语：La Amistad）帆船所载的非洲人寻找翻译，让他们能够为反抗行为作证辩护。

早年

吉布斯10岁时就读于霍普金斯学校，后于1854年进入耶鲁学院学习。在校期间，他曾因数学及拉丁语成绩优异而获奖。1858年，他以班级顶尖成绩毕业。毕业后，他留校成为谢菲尔德科学学校的研究生。19岁时，吉布斯当选康涅狄格艺术与科学学会会员。这个学会的会员大多是耶鲁学院的教员。数学家和天文学家休伯特·安森·牛顿是吉布斯耶鲁时期的导师。牛顿对吉布斯的未来发展产生了很大程度的影响。他是流星体方面研究的权威，并且是吉布斯一生的挚友。1861年，吉布斯在其父去世后继承了一笔遗产。这笔遗产足以应付其日常开支。

吉布斯早年一直受多种健康问题困扰。他的医生曾怀疑他是结核易感者。他的母亲就是因结核丧命。同时他还患有散光。由于当时的眼科大夫对如何矫正散光仍知之甚少，因此吉布斯不得不自行验光制作矫正镜片。但他只在晚年阅读或做其他细致的工作时戴眼镜。健康状况不佳可能就是他没有在南北战争期间自愿参军的原因之一。战时，他也并没有受到征召，得以一直留在耶鲁。

主要科学贡献

化学热力学

吉布斯在他19世纪70年代发表的论文中提出了利用熵 S，体积 V，压强 p 和温度 T 等状态量来表征一个系统的内能 U 的方法。他还提出了化学势 μ 的概念，将其定义为在恒熵恒容条件下，系统内能的增量与该种物质分子数 N 的增量的比值。借助这些方法及概念，吉布斯首次通过描述系统内能增量的微分的方式，将热力学领域加以开拓：从只是有关热能与机械能之间关系的理论，扩展为研究处于平衡状况时的物素性质的一门学问： d U=Td S-p d V+∑ ᵢμ ᵢ d Nᵢ；

其中， U 是内能， T 是温度， S 是熵， p 是压强， V 是体积， μ ᵢ、 Nᵢ 分别是第 i 个化学物种的化学势与粒子数（或摩尔数）。

式中最后一项为系统中所有化学物种的化学势与粒子数增量微分的乘积之和。通过对该式进行勒让德变换，他还定义了系统的吉布斯能： G=U-TS+pV。

吉布斯能是一种热力学势，对于化学家判断某个化学反应在一定的温度和压强下是否能自发进行非常有用。利用类似的方法，他还得到了吉布斯-杜安方程。

《关于多相物质平衡》被认为是物理化学发展史上的里程碑。这部专著标志着化学平衡理论的诞生，开启了现代溶液理论，并纠正了电化学的错误理论。

此外，他还提出了吉布斯相律： F=C-P+2；

其中， F 是系统的自由度， C 为系统的独立组元数， P 为相态数目。

吉布斯相律被广泛应用于冶金学、矿物学、岩石学等等学术领域，在理论化学里更是妙用无穷。

统计力学

吉布斯与詹姆斯·麦克斯韦及路德维希·玻尔兹曼共同创建了统计力学理论。“统计力学”这个术语也是由他创造的。统计力学旨在利用统计方法从大量微观粒子的运动角度得到对于宏观的热力学现象的微观解释。他还引入了机械系统的相的概念，并在这一概念基础上引入了系综的概念，并由此给出了对于由麦克斯韦和玻尔兹曼提出的粒子系统统计性质理论的更为普遍的表述。

科学界的认可

在吉布斯工作的时代，美国严谨的理论科学传统并不深厚。他所做的研究工作对于他的学生和同行而言并不易于理解。因而他竭力让他的工作成果尽可能的通俗，并简化它们的表示以令它们更容易被接受。他有关热力学的开创性的著作多数发表在《康涅狄格学会学报》上。这部期刊由他当图书馆员的姐夫担当主编，在美国读者甚少，而欧洲的读者则更为寥寥。当吉布斯向学会提交那部有关多相物质平衡态的专著时，伊莱亚斯·罗密士和休伯特·安森·牛顿都对它有些抵触，因为他们根本不理解吉布斯所做的工作，但他们仍然帮助筹集其中数学符号排字所需费用。耶鲁的一些教员以及纽黑文各行各业的人也参与协助筹集这笔资金。

尽管吉布斯表述热力学定律的方法迅速被麦克斯韦接受，但其直到20世纪中叶才经过拉斯洛·蒂萨和赫伯特·卡连等人的努力获得真正广泛的应用。詹姆斯·杰拉尔德·克劳瑟这样描述吉布斯与美国科学界同行的关系：

不过，吉布斯确实获得了当时美国科学家所能获得的重要荣誉。1879年，他获选美国国家科学院院士。1880年，他因有关化学热力学的工作获得由美国文理科学院颁发的伦福德奖。他还获得了由普林斯顿大学和威廉姆斯学院颁发的名誉博士学位。

吉布斯1892年就任伦敦数学学会荣誉会员，1897年获选英国皇家学会外籍会员。他还获选普鲁士科学院和法国科学院院士，获得由埃尔朗根-纽伦堡大学以及奥斯陆大学授予的名誉博士学位。1901年，英国皇家学会又颁发给吉布斯当时被认为是自然科学界地位最高的国际奖项，科普利奖章，并称他“首次对热力学第二定律在化学、电学、外力做功转化的热能及热容量等方面的运用做了详尽的讨论”。美国海军驻伦敦武官，理查森·科洛弗中校代表当时身处纽黑文的吉布斯出席了颁奖仪式。

数学家吉安-卡洛·罗塔在他的自传中提到他一次在斯特林纪念图书馆数学书库翻阅资料时的经历。他误打误撞地发现了一个附在吉布斯课堂手记的手写的邮件清单。其中列有200多个吉布斯同时代的有名的科学家，包括庞加莱、玻尔兹曼、大卫·希尔伯特以及恩斯特·马赫等等。

影响

吉布斯为物理化学和统计力学奠定了基础。吉布斯在世时，他提出的相律即被荷兰化学家亨德里克·罗泽博姆利用实验方法验证。罗泽博姆同时还展示了这条规律在多种实际情况中的普遍适用性。而吉布斯提出的热力学理论则在20世纪初期即受到化工领域，从电化学到合成氨气的哈柏法，广泛应用。

当荷兰物理学家约翰内斯·范德瓦耳斯1910年因他关于气体和液体的状态方程的研究获得诺贝尔物理学奖时，他在获奖感言中表示他受到了吉布斯相关工作的巨大影响。马克斯·普朗克因利用量子的概念解决黑体辐射问题获得1918年的诺贝尔奖。这项工作很大程度上是基于基尔霍夫，玻尔兹曼以及吉布斯有关热力学的工作。他说，吉布斯将永远处于美国以至整个世界有史以来最为伟大的理论物理学家之列。

20世纪上半叶，两部化学热力学奠基之作相继出版。它们都是基于吉布斯在该领域所做的工作。它们分别是1923年出版的由吉尔伯特·路易斯和梅尔·兰德尔合著的《化学过程中的热力学和自由能》（Thermodynamics and the Free Energy of Chemical Processes）和1933年出版的由爱德华·古根海姆编著的《利用威拉德·吉布斯方法的现代热力学》（Modern Thermodynamics by the Methods of Willard Gibbs）。

吉布斯所提出的系综这一概念在理论物理学界和纯粹数学界都产生了巨大的影响。数学物理学家阿瑟·怀特曼这样评价吉布斯：“每位曾经学习过热力学和统计力学的人都会注意到，吉布斯的科学工作最令人印象深刻的特点之一，就是他对于概念的表述非常贴切。这让它们在理论物理学和数学经过百年动荡洗礼后仍能幸存下来。”

阿尔伯特·爱因斯坦1902至1904年曾写过三篇有关统计力学的论文。但他一开始并不知道吉布斯在该领域的工作。在阅读了吉布斯所著的教科书后，爱因斯坦承认吉布斯所采用的处理方法要优于自己的，并说如果早一些知道吉布斯的相关工作的话，他可能就不会写那三篇文章了。

后世对于吉布斯的纪念

当德国物理化学家瓦尔特·能斯特1906年为做西利曼纪念讲座而拜访耶鲁时，他惊讶地发现当时竟然没有设立任何吉布斯的纪念碑。因此，他为资助校方树立一座纪念碑而将500美元的讲座费捐出。由雕刻家李·劳瑞完成的一尊浅浮雕纪念像最终在1912年揭幕，安放在斯隆实验室。1910年，美国化学学会创设了威拉德·吉布斯奖，以表彰对于纯化学或应用化学做出杰出工作的人。1923年，美国数学学会捐资设立了乔赛亚·威拉德·吉布斯讲座，“以向公众展示一些数学思想及它们的应用”。

1945年，耶鲁大学设立了乔赛亚·威拉德·吉布斯理论化学教授席位。拉斯·昂萨格一直担任这一教职直到1973年。昂萨格像吉布斯一样专注于将新的数学理论引入到物理化学的研究中来。他1968年获得了诺贝尔化学奖。除了创设乔赛亚·威拉德·吉布斯实验室以及乔赛亚·威拉德·吉布斯数学副教授席位外，耶鲁大学还在1989年以及吉布斯去世百年之际的2003年举办了两场有关吉布斯生活和工作的专题座谈会。罗格斯大学也捐资设立了乔赛亚·威拉德·吉布斯热力学教授席位。伯纳德·科尔曼自1988年起就担任这一教职。

吉布斯1950年被选入美国伟人名人堂。海洋考察船乔赛亚·威拉德·吉布斯号自1958年至1971年在美国海军中服役。而为纪念吉布斯，1964年，月球东侧边缘附近的一个陨石坑被命名为吉布斯陨石坑。

2005年，美国邮政署发行了一套纪念美国科学家的邮票，其中包含了吉布斯纪念邮票。

文学作品中

1909年，美国历史学家和小说家亨利·亚当斯写了一篇题为《历史的相律》（The Rule of Phase Applied to History）的文章。文中，他试图将吉布斯的相律以及其他热力学概念运用于对于整个人类史的分析之中。威廉·詹姆士等人批评了亚当斯在对于一些科学概念理解不够充分情况下，而随意引用它们来隐喻人类的思想以及社会的变革的做法。

主要研究领域概览

• 物理化学：吉布斯能、相图、吉布斯相律、输运现象
• 统计力学：系综、化学势、吉布斯熵、吉布斯悖论
• 数学：矢量分析、凸分析、吉布斯现象
• 电磁学：麦克斯韦方程组的应用、双折射