Джозайя Уиллард Гиббс

Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903) — американский физик-теоретик, один из создателей термодинамики и статистической механики. Разработал теорию термодинамических потенциалов, открыл общее условие равновесия гетерогенных систем — правило фаз, вывел уравнения Гиббса — Гельмгольца, Гиббса — Дюгема, адсорбционное уравнение Гиббса. Установил фундаментальный закон статистической физики — распределение Гиббса. Уиллард предложил графическое изображение состояния трехкомпонентной системы (треугольник Гиббса). Заложил основы термодинамики поверхностных явлений и электрохимических процессов. Ввел понятие адсорбции.

Загадка Гиббса состоит в том, что прагматическая Америка в годы царствования практицизма произвела на свет великого теоретика. До него в Америке не было ни одного теоретика. Впрочем, как почти не было теоретиков и после. Подавляющее большинство американских ученых — экспериментаторы.

Джозия Уиллард Гиббс родился 11 февраля 1839 года в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, в семье профессора Йельского университета. В течение шести поколений его семья славилась в Новой Англии своей ученостью. Один из его предков был президентом Гарвардского университета, другой — секретарем Массачусетсской колонии и первым президентом Пристонского университета. Отец Гиббса считался выдающимся теологом.

Когда Уилорду Гиббсу было десять лет, он начал учиться в небольшой частной школе в Нью-Хэйвене, расположенной в том же квартале, что и его дом. Он рос тихим, застенчивым мальчиком, всегда следовал за другими, никогда не был вожаком, но и никогда не оставался в стороне. В 1854 году юноша поступил в Йельский университет, а в 1858 году Гиббс получил диплом бакалавра.

В те годы в Шеффильде создавалась научная школа. В 1847 году при ней была открыта аспирантура. Но только в 1861 году эта школа получила право присуждать степень доктора физики. Гиббсу со временем суждено было стать величайшим американским теоретиком науки, но его обучение шло по линии американского практицизма. В 1863 году он первый в Америке получил степень доктора физики за работу по инженерной механике. Диссертация называлась «О форме зубцов в зубчатом сцеплении». Он тут же получил место преподавателя в колледже на три года. Отец Гиббса умер в 1861 году, оставив детям 23 500 долларов. Таким образом, Уиллард Гиббс мог жить на небольшой доход.

Преподавая, У. Гиббс не переставал заниматься своим любимым делом — механикой. Он написал несколько работ о паровых турбинах и изобрел железнодорожный тормоз, работающий под действием силы инерции поезда. Когда окончился срок его преподавания в Йеле в 1866 году, Гиббс вместе с двумя сестрами отправился за границу. Это был поворотный момент в его карьере. В Европе он получил углубленное образование, ставшее прочным фундаментом для самой главной работы в его жизни.

Сначала он занимался в Сорбонне и Коллеж де Франс. По шестнадцать часов в неделю Гиббс слушал лекции и занимался у таких физиков и математиков, как Дюамель и Лювилль.

Здесь же Уиллард Гиббс впервые прочел работы Пьера Симона Лапласа, Симеона Дени Пуассона, Жозефа Луи Лагранжа и Огюстена Луи Коши. На следующий год он отправился в Берлин, где учился у Кундта и Вейерштрассе. Проведя год в Берлине, он переехал в Гейдельберг, где читали лекции такие выдающиеся ученые, как Кирхгоф, Кантор, Бунзен и Гельмгольц, от которых он узнал еще больше о теоретической физике.

Вернувшись в Америку в 1869 году, Уиллард Гиббс поселился в доме отца в НьюХэйвене вместе с сестрой, которая во время заграничной поездки вышла замуж. 13 июля 1871 года в ведомостях Йельского университета было напечатано сообщение о том, что «мистер Джозия Уиллард Гиббс назначен профессором математики и физики, без жалованья, на факультет философии и изящных искусств».

Эта кафедра была первой в Америке. Только потому, что окружающие хорошо знали возможности Гиббса и верили в его большое будущее, Йельский университет счел возможным назначить его на этот пост.

Став профессором, Уиллард Гиббс читал механику, волновую оптику, векторный анализ, теорию электричества и магнетизма. В 1873 году появились его первые термодинамические работы «Графические методы в термодинамике жидкостей» и «Метод геометрического представления термодинамических свойств веществ при помощи поверхностей». В большом исследовании «О равновесии гетерогенных систем», публиковавшемся в 1875-1878 годах, Гиббс развил и широко применил свое учение.

Исаак Ньютон в свое время расширил понятие о равновесии, включив в него движение. Его открытие произвело одну из величайших в истории интеллектуальных революций. Работа Гиббса имеет не меньшее значение. Он расширил понятие о равновесии, включив в него изменение состояния материи. Лед становится водой, вода превращается в пар, пар превращается в кислород и водород. Водород, соединяясь с азотом, превращается в аммиак. Любой процесс в природе есть процесс изменения; законы подобных изменений были открыты Гиббсом. Так же как Ньютон открыл законы механики, Гиббс создал законы физической химии, которая стала основной химической наукой.

Гиббсу предстояло найти единицу измерения состояния вещества, которая бы показывала, подвергнется ли это вещество какому-нибудь превращению или останется прежним.

Ключом для открытия Уилларда Гиббса стала скорость частички, пропорциональная ее энергии. Наука, изучающая тепловую энергию, называется термодинамикой. Гиббс писал: «Законы термодинамики... выражают... поведение систем, состоящих из большого количества частиц».

Вода, нагреваемая при постоянном объеме, теряет определенное количество теплоты, которое уходит во внутреннюю структуру молекулы. Жидкий аммиак при такой же трансформации, превращаясь в газообразный аммиак, также теряет какое-то количество теплоты. Это свойство внутреннего поглощения теплоты получило название энтропии.

Количественное изменение энтропии в каждой реакции имеет громадное значение. Изменение энтропии, происходящее при кипячении жидкостей в постоянном объеме, равняется теплоте испарения, деленной на температуру кипения. Изменения энтропии в каждой реакции можно узнать простым арифметическим действием: количество калорий, необходимых для протекания реакции, делится на температуру в градусах, при которой происходит реакция. Гиббс ввел слово «энтропия» в качестве термина в термодинамику.

В этих двух примерах лишь один компонент (вода в первом случае и аммиак в другом) изменил фазу, перейдя из жидкости в газ. Уиллард Гиббс расширил это понимание, включив в него несколько компонентов, так что можно было рассматривать смеси жидкостей и смеси твердых веществ. Когда же он еще далее расширил границы своей теории, охватив ею компоненты, которые соединяются друг с другом, он, наконец, открыл уравнение, описывающее химические реакции и их равновесие.

Для таких систем У.Гиббс определил новые величины, связанные с энтропией, которые позволили ему предсказать заранее, произойдет или не произойдет химическая реакция или физическое превращение, и, если произойдет, то до каких пор реакция будет продолжаться. Он назвал эти величины химическими потенциалами. Так же как энтропия, химические потенциалы являются физическим свойством вещества.

Результатом этих исследований явилось знаменитое правило фазы Гиббса. Он изложил его всего на четырех страницах, не приведя какого-либо конкретного примера. В течение последующих пятидесяти лет ученые написали множество книг и монографий, посвященных правилу фазы Гиббса, описывая его применительно к минералогии, петрографии, физиологии, металлургии и всем остальным областям науки.

Правило устанавливало условия, которые необходимо соблюдать для того, чтобы определенные соединения находились в состоянии равновесия в различных фазах: в жидком, твердом и газообразном состояниях. Вскоре оно было признано наиболее важным линейным уравнением в истории науки.

В течение пятидесяти лет после открытия Гиббса химия проникла во все главные отрасли мировой индустрии. Благодаря результатам работ Гиббса выплавка стали сделалась химическим процессом, так же как и выпечка хлеба, изготовление цемента, добыча соли, производство жидкого топлива, бумаги, вольфрамовой нити для электрических лампочек, одежды и сотни тысяч других предметов.

Труды Гиббса были использованы также для объяснения действия вулканов, физиологических процессов, происходящих в крови, электролитического действия аккумуляторов и для производства химических удобрений.

В течение пятидесяти лет после смерти Гиббса четыре раза Нобелевская премия присуждалась работам, основанным на его трудах.

Вскоре после окончания своего классического исследования весной 1879 года Уиллард Гиббс был избран членом Национальной академии США, в 1880 году — членом Американской академии наук и искусств в Бостоне. Научная слава Гиббса быстро росла после опубликования его термодинамических работ. Он избирается членом многих зарубежных академий и научных обществ, получает научные награды.

Помимо термодинамики, Уиллард Гиббс сделал ценный вклад в векторную алгебру. В природе существует много величин, которые необходимо характеризовать не только количественно, но и по направлению. Векторная алгебра Гиббса упростила обращение с пространством. Обобщенный гиббсовский вектор стал со временем мощным орудием науки, родившейся, когда Гиббс был уже в преклонном возрасте, и так и оставшейся ему неизвестной — теории относительности.

В своих ранних исследования: равновесия Уиллард Гиббс исходил из предположения, что материя является сплошной массой. Позже он осознал, что материя состоит из мельчайших частиц, находящихся в движении. Он пересмотрел свою термодинамику с учетом этого открытия, разбирая термодинамические явления на статистической основе. Ньютоновская механика стала статистической механикой.

В 1902 году вышел фундаментальный труд Гиббса «Основы статистической механики». Основываясь на совершенно самостоятельных предположениях, Уиллард Гиббс при помощи статистической механики открыл новый смысл энтропии и других родственных величин, которые казались такими могущественными в первом приближении.

На основе классического второго закона термодинамики современники Гиббса предсказывали «конец света», когда энтропия Вселенной приблизится к максимуму, то есть выйдет за пределы, после которых будет невозможен переход энергии в виды, пригодные для использования. Это состояние было названо «тепловой смертью». Ее ужасающее описание дал знаменитый писатель-фантаст Герберт Уэллс в романе «Машина времени».

Статистическая механика Уилларда Гиббса показала, что такой исход вовсе не неизбежен. Оказалось, что шансы на «спасение» ученые значительно преуменьшили. Ньютон ничего не знал о строении планет и звезд. Его уравнения движения планет не находились в зависимости от их природы и были совершенно верны в пределах ньютоновской механики. Гиббс и его современники ничего не знали о структуре молекулы. Сам Гиббс понимал это. Он писал: «Тот, кто основывает свою работу на гипотезе, относящейся к строению материи, возводит здание на песке».

Подобно Ньютону, Гиббс обладал даром провидения, и его статистическая механика пережила все последующие открытия в атомной и ядерной физике.

Уиллард Гиббс подошел к основным истинам природы так близко, как это делали до него лишь величайшие ученые. Работы Гиббса трудно читать и понимать. Он делал несколько предварительных набросков, потом развивал свои исследования в уме, пока они не достигали полного совершенства. Когда же он принимался излагать свои теории на бумаге, он опускал промежуточные этапы в ходе своих рассуждений, так как ему казалось, что они уже не имеют значения.

Труды Гиббса нашли широкое понимание и применение только через десять-двадцать лет. В трехвековой истории современной науки можно насчитать не более десятка идей такой же важности и глубины, как теория равновесия, принадлежащая Гиббсу. И в каждом случае требовалось, по меньшей мере, два десятилетия, чтобы эти новые идеи были восприняты во всем их объеме. Коллеги Гиббса по Йельскому университету, вероятно, не понимали значения его работы, но они, разумеется, знали, что он гений.

Уиллард Гиббс был стройным человеком среднего роста, спокойным и уверенным, с типичным лицом янки. Аккуратная борода, которую он носил по тогдашней моде, придавала ему респектабельность. Голос у него был тонкий, говорил он учтивой скороговоркой. О нем, человеке быстрого ума, со склонностью к тонкой иронии, дети вспоминали только как о добром и мягком дяде Уилле. Взгляд его ярко блестевших глаз был проницателен и остр. Он умел нести смешную чепуху, затевать веселые игры и шалости и не очень стремился к новым знакомствам. «Мне необходим был совет, и я знал, что он может помочь мне не только потому, что он великий ученый, но и потому, что я чувствовал в нем доброго и чуткого человека» — так говорили о Гиббсе его племянники, племянницы, друзья и студенты.

Уиллард Гиббс был одним из тех людей, чью скромность можно назвать страстью. В течение своей жизни он получил девятнадцать наград и почетных дипломов, в том числе главную международную премию за научные достижения. Но даже самые близкие его друзья не знали о его успехах в полной мере до тех пор, пока не прочли некролога в газетах.

Основываясь на трудах Гиббса, Джеймс Максвелл заказал объемную гипсовую модель кривых Гиббса и послал ему в подарок. Трудно было придумать лучший знак восхищения одного великого ученого другим. Студенты, которые хорошо знали происхождение модели, спросили у него однажды:

— Кто прислал вам эту модель?

Он ответил коротко:

— Один приятель.

— А кто этот приятель?

— Один англичанин.

Долго оставалось загадкой, каким образом у Максвелла в самом расцвете его славы нашлось достаточно времени и проницательности, чтобы раскопать статьи Гиббса, которые были напечатаны в никому не известном журнале Коннектикутской академии наук. Но и эта тайна была, в конце концов, разгадана. Максвелл узнал о статье Гиббса весьма простым способом — он получил ее по почте. Гиббс, которого постоянно обвиняли в том, что он не интересуется отзывами других ученых о своей работе, рассылал оттиски своих статей наиболее известным ученым. Гиббс составил список из пятисот семи имен ученых, живших в двадцати странах. В течение своей жизни он написал двадцать монографий и каждую из них лично послал тем ученым из своего списка, для которых они могли представлять интерес.

Работа для Гиббса служила оправданием всей его жизни, и он был счастлив, потому что знал, насколько велик его труд. Последние годы его жизни были омрачены не только потерей сестры и близких друзей, но также и появлением новых революционных идей в области физики, рентгеновских лучей, электронов. Он еще не знал, как эти неожиданные открытия могут быть совместимы с его понятием о Вселенной. Однажды новое открытие настолько расстроило его, что он сказал своим студентам, растерянно качая головой: «Пожалуй, настало время мне уходить». Он чувствовал себя усталым, одиноким, и то, что раньше оправдывало его жизнь, казалось, ушло навсегда.

Но Уиллард Гиббс тревожился напрасно. Он умер 28 апреля 1903 года, но квантовая механика не опровергла его трудов. Немецкий физик Макс Планк, читая лекции по теоретической физике и объясняя свою теорию в Колумбийском университете в 1909 году, в частности, сказал: «Как глубоко охватывает это предложение (принцип возрастания энтропии) все физические и химические отношения, на это лучше и полнее других было указано Джозия Уиллардом Гиббсом, одним из наиболее знаменитых теоретиков всех времен не только Америки, но и всего мира».