導(dǎo)語

本文介紹被愛因斯坦稱之為“美國歷史上最杰出的英才”的吉布斯的生平事跡。他一生致力于物理光學(xué)、熱力學(xué)以及后來他首創(chuàng)的統(tǒng)計(jì)力學(xué)，碩果累累的他對于學(xué)術(shù)界來說無疑是一個巨大的財(cái)富。但同時，吉布斯是一個私下喜歡帶學(xué)生去爬山的老師。他認(rèn)為登山者與物理學(xué)家的相似之處都是在艱難的攀登中自得其樂。

1997年，楊振寧為《科技文化》雜志寫了一篇題為“美與物理學(xué)”的專論，開篇就說：

十九世紀(jì)物理學(xué)的三項(xiàng)最高成就是熱力學(xué)、電磁學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)。其中統(tǒng)計(jì)力學(xué)奠基于麥克斯韋（J. Maxwell , 1831－1879）、玻耳·茲曼（L. Boltzmann , 1844－1905）與吉布斯（W. Gibbs , 1839－1903）的工作。

大家可能比較熟識麥克斯韋和玻耳茲曼。那么吉布斯是誰呢？——他也是個物理學(xué)家，愛因斯坦稱之為“美國歷史上最杰出的英才”。

十年寒窗奠定了輝煌歷史

吉布斯的全名是約西亞·威拉德·吉布斯（Josiah Willard Gibbs），1839年2月11日出生于美國Connecticut州New Haven市，即1701年建校的耶魯大學(xué)所在地。吉布斯在家排行第四，有三個姐姐和一個妹妹。父親是個語言學(xué)家，在耶魯大學(xué)神學(xué)院當(dāng)教授，祖父出任過哈佛大學(xué)代理校長。母親出身書香門弟，其父是普林斯頓大學(xué)化學(xué)教授，祖父是數(shù)學(xué)和自然哲學(xué)教授，曾祖父為新澤西學(xué)院（普林斯頓大學(xué)前身）首任校長。

吉布斯童年體弱多病，因而經(jīng)常缺課。幸有母親悉心家教，讓他15歲時進(jìn)入了耶魯大學(xué)就讀。在大學(xué)里，他因拉丁語和數(shù)學(xué)成績特別優(yōu)異多次獲獎。1863年，他完成了學(xué)位論文《論直齒輪輪齒的樣式》，成為美國第一個工程學(xué)博士，也是美國本土第五個博士。畢業(yè)后他留校當(dāng)助教，前兩年講授拉丁語，第三年講授物理。其間，他由數(shù)學(xué)和天文學(xué)家休伯特·安森·牛頓（Hubert Anson Newton）輔導(dǎo)。導(dǎo)師是流星體研究的權(quán)威，對這位學(xué)生后來的學(xué)術(shù)發(fā)展有極大影響，而且?guī)熒蔀楫吷鷵从选?866年，吉布斯在Connecticut Academy學(xué)會上作了一次題為“長度單位的確切量度”的演講，提出一個機(jī)械領(lǐng)域中計(jì)量單位系統(tǒng)合理化方案。同年，他申請了一項(xiàng)火車制動技術(shù)的專利，讓火車從此不需專配制動人員。1866－1869年間，吉布斯辭職游學(xué)，在巴黎、柏林、海德堡各住了一年。那是他一生中唯一離開家鄉(xiāng)的日子。三年訪學(xué)期間，他接觸了不少著名學(xué)者。在巴黎，他聽了數(shù)學(xué)家約瑟夫·劉維爾（Joseph Liouville）在索邦學(xué)院以及米歇爾·沙勒（Michel Chasles）在法蘭西公學(xué)院做的學(xué)術(shù)講座。在柏林,他聽了數(shù)學(xué)家卡爾·魏爾斯特拉斯（Karl Weierstrass）和利奧波德·克羅內(nèi)克（Leopold Kronecker）以及化學(xué)家海因里?！ゑR格努斯（Heinrich Gustav Magnus）的講課。在海德堡大學(xué),他見習(xí)了物理學(xué)家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）的科研工作。這次訪學(xué)啟動了他后來一發(fā)而不可收的科學(xué)研究。

當(dāng)吉布斯1869年重回耶魯時，大學(xué)已無職缺，讓他去給工科學(xué)生講授法語。教學(xué)之余，他嘗試設(shè)計(jì)一種新型的蒸汽機(jī)調(diào)速器，那是他在機(jī)械工程領(lǐng)域最后的一項(xiàng)技術(shù)研究。到1871年，他勉強(qiáng)獲得了一個數(shù)學(xué)物理教職。但是，因?yàn)闆]有論文，他很快就被學(xué)校辭退。此后近十年時間里，他沒有工資收入，靠父母留下的積蓄維持生活，一直住在妹妹家的小房子里。然而，正是在這無職無薪、窮困潦倒的十年里，毫無負(fù)擔(dān)羈絆的吉布斯開辟了自己后來的輝煌歷史。

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。他在小雜志Transactions of the Connecticut Academy上刊登了兩篇文章，論述了如何利用幾何方法表示熱力學(xué)的量。出師無名的他，這項(xiàng)研究得到了麥克斯韋的高度評價。麥克斯韋在1875年修訂的《熱學(xué)》一書中用了整整一章的篇幅來介紹吉布斯的工作。他在倫敦化學(xué)學(xué)會做的一次演講中，描述了吉布斯幾何方法的用途，后來在為《大英百科全書》撰寫的有關(guān)圖解法的章節(jié)中還提及吉布斯的這項(xiàng)工作。然而，麥克斯韋1879年英年早逝，他與吉布斯之間可能的合作戛然而止。隨后一個笑談傳遍了耶魯：“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，可是他已經(jīng)去世”。不過，麥克斯韋生前親手做了兩個表達(dá)吉布斯幾何方法的石膏模型，并將其中一個寄給了吉布斯。這個模型如今仍然陳列在耶魯大學(xué)的物理系內(nèi)。

吉布斯隨即把他的熱力學(xué)分析方法拓展到復(fù)相系統(tǒng)，并考慮到多種實(shí)際應(yīng)用。他在題為“關(guān)于多相物質(zhì)平衡”的兩冊專著中總結(jié)了這一工作。該書由Connecticut Academy先后于1875年和1878年出版，標(biāo)志著化學(xué)平衡理論的誕生。書中，吉布斯以熱力學(xué)奠基人魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）關(guān)于熱力學(xué)第一和第二定律的名言開篇：“整個世界的能量是守恒的。整個世界的熵趨向于一個最大值?！边@部著作被后人稱為“熱力學(xué)的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》”?？墒?，當(dāng)時整個美國科學(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家里沒有引起回響。幸而這部專著受到了歐洲學(xué)界的歡迎，被翻譯成德文和法文出版，成為現(xiàn)代“物理化學(xué)”學(xué)科的基石。

1880年，新建的約翰·霍普金斯大學(xué)以三千美元年薪的待遇邀請吉布斯前往工作。作為回應(yīng)，耶魯大學(xué)決定給他年薪兩千美元，問他是否愿意留下來？沒想到吉布斯默然接受，留在了耶魯。吉布斯關(guān)注的不是工資，因?yàn)樗呀?jīng)貧苦慣了。他的興趣在令他著迷的科學(xué)研究上，而耶魯可以給他提供更好的學(xué)術(shù)交流條件和工作環(huán)境。

在1880－1884年間，為了適應(yīng)物理學(xué)家計(jì)算和分析的需求，吉布斯將赫爾曼·格拉斯曼（Hermann Grassmann）的外代數(shù)發(fā)展為向量微積分。他分別定義了兩個向量的數(shù)量積和向量積，還引入了并矢張量的概念。這時，英國的數(shù)學(xué)家和工程師奧利弗·亥維賽（Oliver Heaviside）也在獨(dú)立進(jìn)行類似的研究。吉布斯一直嘗試去讓物理學(xué)家們認(rèn)識到向量分析相對于由數(shù)學(xué)家威廉·哈密頓（William Rowan Hamilton）引入的四元數(shù)分析更為優(yōu)越。這引起了他和物理學(xué)家彼得·泰特（Peter Guthrie Tait）等人在《自然》雜志上的一場關(guān)于數(shù)學(xué)標(biāo)記方法及其物理本質(zhì)問題的大論戰(zhàn)。吉布斯有關(guān)向量分析的講義《向量分析要素》起初并沒有公開發(fā)行，僅在1881年和1884年授課時為學(xué)生作了少量的印刷。但這份講義被后人認(rèn)為是現(xiàn)代向量分析的開端。此外，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域，他還發(fā)現(xiàn)了一個今天廣為人知的傅立葉級數(shù)的“吉布斯現(xiàn)象”。

在這段時期，吉布斯也曾在物理光學(xué)領(lǐng)域付出過一番心血。但當(dāng)他發(fā)覺該領(lǐng)域的深入研究必須了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)時，他毅然轉(zhuǎn)向了熱力學(xué)。后來，當(dāng)他意識到麥克斯韋提出的電磁學(xué)理論有極大的發(fā)展空間而且無需涉及物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)時，他又重新回到了物理光學(xué)。在1882－1889年間，他寫了五篇有關(guān)物理光學(xué)的論文，運(yùn)用麥克斯韋的電磁學(xué)理論研究了雙折射、色散及其它一些光學(xué)現(xiàn)象，并批駁了當(dāng)時有關(guān)光的機(jī)械波理論。

吉布斯首創(chuàng)了“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這一術(shù)語，并引入了用以描述物理系統(tǒng)的一些關(guān)鍵概念及它們相應(yīng)的數(shù)學(xué)表述，特別是1873年引入的吉布斯能、1876年引入的化學(xué)勢、1902年引入的系綜（ensemble）。諾貝爾物理學(xué)獎得主朗道（Lev Davidovich Landau）評論吉布斯時，說他“對統(tǒng)計(jì)力學(xué)給出了適用于任何宏觀物體的最徹底、最完整的形式”。吉布斯還運(yùn)用支配體系性質(zhì)的統(tǒng)計(jì)原理闡明了他獨(dú)辟蹊徑導(dǎo)出的熱力學(xué)方程，并通過多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)對熱力學(xué)的唯象理論給出了完美的解釋。1902年，他把這項(xiàng)工作寫入了對后世極具影響的教科書《統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基本原理》。

除了向量分析和統(tǒng)計(jì)力學(xué)，不少以他命名的專業(yè)術(shù)語從不同角度折射出他的學(xué)術(shù)成就和科學(xué)貢獻(xiàn)：吉布斯熵、吉布斯能、吉布斯相律、吉布斯悖論、吉布斯現(xiàn)象、吉布斯－亥姆霍茲方程、吉布斯-杜安方程、吉布斯取樣法、吉布斯測度、吉布斯態(tài)、吉布斯-湯姆森效應(yīng)、吉布斯等溫面、吉布斯-唐南效應(yīng)、吉布斯-馬倫哥尼效應(yīng)、吉布斯引理、吉布斯不等式，等等。

學(xué)術(shù)界對這位成果累累的科學(xué)家給予了充分公允的肯定和名副其實(shí)的獎勵。

1879年，吉布斯被選為美國國家科學(xué)院院士。1880年，他因化學(xué)熱力學(xué)的卓越工作獲得由美國文理科學(xué)院頒發(fā)的Rumford獎，并獲普林斯頓大學(xué)和Williams College頒授榮譽(yù)博士學(xué)位。1892年，他被選為倫敦?cái)?shù)學(xué)學(xué)會榮譽(yù)會士。1897年，他獲選為英國皇家學(xué)會外籍院士、普魯士科學(xué)院院士和法國科學(xué)院院士，并獲得Erlangen-Nuremberg大學(xué)以及Oslo大學(xué)的榮譽(yù)博士學(xué)位。1901年，英國皇家學(xué)會又給他頒發(fā)了當(dāng)時被認(rèn)為是自然科學(xué)界最崇高榮譽(yù)的Copley獎?wù)隆Ｖ?，例?838年的Copley獎?wù)掠筛咚购头ɡ诜窒怼?/p>

1903年4月28日，吉布斯因急性腸梗在New Haven去世，享年64歲，遺體被安葬在Grove Street公墓。

1910年，美國化學(xué)學(xué)會設(shè)立了吉布斯獎，表彰對理論和應(yīng)用化學(xué)做出杰出貢獻(xiàn)的學(xué)者。1923年，美國數(shù)學(xué)學(xué)會設(shè)立了吉布斯講座，“以向公眾展示某些數(shù)學(xué)思想及其應(yīng)用”。1945年，耶魯大學(xué)設(shè)立了吉布斯理論化學(xué)教授席位，Rutgers大學(xué)也設(shè)立了吉布斯熱力學(xué)教授席位。吉布斯于1950年被選入美國偉人名人堂。海洋考察船“吉布斯號”在1958 －1971年間為美國海軍服役。1964年，月球一個隕石坑被命名為吉布斯石坑。

學(xué)生眼中的吉布斯

也許更有價值和更有意思的，是來自他的學(xué)生們的評價。

吉布斯一生篤信基督教。他終生未娶，樂于獨(dú)處。他近乎孤僻的性格以及對工作過度沉迷的作風(fēng)常常令學(xué)生們敬而莫近。他的得意門生埃德溫·威爾遜（Edwin Bidwell Wilson）回憶說：“除了在課堂上，我們很少能看到吉布斯。在下午的工作完成后，他會從位于舊Sloane實(shí)驗(yàn)室的辦公室到他家的大街上散步，作為工作與晚餐之間的活動。在那段時間里，我們才會偶爾遇到他?！蓖栠d還說：“吉布斯不會花心思宣傳自己，也不會刻意地去傳播科學(xué)。他不是那種把科研作為時尚而前來殿堂的學(xué)者……吉布斯并不是一個背離社會習(xí)俗的人，但也不會刻意地去引人注意。他是個慈祥莊重的紳士?！?/p>

吉布斯的另一個學(xué)生林德·惠勒（Lynde Wheeler）描述過晚年的吉布斯：“他的衣著總是整潔得體。在街上，他常會戴一頂氈帽，但從來不會展現(xiàn)出那種有時被認(rèn)為是天才們與生俱來的怪異舉止……他為人誠懇而又不會過分熱情，顯示出他天性中的那份質(zhì)樸與真誠。'

吉布斯還有一位非常出色的學(xué)生，就是無線電技術(shù)的先驅(qū)者李·德富雷斯特（Lee De Forest）。這位成功的學(xué)生被譽(yù)為“無線電之父”、“電視始祖”、“電子管之父”（真空三極管的發(fā)明者）。德富雷斯特坦言，他尋求電磁波和電磁振蕩理論突破的思想來自于導(dǎo)師。

吉布斯的學(xué)生亨利·巴姆斯特德（Henry Bumstead）在《美國科學(xué)雜志》刊登訃告時評說：“他舉止不事張揚(yáng)，性情和藹，與人為善，從不急躁惱怒，毫無個人野心和權(quán)力欲望。他一直朝著成為一名無私的基督教徒紳士的理想而努力。在了解他的人們的心目中，他美好而又尊貴的人格絕不遜色于他科學(xué)事業(yè)上的偉大成就?！?/p>

盡管吉布斯自己的學(xué)生不多，卻有不少其他領(lǐng)域的著名學(xué)者與他有過師生之誼。1891年，吉布斯審評了后來成為美國第一位數(shù)理經(jīng)濟(jì)學(xué)家的歐文·費(fèi)雪（Irving Fisher）的博士論文。吉布斯去世后，心存感激的費(fèi)雪資助了其全部著作的出版。

在學(xué)生們的懷念和回憶中，他們特別喜歡導(dǎo)師經(jīng)常課余帶他們?nèi)ヅ郎?。吉布斯認(rèn)為登山者與物理學(xué)家有許多很相似的特質(zhì)：他們都耐得住孤單的旅程，總是向最高峰挑戰(zhàn)，仔細(xì)地規(guī)劃行進(jìn)路徑，并在艱難的攀登中自得其樂。