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J.W.吉布斯 Josiah Willard Gibbs(1839~1903)

  美国物理学家。1839年2月11日生于纽黑文,父亲是著名的语言学家。吉布斯9岁起接受学校教育,19岁毕业于耶鲁大学,接着成为耶鲁的工程学研究生,1863年以《论正齿轮装置中齿轮的齿形》的论文取得美国首批博士的学位,留校教授拉丁文和自然哲学。1866~1869年去欧洲进修,在巴黎、柏林和海德堡各一年,就学于H.G.马格努斯、 K.外尔斯特拉斯、G.R.基尔霍夫H.von亥姆霍兹等大师。1869年回国后一直在耶鲁大学执教,1871年被任命为数理教授,1903年在纽黑文逝世,终身未婚。

  吉布斯对物理学和数学均有广泛的研究,特别在热力学统计物理学方面作出了很大的贡献。他在研究中最擅长、最常用的方法是,从简单性和统一性出发,正确地抽象出基本概念,运用演绎推理,建立起严密的理论体系,因而他的结果能获得广泛的应用。他的抽象、简练的风格使他的讲课和著作令人难懂。吉布斯性格内向,很少同别人谈论他的创造活动。他的工作没有得到美国同时代人的充分理解和重视,他的成果除了受到英国的J.C.麦克斯韦高度重视外,在欧洲大陆也鲜为人知。直到20世纪,其成就的深远意义才充分显示出来。

  1865年这个热力学状态函数被明确提出后,在热力学两个基本定律的基础上建立完整的热学体系,并将其结果用于解决复杂的实际问题,成为当时物理学的一个重要课题。 吉布斯的工作首先从这里展开。 1873年他发表了关于热力学的第一篇论文《流体热力学的图示法》,从对熵这个重要概念的深刻理解出发,用系统参数的变化表示了系统内能的变化,得出了热力学的基本方程(dU=TdS-pdV)。在这篇论文中, 他把熵和温度也作为热力学坐标,扩展了热力学状态的二维图示法;这种方法在工业上得到了广泛应用。同年他发表的第二篇论文《借助曲面描述热力学性质的几何方法》中,将坐标扩展为三个──内能、体积和熵,这样就便于说明热力学平衡下纯净物质不同相共存时的热力学性质以及讨论在给定条件下这些态的稳定性。1876年和1878年吉布斯先后分两部分发表了被一些人称为"伟大论文"的文章《论非均匀物质的平衡》。文中几乎完全采用分析的方法,充分发挥了能量和熵在热力学平衡理论中的作用,并提出了化学势的概念,还提出了非均匀复相系处于平衡时的相平衡定律,建立了粒子数可变系统的热力学基本方程200711081132602-01.gif他还在热力学系统中考虑了化学、引力、应力、表面张力、电磁和电化学等因素的作用,从而扩展了热力学的范围。由于吉布斯的工作,使热力学形成为一个逻辑严整、内容丰富的理论体系。化学势概念的提出和相律的导出,使物理化学得到了很大的发展,在冶金学、采矿学、岩石学以及理论化学中也得到广泛的应用,并使许多化工生产过程提高了效率。

  19世纪80年代,吉布斯转而研究光学和电磁理论,并为此发展了矢量分析的方法。

  承认物体是由微粒组成,宏观量是大量粒子微观运动的统计平均结果,从而应当能够导出热力学理论,这是吉布斯多年深思的问题。当时麦克斯韦和L.玻耳兹曼所创立的统计方法使分子动力理论趋于成熟,但理论上遇到了必须建造分子模型的严重困难。吉布斯接受了这个方法,发展了玻耳兹曼在研究各态历经假说时提出的系综概念,创立了统计系综的方法,建立起经典平衡态统计力学的系统理论,于1902年发表了巨著《统计力学的基本原理》。通过对几种系综的分析,吉布斯发现正则系综最为有用;因为它是稳定分布的最简单形式,它的平均值与热力学的关系也最为密切,从系综分布函数可导出各热力学函数。事实证明他创立的统计方法满足以后发展的需要,只要将对微观运动从用相宇描写改变为用量子态描写,就可以过渡到量子统计。Л.Д.朗道认为吉布斯“对统计力学给出了适用于任何宏观物体的最彻底、最完整的形式”。

  吉布斯被美国科学院、美国艺术和科学研究院以及欧洲14个科学机构选为院士或通讯院士,并接受过一些名誉学衔和奖章。1950年,为了永远缅怀吉布斯在科学上的伟大功绩,在美国纽约大学的伟人堂建造了他的半身青铜像。

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