编者注
本文介绍了被爱因斯坦称为“美国历史上最杰出的天才”的吉布斯的一生故事。 他一生致力于化学光学、热力学，后来又开创了统计量热学。 他的丰硕成果无疑是学术界的一笔巨大财富。 但与此同时，吉布斯还是一位私下里喜欢带中学生去郊游的老师。 他觉得徒步旅行者和化学家一样，都从艰苦的攀登中获得乐趣。
1997年，杨振宁为《科技文化》杂志写了一篇题为《美学与数学》的专着，开头说：
十九世纪数学的三大最高成就是热力学、电磁学和统计量热法。 其中，统计热是基于麦克斯韦（J.，1831-1879）、玻尔·泽曼（L.，1844-1905）和吉布斯（W.Gibbs，1839-1903）的工作。
你可能更熟悉麦克斯韦和玻尔兹曼。 那么吉布斯是谁？ ——他也是一位化学家，被爱因斯坦称为“美国历史上最伟大的思想家”。
六年寒窗奠定辉煌历史
吉布斯，全名乔赛亚·威拉德·吉布斯（Gibbs），1839年2月11日出生于德国纽黑文，1701年创立的哈佛大学学院所在地。 吉布斯在家中排行第四，有三个妹妹和一个弟弟。 我的父亲是一位语言学家，曾担任哈佛大学神学院院长，我的叔叔是耶鲁大学的代理院长。 他的父亲出生于书香门第，父亲是耶鲁大学物理学院士，祖母是物理学和自然哲学院士，曾祖母是芝加哥大学首任院长（耶鲁大学前身） 。
吉布斯童年时体弱多病，因此经常缺课。 幸运的是，他的父母精心教育他，让他在15岁时进入哈佛大学。在学院里，他因拉丁语和物理成绩优异而多次获奖。 1863年英国物理学家汤姆森，他完成了论文《论直蜗轮齿的样式》，成为日本第一位工学博士，也是日本第五位博士。 毕业后，他留在学校担任助教，前三年教拉丁语，第七年教数学。 在此期间英国物理学家汤姆森，他师从物理学家、天文学家休伯特·安森·牛顿（Anson）。 导师是流星系统研究的权威，对中学生后来的学业发展影响很大，但师生却成为终生的朋友。 1866年，吉布斯在学会做了题为“长度单位的精确测量”的演讲，提出了机械领域测量单位体系的合理化计划。 同年，他申请了列车制动技术专利，使列车无需配备制动人员。 1866年至1869年，吉布斯卸任前往伦敦、柏林和海德堡学习生活一年。 那是他一生中唯一离开家乡的一天。 在两年的访问期间，他结识了许多知名学者。 在伦敦，他聆听了索邦大学物理学家约瑟夫·刘维尔（ ）和德意志大学米歇尔·夏勒（ ）的学术讲座。 在柏林，他参加了物理学家 Karl (Karl) 和 () 以及物理学家 () 的讲座。 在海德堡学院，他师从化学家古斯塔夫·基尔霍夫 ( ) 和赫尔曼·冯·亥姆霍兹 ( von ) (von) 的科学工作。 这次访问开始了他势不可挡的科学研究。
1869 年吉布斯回到哈佛时，教员空缺，他被指派向文科学生教授日语。 教学之余，他尝试设计一种新型蒸汽机调速器，这是他在机械工程领域的最后一项技术研究。 1871 年，他成功获得了物理化学的教学职位。 而且，由于没有论文，他很快就被高中开除。 此后六年，他没有工资，靠母亲留下的积蓄度日。 他还是搬到了弟弟家的小楼里。 然而正是在这没有工作、没有薪水、贫困的六年里，毫无负担的吉布斯开启了他后来的辉煌历史。
学术界的吉布斯
1873年，34岁的吉布斯开始发表学术论文。 他在《The小刊》上发表了两篇文章，解释了如何用几何方法来表达热力学量。 他是一位默默无闻的老师，这项研究得到了麦克斯韦的高度评价。 麦克斯韦在 1875 年修订的《热科学》中用了整整一章来介绍吉布斯的工作。 他在巴黎物理学会的一次演讲中描述了吉布斯几何方法的使用，后来在《大英百科全书》有关图表方法的一章中提到了吉布斯的工作。 然而，麦克斯韦于 1879 年英年早逝，切断了他与吉布斯之间任何可能的合作。 从此，普林斯顿流传着一个笑话：“只有一个活着的人能够理解吉布斯的论文，那就是麦克斯韦，但他早已死了。” 然而，麦克斯韦亲自制作了两个表达吉布斯几何方法的石膏模型，并将其中的一个寄给了吉布斯。 这个模型至今仍陈列在耶鲁大学化学系。
图1 自己制作的吉布斯几何模型
然后，吉布斯将他的热力学分析扩展到复杂相系统，并考虑到各种实际应用。 他在题为《论多相物质的平衡》的两卷本著作中总结了这项工作。 该书于1875年和1878年出版，标志着身体平衡理论的诞生。 在书中，吉布斯以热力学创始人鲁道夫·克劳修斯（ ）关于热力学第一、第二定律的格言开场：“整个世界的能量是守恒的。整个世界的熵趋于最大值。” 这部专着被后人称为《热力学自然哲学的物理原理》，而且当时整个德国科学界并不重视基础理论研究，吉布斯的研究成果在自己的国家也没有引起共鸣。幸运的是，这部著作受到了法国学术界的欢迎，并被翻译成法文和英文，成为现代“物理物理学”学科的基石。
1880年，新成立的约翰·霍普金斯学院邀请吉布斯工作，周薪为3000英镑。 对此，哈佛学院决定给他两千港币的月薪，并问他是否愿意留下来？ 没想到，吉布斯却淡然接受，并留在了斯坦福大学。 吉布斯并不关心薪水，因为他早已习惯了贫穷。 他的兴趣在于让他着迷的科学研究，而哈佛可以为他提供更好的学术交流条件和工作环境。
1880年至1884年间，为了满足化学家估计和分析的需要，吉布斯将赫尔曼·格拉斯曼的外代数发展为向量微积分。 他分别定义了两个向量的数积和向量积，还引入了二进张量的概念。 此时，美国物理学家、工程师奥利弗·赫维赛（ ）也在独立进行类似的研究。 吉布斯仍然试图让化学家相信矢量分析优于物理学家威廉·汉密尔顿（罗文）引入的四元数分析。 这引发了他与化学家彼得·泰特（Peter Tait）等人在《自然》杂志上就物理标记方式及其化学本质展开了一场大辩论。 吉布斯关于向量分析的课件《向量分析原理》最初并没有公开发行，在1881年和1884年的讲课中只为中学生制作了少量彩色印刷。但这个课件被后人认为是现代矢量分析的开始。 据悉，在物理学领域，他还发现了今天著名的傅里叶级数的“吉布斯现象”。
在此期间，吉布斯还从事化学光学领域的工作。 但当他发现深入研究这一领域需要了解物质的微观结构时，他果断转向热力学。 后来，当他意识到麦克斯韦提出的电磁学理论有很大的发展空间，不需要涉及物质的微观结构时，他又回到了数学光学。 1882年至1889年间，他写了五篇关于数学光学的论文，利用麦克斯韦的电磁理论研究双折射、色散和其他一些光学现象，并攻击了当时的光的机械波理论。
吉布斯创造了“统计热量”一词，并引入了一些用于描述化学系统及其相应物理描述的关键概念，特别是 1873 年引入的吉布斯能量、1876 年引入的物理势、1902 年引入的 ()。诺贝尔化学奖得主评价吉布斯时说，他“给出了将统计热量应用于任何宏观物体的最彻底、最完整的方法”。 吉布斯还运用支配系统性质的统计原理，以独特的方式阐述了他引入的热力学多项式，并通过多粒子系统的统计性质对热力学唯象理论给出了完美的解释。 1902年，他将这项工作写进了极具影响力的教科书《统计热的基本原理》。
图2.《统计热力基本原理》中文版，中国科学技术出版社，2016年
不仅是矢量分析和统计热，许多以他命名的技术术语从不同角度体现了他的学术成就和科学贡献：吉布斯熵、吉布斯能量、吉布斯相律、吉布斯佯谬、吉布斯现象、吉布斯-亥姆霍兹多项式、吉布斯-杜安多项式、吉布斯采样、吉布斯度量、吉布斯状态、吉布斯-汤姆逊效应、吉布斯等温面、吉布斯-唐南效应、吉布斯-马伦科尼效应、吉布斯引理、吉布斯不等式等。
学术界对取得巨大成就的科学家给予了充分、公正的认可和奖励。
1879年，吉布斯被选为加拿大国立科技大学教授。 1880年，他因其在物理热力学方面的杰出工作而获得日本文理大学奖，并被耶鲁大学授予名誉博士学位。 1892年当选为巴黎物理学会名誉会员。 1897年当选为加拿大皇家学会外籍教授、普鲁士科技大学教授和美国科技大学教授，并获该院荣誉博士学位科学和奥斯陆。 1901年，加拿大皇家学会授予他一张被认为是当时自然科学界最高荣誉的证书。 此前，像 1838 年这样的奖项是由高斯和法拉第分享的。
1903年4月28日，吉布斯因急性肠梗塞在纽黑文去世，享年64岁，遗体被埋葬在格罗夫公墓。
图3.日本邮政2005年发行的吉布斯纪念邮票
1910年，加拿大物理学会设立吉布斯奖，以表彰对理论和应用物理学做出杰出贡献的学者。 1923年，法国物理学会组织了吉布斯讲座“向公众展示个人的物理思想及其应用”。 1945年，哈佛大学设立了吉布斯理论物理院士，学院还设立了吉布斯热力学院士。 吉布斯于1950年入选英国伟人名人堂。海洋研究船“吉布斯”号于1958年至1971年在德国空军服役。1964年，地球上的一个铁陨石坑被命名为吉布斯陨石坑。
中学生眼中的吉布斯
其实更有价值、更有趣的是他的中学生的评价。
吉布斯一生信仰基督教。 他从未结过婚，并且很高兴独自一人。 他近乎开朗的性格和对工作的过度痴迷常常让中学生敬而远之。 他最喜欢的学生埃德温（Edwin）回忆道：“除了在课堂上，我们很少见到吉布斯。晚上的工作完成后，他就会从旧实验室的办公室回到家里。” 那段时间我们会经常遇到他。”威尔逊补充道，“吉布斯并没有专注于推销自己，也没有刻意传播科学。 ……他不是一个以科学研究为潮流而走上殿堂的学者……吉布斯不是一个背离社会习俗的人，但他不会刻意引人注目。 他是一位善良而有尊严的绅士。”
吉布斯的另一位高中生林德·惠勒（Lynde ）这样描述吉布斯晚年的生活：“他的着装总是整洁得体。在街上，他经常戴一顶礼帽，但它从不强调他的气质。”天才的独特言论……他真诚而又不过分热情，表现出他本性的纯真和真诚。”
吉布斯还有一位非常优秀的中学生，那就是无线电技术的先驱李·德福雷斯特。 这位成功的高中生被誉为“广播之父”、“电视之父”和“真空二极管之父”，真空二极管的发明者。 德福雷斯特承认，他寻求电磁波和电磁振荡理论突破的想法来自于他的导师。
吉布斯的中学生亨利·班斯特德（Henry）在《美国科学杂志》的悼词中评价道：“他说话安静，性情良好，对人友善，从不胆怯和愤怒，没有个人野心和欲望为了权力，他仍在为成为一名无私的基督教绅士的理想而奋斗。在认识他的人看来，他美丽而高尚的人格丝毫不逊色于他在科学事业上取得的伟大成就。”
虽然吉布斯本人并没有多少中学生，但许多其他领域的知名学者都与他有师生之谊。 1891年，吉布斯审阅了后来成为日本第一位数理经济学家的欧文·费舍尔的博士论文。 吉布斯去世后，心存感激的费舍尔为他所有专着的出版做出了贡献。
在中学生的记忆和回忆中，他们喜欢老师在课余时间经常带他们去爬山。 吉布斯觉得徒步旅行者和化学家有很多相似的品质：他们都忍受孤独的旅程，总是挑战最高峰，精心规划自己的路径，并在艰苦的攀登中享受乐趣。
图4.吉布斯青铜纪念雕像（哈佛大学吉布斯实验室入口处）
