導語

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、熱力學以及后來他首創(chuàng)的統(tǒng)計力學，碩果累累的他對于學術界來說無疑是一個巨大的財富。但同時，吉布斯是一個私下喜歡帶學生去爬山的老師。他認為登山者與物理學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”的專論，開篇就說：

十九世紀物理學的三項最高成就是熱力學、電磁學與統(tǒng)計力學。其中統(tǒng)計力學奠基于麥克斯韋（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。父親是個語言學家，在耶魯大學神學院當教授，祖父出任過哈佛大學代理校長。母親出身書香門弟，其父是普林斯頓大學化學教授，祖父是數(shù)學和自然哲學教授，曾祖父為新澤西學院（普林斯頓大學前身）首任校長。

吉布斯童年體弱多病，因而經常缺課。幸有母親悉心家教，讓他15歲時進入了耶魯大學就讀。在大學里，他因拉丁語和數(shù)學成績特別優(yōu)異多次獲獎。1863年，他完成了學位論文《論直齒輪輪齒的樣式》，成為美國第一個工程學博士，也是美國本土第五個博士。畢業(yè)后他留校當助教，前兩年講授拉丁語，第三年講授物理。其間，他由數(shù)學和天文學家休伯特·安森·牛頓（Hubert Anson Newton）輔導。導師是流星體研究的權威，對這位學生后來的學術發(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，提出一個機械領域中計量單位系統(tǒng)合理化方案。同年，他申請了一項火車制動技術的專利，讓火車從此不需專配制動人員。1866－1869年間，吉布斯辭職游學，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。三年訪學期間，他接觸了不少著名學者。在巴黎，他聽了數(shù)學家約瑟夫·劉維爾（Joseph Liouville）在索邦學院以及米歇爾·沙勒（Michel Chasles）在法蘭西公學院做的學術講座。在柏林,他聽了數(shù)學家卡爾·魏爾斯特拉斯（Karl Weierstrass）和利奧波德·克羅內克（Leopold Kronecker）以及化學家海因里?！ゑR格努斯（Heinrich Gustav Magnus）的講課。在海德堡大學,他見習了物理學家古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）和赫爾曼·馮·亥姆霍茲（Hermann von Helmholtz）的科研工作。這次訪學啟動了他后來一發(fā)而不可收的科學研究。

當吉布斯1869年重回耶魯時，大學已無職缺，讓他去給工科學生講授法語。教學之余，他嘗試設計一種新型的蒸汽機調速器，那是他在機械工程領域最后的一項技術研究。到1871年，他勉強獲得了一個數(shù)學物理教職。但是，因為沒有論文，他很快就被學校辭退。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，毫無負擔羈絆的吉布斯開辟了自己后來的輝煌歷史。

學術界的吉布斯

1873年，34歲的吉布斯開始發(fā)表學術論文。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的量。出師無名的他，這項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》一書中用了整整一章的篇幅來介紹吉布斯的工作。他在倫敦化學學會做的一次演講中，描述了吉布斯幾何方法的用途，后來在為《大英百科全書》撰寫的有關圖解法的章節(jié)中還提及吉布斯的這項工作。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，可是他已經去世”。不過，麥克斯韋生前親手做了兩個表達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的物理系內。

吉布斯隨即把他的熱力學分析方法拓展到復相系統(tǒng)，并考慮到多種實際應用。他在題為“關于多相物質平衡”的兩冊專著中總結了這一工作。該書由Connecticut Academy先后于1875年和1878年出版，標志著化學平衡理論的誕生。書中，吉布斯以熱力學奠基人魯?shù)婪颉た藙谛匏梗≧udolf Clausius）關于熱力學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“熱力學的《自然哲學的數(shù)學原理》”?？墒?，當時整個美國科學界并不重視基礎理論研究，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界的歡迎，被翻譯成德文和法文出版，成為現(xiàn)代“物理化學”學科的基石。

1880年，新建的約翰·霍普金斯大學以三千美元年薪的待遇邀請吉布斯前往工作。作為回應，耶魯大學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。吉布斯關注的不是工資，因為他已經貧苦慣了。他的興趣在令他著迷的科學研究上，而耶魯可以給他提供更好的學術交流條件和工作環(huán)境。

在1880－1884年間，為了適應物理學家計算和分析的需求，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)學家和工程師奧利弗·亥維賽（Oliver Heaviside）也在獨立進行類似的研究。吉布斯一直嘗試去讓物理學家們認識到向量分析相對于由數(shù)學家威廉·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家彼得·泰特（Peter Guthrie Tait）等人在《自然》雜志上的一場關于數(shù)學標記方法及其物理本質問題的大論戰(zhàn)。吉布斯有關向量分析的講義《向量分析要素》起初并沒有公開發(fā)行，僅在1881年和1884年授課時為學生作了少量的印刷。但這份講義被后人認為是現(xiàn)代向量分析的開端。此外，在數(shù)學領域，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領域付出過一番心血。但當他發(fā)覺該領域的深入研究必須了解物質的微觀結構時，他毅然轉向了熱力學。后來，當他意識到麥克斯韋提出的電磁學理論有極大的發(fā)展空間而且無需涉及物質的微觀結構時，他又重新回到了物理光學。在1882－1889年間，他寫了五篇有關物理光學的論文，運用麥克斯韋的電磁學理論研究了雙折射、色散及其它一些光學現(xiàn)象，并批駁了當時有關光的機械波理論。

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

除了向量分析和統(tǒng)計力學，不少以他命名的專業(yè)術語從不同角度折射出他的學術成就和科學貢獻：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、吉布斯等溫面、吉布斯-唐南效應、吉布斯-馬倫哥尼效應、吉布斯引理、吉布斯不等式，等等。

學術界對這位成果累累的科學家給予了充分公允的肯定和名副其實的獎勵。

1879年，吉布斯被選為美國國家科學院院士。1880年，他因化學熱力學的卓越工作獲得由美國文理科學院頒發(fā)的Rumford獎，并獲普林斯頓大學和Williams College頒授榮譽博士學位。1892年，他被選為倫敦數(shù)學學會榮譽會士。1897年，他獲選為英國皇家學會外籍院士、普魯士科學院院士和法國科學院院士，并獲得Erlangen-Nuremberg大學以及Oslo大學的榮譽博士學位。1901年，英國皇家學會又給他頒發(fā)了當時被認為是自然科學界最崇高榮譽的Copley獎章。之前，例如1838年的Copley獎章由高斯和法拉第分享。

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，美國化學學會設立了吉布斯獎，表彰對理論和應用化學做出杰出貢獻的學者。1923年，美國數(shù)學學會設立了吉布斯講座，“以向公眾展示某些數(shù)學思想及其應用”。1945年，耶魯大學設立了吉布斯理論化學教授席位，Rutgers大學也設立了吉布斯熱力學教授席位。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，是來自他的學生們的評價。

吉布斯一生篤信基督教。他終生未娶，樂于獨處。他近乎孤僻的性格以及對工作過度沉迷的作風常常令學生們敬而莫近。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實驗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。他不是那種把科研作為時尚而前來殿堂的學者……吉布斯并不是一個背離社會習俗的人，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樸與真誠。'

吉布斯還有一位非常出色的學生，就是無線電技術的先驅者李·德富雷斯特（Lee De Forest）。這位成功的學生被譽為“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師。

吉布斯的學生亨利·巴姆斯特德（Henry Bumstead）在《美國科學雜志》刊登訃告時評說：“他舉止不事張揚，性情和藹，與人為善，從不急躁惱怒，毫無個人野心和權力欲望。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事業(yè)上的偉大成就?！?/p>

盡管吉布斯自己的學生不多，卻有不少其他領域的著名學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)理經濟學家的歐文·費雪（Irving Fisher）的博士論文。吉布斯去世后，心存感激的費雪資助了其全部著作的出版。

在學生們的懷念和回憶中，他們特別喜歡導師經常課余帶他們去爬山。吉布斯認為登山者與物理學家有許多很相似的特質：他們都耐得住孤單的旅程，總是向最高峰挑戰(zhàn)，仔細地規(guī)劃行進路徑，并在艱難的攀登中自得其樂。