Josiah Willard Gibbs

Figlio di un professore di letteratura sacra a Yale, anch’egli di nome Josiah Willard, discendente di una famiglia emigrata dall’Inghilterra già dal 1658, studiò alla Hopkins Grammar School dove fu ricordato come cordiale, ma molto riservato. Nel 1854 entrò al College alla Yale University, dove si laureò nel 1854 ottenendo premi per gli eccellenti risultati in latino e matematica.

Continuando gli studi in ingegneria a Yale ottenne nel 1863 il dottorato, il primo in ingegneria negli Stati Uniti, con una tesi On the Form of the Teeth of Wheels in Spur Gearing, dove studiava geometricamente la forma migliore dei denti degli ingranaggi.

Ottenne un posto da tutor a Yale, insegnando nei primi due anni latino e poi filosofia naturale, non per necessità finanziarie avendo ereditato una grossa somma insieme alle sorelle alla morte del padre nel 1861.

Dal 1866 al 1869 si recò a studiare in Europa, con le sorelle, prima a Parigi e poi a Berlino e infine ad Heidelberg dove studiò con Kirchhoff e Helmholtz.

Tornò a Yale e nel 1871 fu nominato professore di Fisica Matematica, sorprendentemente perché non aveva pubblicato nessun lavoro! Per nove anni tenne il posto senza retribuzione, non avendo problemi finanziari, e solo dopo che la John Hopkins University di Baltimora gli offrì una cattedra gli fu proposto un compenso da Yale, così che decise di rimanere e per tutta la vita.

I primi lavori li pubblicò solo nel 1873, a 34 anni, il primo, Graphical Methods in the Thermodynamics of Fluids, introduce l’uso di diagrammi in termodinamica, tra cui un grafico entropia-temperatura e il secondo, A Method of Geometrical Representation of the Thermodynamic Properties of Substances by Means of Surfaces, generalizza i grafici in tre dimensioni (volume, energia, entropia) e colpì Maxwell che costruì modelli tridimensionali in gesso delle superfici termodinamiche e le spedì, poco prima di morire, a Gibbs (sono tuttora conservati gelosamente a Yale).

Nel 1876 pubblicò la prima parte di On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, completato nel 1878, che viene considerato un caposaldo della storia della chimica fisica, introducendo quella che è chiamata termodinamica chimica, ma la cui importanza venne riconosciuta solo molti anni dopo, probabilmente perché la forma matematica rigorosa ne rendeva la lettura alquanto difficile specialmente per i chimici sperimentali ai quali era principalmente diretto.

Studiando l’equilibrio termodinamico a partire dal principio di massima entropia, da molti condiviso ma mai usato, ricavò la relazione dU = TdS – PdV, che applicò ad una grande varietà di casi permettendo di studiare con la termodinamica molti fenomeni fino ad allora non compresi e gran parte della chimica. Introdusse anche il cosiddetto potenziale chimico e l’energia libera (detta di Gibbs, G = H – TS, dove H è l’entalpia) e la regola delle fasi.

Combinando le idee dell’algebra esteriore di Grassmann e dei quaternioni di Hamilton, introdusse l’analisi vettoriale (indipendentemente dall’inglese Heaviside) in una forma più facilmente applicabile alla fisica, ma che apparve soltanto in note stampate ad uso degli studenti fino a quando nel 1901 uno dei suoi studenti stese una versione definitiva.

Dal 1882 al 1889 pubblicò cinque lavori sulla teoria elettromagnetica della luce e in seguito si rivolse alla teoria cinetica dei gas che riformulò ad un più alto livello di astrazione, oggi nota come meccanica statistica, col suo ultimo lavoro, Elementary Principles in Statistical Mechanics (1902), che costituì una cornice ideale per il successivo sviluppo della meccanica quantistica.

A parte i tre anni passati in Europa visse sempre nella stessa casa di famiglia, a pochi passi dalla scuola che aveva frequentato, dal College dove aveva studiato e dall’Università dove lavorò per tutta la vita, allontanandosi solo per escursioni in montagna durante le vacanze estive.

Rimase sempre scapolo, accudito dalle sorelle, e si presentava come un alto e vigoroso gentiluomo, gentile e disponibile con gli studenti, anche se spesso incomprensibile, molto ammirato dai pochi bravi studenti e stimato dagli amici, ma evitava gli impegni sociali ed era poco conosciuto persino nella cittadina di New Haven.

La sua quieta vita a Yale e la poca considerazione che la scienza americana aveva in quegli anni per la fisica teorica, a favore di ricerche più pratiche, fecero sì che il suo impatto sulla scienza degli Stati Uniti fosse molto inferiore al suo genio.

In Europa poi era praticamente sconosciuto, a parte pochissimi scienziati tra i quali Maxwell, anche per la difficoltà e concisione estrema dei suoi scritti, e perché pubblicò prevalentemente sulle Transactions of the Connecticut Academy of Sciences, una rivista edita dal cognato, bibliotecario di Yale, poco letta negli Stati Uniti e praticamente sconosciuta altrove. Solo dopo la pubblicazione dei suoi lavori tradotti in tedesco, allora la lingua principale per la chimica, da parte di Ostwald e in francese da parte di Le Châtelier nel 1899 le sue idee furono finalmente diffuse in Europa. Ci si accorse che gran parte dei risultati ottenuti in termodinamica fino alla fine dell’Ottocento erano già contenuti nei suoi lavori e persino i problemi che condurranno alla meccanica quantistica sono già delineati chiaramente nell’introduzione del suo libro sulla meccanica statistica.

Gibbs morì appena prima della istituzione del Premio Nobel, ma ebbe il massimo riconoscimento scientifico dell’epoca, la medaglia Copley della Royal Society, nel 1901.

Dal 1923 l’American Mathematical Society istituì a suo nome una conferenza annuale, la ‘Gibbs Lecture’, tenuta da eminenti matematici. Nel 1945 la Yale University istituì la Cattedra ‘J. W. Gibbs’ di Chimica Teorica tenuta fino al 1973 dal premio Nobel Lars Onsager.

A mathematician may say anything he pleases, but a physicist must be at least partially sane. (J. W. Gibbs)