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BIOGRAFIEN GROSSER WISSENSCHAFTLER
Willard Gibbs Josiah. Biographie des Wissenschaftlers
Verzeichnis / Biografien großer Wissenschaftler
Das Geheimnis von Gibbs ist nicht, ob er ein missverstandenes oder unbeachtetes Genie war. Das Rätsel von Gibbs liegt woanders: Wie kam es, dass das pragmatische Amerika in den Jahren der Herrschaft des Praktischen einen großen Theoretiker hervorbrachte? Vor ihm gab es keinen einzigen Theoretiker in Amerika. Allerdings, da gab es fast keine Theoretiker danach. Die überwiegende Mehrheit der amerikanischen Wissenschaftler sind Experimentatoren. Josiah Willard Gibbs wurde am 11. Februar 1839 in New Haven, Connecticut, als Sohn eines Professors der Yale University geboren. Sechs Generationen lang war seine Familie in Neuengland berühmt für ihre Gelehrsamkeit. Einer seiner Vorfahren war Präsident der Harvard University, ein anderer war Sekretär der Kolonie Massachusetts und der erste Präsident der Princeton University. Gibbs' Vater galt als herausragender Theologe. Als Gibbs zehn Jahre alt war, begann er an einer kleinen Privatschule in New Haven zu studieren, die sich im selben Block wie sein Zuhause befand. Er wuchs als ruhiger, schüchterner Junge auf, folgte immer anderen, war nie ein Anführer, aber er stand nie abseits. 1854 trat der junge Mann in die Yale University ein, und 1858 erhielt Gibbs einen Bachelor-Abschluss. In jenen Jahren wurde in Sheffield eine wissenschaftliche Schule gegründet. 1847 wurde mit ihr eine Graduiertenschule eröffnet. Aber erst 1861 erwarb diese Schule das Recht, den Grad eines Doktors der Physik zu verleihen. Gibbs war mit der Zeit dazu bestimmt, Amerikas größter Wissenschaftstheoretiker zu werden, aber seine Ausbildung entsprach der amerikanischen Praktikabilität. 1863 promovierte er als erster in Amerika in Physik für seine Arbeiten zum Maschinenbau. Die Dissertation hieß "Über die Form der Zähne in der Zahnradkupplung". Er bekam sofort eine Lehrstelle an der Hochschule für drei Jahre. Gibbs' Vater starb 1861 und hinterließ den Kindern 23 Dollar. Somit konnte Gibbs von einem kleinen Einkommen leben. Während er unterrichtete, hörte Gibbs nicht auf, seine Lieblingsbeschäftigung zu machen – Mechanik. Er schrieb mehrere Arbeiten über Dampfturbinen und erfand die Eisenbahnbremse, die unter dem Einfluss der Trägheit des Zuges arbeitet. Als seine Amtszeit in Yale 1866 endete, ging Gibbs mit seinen beiden Schwestern ins Ausland. Es war ein Wendepunkt in seiner Karriere. In Europa erhielt er eine fundierte Ausbildung, die zu einer soliden Grundlage für die wichtigste Arbeit in seinem Leben wurde. Er studierte zunächst an der Sorbonne und am College de France. Sechzehn Stunden pro Woche hörte Gibbs Vorlesungen und studierte mit Physikern und Mathematikern wie Duhamel und Louville. Hier las Gibbs zuerst die Werke von Laplace, Poisson, Lagrange und Cauchy. Im nächsten Jahr ging er nach Berlin, wo er bei Kundt und Weierstrass studierte. Nach einem einjährigen Aufenthalt in Berlin zog es ihn nach Heidelberg, wo so bedeutende Wissenschaftler wie Kirchhoff, Cantor, Bunsen und Helmholtz lehrten, von denen er noch mehr über theoretische Physik lernte. Als er 1869 nach Amerika zurückkehrte, ließ er sich mit seiner Schwester, die während einer Auslandsreise geheiratet hatte, im Haus seines Vaters in New Haven nieder. Am 13. Juli 1871 gab das Yale University Bulletin bekannt, dass "Mr. Josiah Willard Gibbs ohne Gehalt zum Professor für Mathematik und Physik in der Fakultät für Philosophie und Bildende Kunst ernannt wurde". Diese Kanzel war die erste in Amerika. Nur weil sein Umfeld die Fähigkeiten von Gibbs gut kannte und an seine große Zukunft glaubte, fand es die Yale University möglich, ihn auf diesen Posten zu berufen. Nachdem er Professor geworden war, studierte er Mechanik, Wellenoptik, Vektoranalyse, Theorie der Elektrizität und des Magnetismus. 1873 erschienen seine ersten thermodynamischen Arbeiten „Graphische Methoden in der Thermodynamik von Flüssigkeiten“ und „Methode der geometrischen Darstellung der thermodynamischen Eigenschaften von Stoffen durch Oberflächen“. In einer großen Studie "On the Equilibrium of Heterogeneous Systems", die 1875-1878 veröffentlicht wurde, entwickelte Gibbs seine Lehre und wandte sie weithin an. Isaac Newton erweiterte einst den Begriff des Gleichgewichts um die Bewegung. Seine Entdeckung führte zu einer der größten intellektuellen Revolutionen der Geschichte. Gibbs' Arbeit ist nicht weniger wichtig. Er erweiterte den Begriff des Gleichgewichts um eine Zustandsänderung der Materie. Eis wird zu Wasser, Wasser wird zu Dampf, Dampf wird zu Sauerstoff und Wasserstoff. Wasserstoff verbindet sich mit Stickstoff zu Ammoniak. Jeder Prozess in der Natur ist ein Prozess der Veränderung; die Gesetze solcher Veränderungen wurden von Gibbs entdeckt. So wie Newton die Gesetze der Mechanik entdeckte, schuf Gibbs die Gesetze der physikalischen Chemie, die zum Mainstream der chemischen Wissenschaft wurden. Gibbs musste eine Maßeinheit für den Zustand der Materie finden, die zeigen würde, ob diese Substanz eine Art Umwandlung durchmachen würde oder gleich bleiben würde. Der Schlüssel zu Gibbs' Entdeckung war die Geschwindigkeit des Teilchens, die proportional zu seiner Energie ist. Die Wissenschaft, die thermische Energie untersucht, wird Thermodynamik genannt. Gibbs schrieb: "Die Gesetze der Thermodynamik ... drücken ... das Verhalten von Systemen aus, die aus einer großen Anzahl von Teilchen bestehen." Bei konstantem Volumen erhitztes Wasser verliert eine gewisse Wärmemenge, die in die innere Struktur des Moleküls eindringt. Flüssiges Ammoniak, das sich bei derselben Umwandlung in gasförmiges Ammoniak verwandelt, verliert ebenfalls etwas Wärme. Diese Eigenschaft der internen Wärmeaufnahme wird als Entropie bezeichnet. Die quantitative Entropieänderung bei jeder Reaktion ist von großer Bedeutung. Die Entropieänderung, die auftritt, wenn Flüssigkeiten bei konstantem Volumen sieden, ist gleich der Verdampfungswärme dividiert durch den Siedepunkt. Die Entropieänderungen in jeder Reaktion können durch eine einfache arithmetische Operation gefunden werden: Die Anzahl der Kalorien, die für den Ablauf der Reaktion benötigt werden, wird durch die Temperatur in Grad dividiert, bei der die Reaktion stattfindet. Gibbs führte das Wort „Entropie“ als Begriff in der Thermodynamik ein. In diesen beiden Beispielen änderte nur eine Komponente (Wasser im ersten Fall und Ammoniak im anderen) die Phase von flüssig zu gasförmig. Gibbs erweiterte dieses Verständnis um mehrere Komponenten, sodass Mischungen von Flüssigkeiten und Mischungen von Feststoffen berücksichtigt werden konnten. Als er seine Theorie um Komponenten erweiterte, die sich miteinander verbinden, entdeckte er schließlich eine Gleichung, die chemische Reaktionen und deren Gleichgewicht beschreibt. Für solche Systeme identifizierte Gibbs neue Größen im Zusammenhang mit der Entropie, die es ihm ermöglichten, im Voraus vorherzusagen, ob eine chemische Reaktion oder physikalische Umwandlung stattfinden würde oder nicht, und wenn ja, wie lange die Reaktion andauern würde. Er nannte diese Größen chemische Potentiale. Wie die Entropie sind chemische Potentiale eine physikalische Eigenschaft der Materie. Das Ergebnis dieser Studien war die berühmte Gibbs-Phasenregel. Er skizzierte es auf nur vier Seiten, ohne ein konkretes Beispiel zu nennen. In den nächsten fünfzig Jahren schrieben Wissenschaftler viele Bücher und Monographien über die Gibbs-Phasenregel und beschrieben sie in Bezug auf Mineralogie, Petrographie, Physiologie, Metallurgie und alle anderen Bereiche der Wissenschaft. Die Regel legte die Bedingungen fest, die eingehalten werden müssen, damit sich bestimmte Verbindungen in verschiedenen Phasen im Gleichgewicht befinden: im flüssigen, festen und gasförmigen Zustand. Sie wurde bald als die wichtigste lineare Gleichung in der Geschichte der Wissenschaft anerkannt. Innerhalb von fünfzig Jahren nach Gibbs' Entdeckung hatte die Chemie jeden wichtigen Industriezweig der Welt durchdrungen. Dank der Ergebnisse von Gibbs Arbeit wurde die Stahlherstellung zu einem chemischen Prozess, ebenso wie das Backen von Brot, die Herstellung von Zement, die Gewinnung von Salz, die Herstellung von flüssigen Brennstoffen, Papier, Wolframfäden für Glühbirnen, Kleidung und Hunderttausende anderer Gegenstände. Gibbs Arbeit wurde auch verwendet, um die Wirkung von Vulkanen, die im Blut ablaufenden physiologischen Prozesse, die elektrolytische Wirkung von Batterien und die Herstellung von chemischen Düngemitteln zu erklären. In den fünfzig Jahren seit Gibbs Tod wurden vier Nobelpreise für Werke verliehen, die auf seinen Schriften basieren. Kurz nach Abschluss seines klassischen Studiums im Frühjahr 1879 wurde Gibbs zum Mitglied der US National Academy gewählt, 1880 zum Mitglied der American Academy of Arts and Sciences in Boston. Gibbs' wissenschaftlicher Ruhm wuchs schnell nach der Veröffentlichung seiner thermodynamischen Arbeit. Er wird zum Mitglied vieler ausländischer Akademien und wissenschaftlicher Gesellschaften gewählt, erhält wissenschaftliche Auszeichnungen. Neben der Thermodynamik leistete Gibbs wertvolle Beiträge zur Vektoralgebra. In der Natur gibt es viele Größen, die nicht nur quantitativ, sondern auch richtungsmäßig charakterisiert werden müssen. Gibbs Vektoralgebra hat den Umgang mit dem Raum vereinfacht. Der verallgemeinerte Gibbs-Vektor wurde im Laufe der Zeit zu einem mächtigen Werkzeug der Wissenschaft, das geboren wurde, als Gibbs bereits in einem fortgeschrittenen Alter war, und ihm unbekannt blieb - die Relativitätstheorie. In seinen frühen Gleichgewichtsstudien ging Gibbs davon aus, dass Materie eine kontinuierliche Masse ist. Später erkannte er, dass Materie aus winzigen Teilchen in Bewegung besteht. Er überarbeitete seine Thermodynamik, um diese Entdeckung widerzuspiegeln, und zerlegte thermodynamische Phänomene auf statistischer Basis. Die Newtonsche Mechanik wurde zur statistischen Mechanik. 1902 wurde das grundlegende Werk von Gibbs, Fundamentals of Statistical Mechanics, veröffentlicht. Basierend auf völlig unabhängigen Annahmen entdeckte Gibbs unter Verwendung der statistischen Mechanik eine neue Bedeutung für die Entropie und andere verwandte Größen, die auf den ersten Blick so mächtig erschienen. Auf der Grundlage des klassischen zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sagten die Zeitgenossen von Gibbs das „Ende der Welt“ voraus, wenn sich die Entropie des Universums ihrem Maximum nähern würde, dh es würde die Grenzen überschreiten, nach denen es unmöglich wäre, Energie umzuwandeln in brauchbare Formen. Dieser Zustand wurde als "Hitzetod" bezeichnet. Ihre erschreckende Beschreibung wurde von dem berühmten Science-Fiction-Autor HG Wells in dem Roman „Die Zeitmaschine“ gegeben. Die statistische Mechanik von Gibbs zeigte, dass ein solches Ergebnis keineswegs unvermeidlich ist. Es stellte sich heraus, dass Wissenschaftler die Chancen einer „Rettung“ deutlich unterschätzten. Newton wusste nichts über den Aufbau von Planeten und Sternen. Seine Gleichungen der Planetenbewegung hingen nicht von ihrer Natur ab und waren innerhalb der Newtonschen Mechanik vollkommen korrekt. Gibbs und seine Zeitgenossen wussten nichts über die Struktur des Moleküls. Gibbs selbst verstand das. Er schrieb: „Wer seiner Arbeit eine Hypothese über die Struktur der Materie zugrunde legt, errichtet ein Gebäude auf Sand.“ Wie Newton hatte Gibbs die Gabe der Vorsehung, und seine statistische Mechanik überlebte alle nachfolgenden Entdeckungen in der Atom- und Kernphysik. Gibbs näherte sich den grundlegenden Wahrheiten der Natur so nahe, wie es nur die größten Wissenschaftler vor ihm getan hatten. Gibbs' Arbeit ist schwer zu lesen und zu verstehen. Er fertigte mehrere vorläufige Skizzen an und entwickelte dann seine Studien in seinem Kopf, bis sie vollkommene Perfektion erreichten. Als er begann, seine Theorien zu Papier zu bringen, ließ er die Zwischenstufen im Laufe seiner Überlegungen aus, da sie ihm nicht mehr wichtig zu sein schienen. Gibbs' Arbeit fand erst zehn bis zwanzig Jahre später breites Verständnis und Anwendung. In der dreihundertjährigen Geschichte der modernen Wissenschaft kann man nicht mehr als ein Dutzend Ideen von derselben Bedeutung und Tiefe wie die Theorie des Gleichgewichts von Gibbs zählen. Und in jedem Fall dauerte es mindestens zwei Jahrzehnte, bis diese neuen Ideen in ihrer Gesamtheit akzeptiert wurden. Die Kollegen von Gibbs in Yale haben wahrscheinlich die Bedeutung seiner Arbeit nicht verstanden, aber sie wussten mit Sicherheit, dass er ein Genie war. Gibbs war ein schlanker Mann von durchschnittlicher Größe, ruhig und selbstbewusst, mit einem typischen Yankee-Gesicht. Ein gepflegter Bart, den er nach der Mode der Zeit trug, verlieh ihm Seriosität. Seine Stimme war dünn, er sprach in einem höflichen Geplapper. Die Kinder erinnerten sich an ihn, einen Mann mit schneller Auffassungsgabe und einer Vorliebe für subtile Ironie, nur als einen freundlichen und sanften Onkel Will. Seine leuchtenden Augen waren durchdringend und scharf. Er wusste, wie man lächerlichen Unsinn trug, lustige Spiele und Streiche anfing und strebte nicht wirklich nach neuen Bekanntschaften. „Ich brauchte Rat, und ich wusste, dass er mir nicht nur helfen konnte, weil er ein großartiger Wissenschaftler war, sondern auch, weil ich ihn als freundlichen und sensiblen Menschen empfand“, seine Neffen, Nichten, Freunde und Schüler. Gibbs war einer jener Menschen, deren Bescheidenheit Leidenschaft genannt werden kann. Im Laufe seines Lebens erhielt er neunzehn Auszeichnungen und Ehrendiplome, darunter den wichtigsten internationalen Preis für wissenschaftliche Leistungen. Aber selbst seine engsten Freunde erfuhren von seinen Erfolgen erst, als sie die Todesanzeigen in den Zeitungen lasen. Basierend auf der Arbeit von Gibbs bestellte James Maxwell ein dreidimensionales Gipsmodell von Gibbs' Kurven und schickte es ihm als Geschenk. Es war schwer, sich ein besseres Zeichen für die Bewunderung eines großen Wissenschaftlers für einen anderen vorzustellen. Studenten, die den Ursprung des Modells gut kannten, fragten ihn eines Tages: - Wer hat Ihnen dieses Modell geschickt? Er antwortete kurz: - Ein Freund. - Und wer ist dieser Freund? - Ein Engländer. Es war lange Zeit ein Rätsel, wie Maxwell auf dem Höhepunkt seines Ruhms die Zeit und den Einblick hatte, um die Gibbs-Papiere auszugraben, die in dem obskuren Journal der Connecticut Academy of Sciences erschienen. Aber dieses Rätsel wurde schließlich gelöst. Maxwell erfuhr auf sehr einfache Weise von Gibbs' Artikel - er erhielt ihn per Post. Gibbs, dem ständig vorgeworfen wurde, nicht an den Rückmeldungen anderer Wissenschaftler zu seiner Arbeit interessiert zu sein, schickte Nachdrucke seiner Arbeiten an die berühmtesten Wissenschaftler. Gibbs stellte eine Liste mit fünfhundertsieben Namen von Wissenschaftlern zusammen, die in zwanzig Ländern lebten. Im Laufe seines Lebens schrieb er zwanzig Monographien und schickte jede von ihnen persönlich an diejenigen Wissenschaftler auf seiner Liste, für die sie von Interesse sein könnten. Die Arbeit für Gibbs war die Rechtfertigung seines ganzen Lebens und er war glücklich, weil er wusste, wie großartig seine Arbeit war. Seine letzten Lebensjahre waren nicht nur vom Verlust seiner Schwester und enger Freunde überschattet, sondern auch vom Aufkommen neuer revolutionärer Ideen auf dem Gebiet der Physik, Röntgenstrahlen und Elektronen. Er wusste noch nicht, wie diese unerwarteten Entdeckungen mit seiner Vorstellung vom Universum vereinbar sein könnten. Eines Tages erregte ihn eine neue Entdeckung so sehr, dass er kopfschüttelnd zu seinen Schülern sagte: „Vielleicht ist es an der Zeit, dass ich gehe.“ Er fühlte sich müde, einsam, und was früher sein Leben rechtfertigte, schien für immer verloren zu sein. Aber Gibbs machte sich vergebens Sorgen. Er starb am 28. April 1903, aber die Quantenmechanik widerlegte seine Arbeit nicht. Max Planck, der insbesondere 1909 an der Columbia University Vorlesungen über theoretische Physik hielt und seine Theorie erläuterte, sagte: „Wie tief dieser Vorschlag (das Prinzip der zunehmenden Entropie) alle physikalischen und chemischen Beziehungen abdeckt, er war besser und vollständiger als andere darauf hingewiesen von Josiah Willard Gibbs, einem der berühmtesten Theoretiker aller Zeiten, nicht nur in Amerika, sondern auf der ganzen Welt." Autor: Samin D. K.
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