Gibbs Willard

Josiah Willard Gibbs (New Haven, 11 février 1839 - 28 avril 1903) est un physico-chimiste américain. Son travail sur l'application chimique de la thermodynamique joue un grand rôle dans la transformation de la chimie physique en science raisonnée et rigoureuse. Avec James Clerk Maxwell et Ludwig Boltzmann, il crée la mécanique statistique (son propre néologisme) qui explique les lois de la thermodynamique à l'aide des propriétés statistiques des grands ensembles des particules. En mathématique pure, il est aussi un des fondateurs (avec Oliver Heaviside) de l'analyse vectorielle.

Gibbs est le quatrième des cinq enfants et le fils unique de Josiah Willard Gibbs (père), linguiste et théologien qui est professeur de littérature sacrée au séminaire de Yale à New Haven, et de son épouse Mary Anna, née Van Cleve. Le père de Gibbs est reconnu pour avoir trouvé un interprète pour les esclaves africains qui avaient saisi la navire La Amistad. Gibbs descend d'une longue lignée des universitaires américains depuis le 17e siècle. Du côté paternel, il est descendant de Samuel Willard, président de l'Université Harvard de 1701 à 1707. Un de ses ancêtres est le Rév. Jonathan Dickinson, premier président du Collège de New Jersey (devenu l'Université de Princeton en 1896. Son prénom Josiah dérive de son ancêtre Josiah Willard, secrétaire de la Province de la baie du Massachusetts au 18e siècle.

Gibbs étudie à l'Université Yale et gradue en 1858 gagnant des prix d'excellence en mathématiques et en Latin. Il continue aux études supérieures toujours à Yale, et en 1863 il devient le premier étudiant américain à obtenir un doctorat en ingénierie, avec une thèse sur le design optimal des engrenages. Après son doctorat, Gibbs devient tuteur à Yale pour trois années, enseignant le latin pendant deux années et la physique (dite philosophie naturelle à l'époque) pendant la troisième année.

Il étudie ensuite pendant trois années à Paris, Berlin et Heidelberg de 1866 à 1869. À l'Université de Heidelberg, il apprend les travaux scientifiques de Gustav Kirchhoff et Hermann von Helmholtz, y compris leur recherches dans la thermodynamique. Ces trois années sont la seule période de sa vie pendant lequel il vit à l'extérieur de New Haven, à l'exception de ses vacances estivales habituelles aux Adirondacks. Après son retour de l'Europe, en 1871 il est nommé professeur de physique mathématique à Yale, le premier professeur de ce sujet aux États-Unis. Il passe le reste de sa carrière à Yale.

Il demeure célibataire toute sa vie, et reste dans le foyer de son enfance avec sa sœur Julia et son beau-frère Addison Van Name, bibliothécaire de l'Université Yale. Il meurt à New Haven à l'age de 64 ans d'une obstruction intestinale aiguë. Gibbs publie son premier article scientifique en 1873 au sujet de la représentation géométrique des fonctions d'état thermodynamiques. L'article parait aux Transactions of the Connecticut Academy, une revue plutôt obscure, mais il envoie aussi des tirés-à-part à ses correspondents scientifiques en Europe. Il reçoit une réponse très favorable du physicien britannique James Clerk Maxwell, qui construit trois copies d'un moulage en plâtre d'une surface qui est représentation visuelle du formalisme mathématique de Gibbs. Il envoie une copie comme cadeau à Gibbs; cette copie est toujours exposée au département de physique à Yale.

Entre 1875 et 1878 Gibbs rédige une série d'articles qui mettent en application ses méthodes graphiques d'analyse thermodynamique aux systèmes chimiques à plusieurs phases. Ces articles sont ensuite publiés comme monographie sous le titre Équilibre des substances hétérogènes et constituent la base de la thermodynamique chimique. Il définit pour les réactions chimiques deux quantités très utiles, à savoir l'enthalpie qui représente la chaleur d'une réaction à pression constante, et l'enthalpie libre qui détermine si oui ou non une réaction peut procéder de façon spontanée à température et pression constante. Cette dernière quantité est maintenant nommée énergie de Gibbs en son honneur (ou comme anglicisme énergie libre de Gibbs).

Dans ses articles sur les équilibres hétérogène, il introduit les notions de potentiel chimique (en même temps que Pierre Duhem) et de variance ainsi que la règle des phases. En somme il applique les notions de la thermodynamique à l'interprétation des phénomènes physico-chimique, et réussit à expliquer et à interpréter un ensemble de faits auparavant isolés l'un de l'autre.

Gibbs crée le terme mécanique statistique ainsi que nombreuses notions essentielles à la description statistique des systèmes physiques, tels que les ensembles statistiques connus sous les noms ensemble canonique, ensemble microcanonique et ensemble grand-canonique. Son cadre théorique est tellement bien construit qu'il puisse survivre presqu'intacte la découverte (après son décès) que les particules microscopiques obéissent les lois de la mécanique quantique, plutôt que la mécanique newtonienne que connaissaient Gibbs et ses contemporains. Il propose et résout le paradoxe de Gibbs au sujet de l'entropie associée au processus de mélange des gaz, paradoxe qui est souvent considéré comme une anticipation de l'indiscernabilité des particules identiques qu'exige la mécanique quantique. Dans son manuel Principes élémentaires en mécanique statistique (1902), il s'intéresse aux aspects microscopiques de la thermodynamique.

De 1880 à 1884 et parallèlement à Oliver Heaviside, il développe l'analyse vectorielle en séparant la partie réelle et la partie vectorielle du produit de deux quaternions purs, ceci dans le seul but d'une utilisation en physique. Au cours de ce travail, Gibbs introduit la notion de tenseur dyadique ainsi que les notations du produit scalaire et du produit vectoriel de deux vecteurs qui sont encore employées, du moins en anglais. Il cherche a convaincre d'autres physiciens des avantages de son approche par rapport à l'analyse des quaternions selon la méthode de William Rowan Hamilton qui était employée à l'époque par nombreux scientifiques britanniques. Gibbs écrit un premier ouvrage sur l'analyse vectorielle à l'usage de ses étudiants, et devant le succès obtenu, étaye le sujet dans une série de cours qui seront rassemblés et publiés en 1901 par son élève Edwin Bidwell Wilson.

Gibbs fait imprimer ses notes de cours sur l'analyse vectorielle en 1881 et 1884 pour l'emploi par ses étudiants, et les notes sont ensuite adaptées dans un manuel Vector Analysis par Edwin Bidwell Wilson, publié en 1901. Ce livre aide à faire adopter la notation basée sur l'opérateur del ou nabla, employée de façon générale de nos jours en électrodynamique classique et en mécanique des fluides. Tel que préconisé par Gibbs, les quaternions de Hamilton sont abandonnées par la plupart des physiciens.

Gibbs applique ses méthodes vectorielles aussi à la détermination des orbites des planètes et des comètes. Il propose en plus la notion des triades mutuellement réciproques des vecteurs, notion d'une grande importance éventuelle dans la cristallographie. Dans une autre domaine mathématique, il redécouvre le phénomène de Gibbs dans la théorie des séries de Fourier. (À son insu cependant, ce phénomène avait été découvert une trentaine d'années auparavant par le mathématicien anglais Henry Wilbraham.)

Gibbs fait aussi une contribution importante à la théorie classique de l'électromagnétisme. Il applique les équations de Maxwell à la théorie des processus optiques tels que la biréfringence, la dispersion et l'activité optique. Il démontre que ces processus peuvent être expliqués à l'aide des équations sans faire aucune hypothèse spéciale au sujet de la nature microscopique de la matière. En plus il ne requiert aucune hypothèse au sujet du supposé milieu de propagation des ondes électromagnétiques (dit l'éther luminifère au 19e siècle avant qu'Albert Einstein démontre sa non-existence). Gibbs souligne que l'absence d'onde longitudinale en électromagnétique, condition nécessaire pour expliquer les propriétés observées de la lumière, est en effet garantie par les équations de Maxwell, étant donné leur invariance de jauge (dans le langage de la physique de nos jours).

En chimie physique, il est principalement connu pour ses travaux en thermodynamique, travaux qui lui valent le prix Rumford en 1880, et en physique statistique où sa contribution a été décisive et lui valut la médaille Copley en 1901. Il est élu membre de la National Academy of Sciences (américain) en 1879, et membre étranger de la Royal Society (britannique) le 4 mars 1897.