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BIOGRAFIE DI GRANDI SCIENZIATI
Willard Gibbs Giosia. Biografia di uno scienziato
Elenco / Biografie di grandi scienziati
Il mistero di Gibbs non è se fosse un genio incompreso o non apprezzato. L'enigma di Gibbs è altrove: come è successo che l'America pragmatica, negli anni del regno della praticità, abbia prodotto un grande teorico? Prima di lui, non c'era un solo teorico in America. Tuttavia, poiché dopo non c'erano quasi teorici. La stragrande maggioranza degli scienziati americani sono sperimentatori. Josiah Willard Gibbs nacque l'11 febbraio 1839 a New Haven, nel Connecticut, figlio di un professore della Yale University. Per sei generazioni, la sua famiglia è stata famosa nel New England per la sua borsa di studio. Uno dei suoi antenati era il presidente dell'Università di Harvard, un altro era il segretario della colonia del Massachusetts e il primo presidente dell'Università di Princeton. Il padre di Gibbs era considerato un teologo eccezionale. Quando Gibbs aveva dieci anni, iniziò a studiare in una piccola scuola privata a New Haven, situata nello stesso isolato di casa sua. È cresciuto come un ragazzo tranquillo e timido, seguendo sempre gli altri, non essendo mai un leader, ma non si è mai messo da parte. Nel 1854, il giovane entrò all'Università di Yale e nel 1858 Gibbs si laureò. In quegli anni veniva creata una scuola scientifica a Sheffield. Nel 1847 con lei fu aperta una scuola di specializzazione. Ma fu solo nel 1861 che questa scuola acquisì il diritto di conferire il grado di dottore in fisica. Gibbs era destinato in tempo a diventare il più grande teorico della scienza d'America, ma la sua formazione era in linea con la praticità americana. Nel 1863 fu il primo in America a ricevere un dottorato in fisica per il suo lavoro sull'ingegneria meccanica. La tesi è stata intitolata "Sulla forma dei denti nella frizione del cambio". Ha subito ottenuto un posto di insegnante al college per tre anni. Il padre di Gibbs morì nel 1861, lasciando ai bambini 23 dollari. Pertanto, Gibbs potrebbe vivere con un piccolo reddito. Mentre insegnava, Gibbs non smise di fare la sua cosa preferita: la meccanica. Ha scritto diversi articoli sulle turbine a vapore e ha inventato il freno ferroviario, che funziona sotto l'influenza dell'inerzia del treno. Quando il suo mandato a Yale terminò nel 1866, Gibbs andò all'estero con le sue due sorelle. Fu un punto di svolta nella sua carriera. In Europa ricevette una formazione approfondita, che divenne una solida base per l'opera più importante della sua vita. Dapprima studiò alla Sorbona e al College de France. Per sedici ore alla settimana, Gibbs ascoltava conferenze e studiava con fisici e matematici come Duhamel e Louville. Qui Gibbs lesse per la prima volta le opere di Laplace, Poisson, Lagrange e Cauchy. L'anno successivo andò a Berlino, dove studiò con Kundt e Weierstrass. Dopo aver trascorso un anno a Berlino, si è trasferito a Heidelberg, dove hanno tenuto conferenze eminenti scienziati come Kirchhoff, Cantor, Bunsen e Helmholtz, dai quali ha imparato ancora di più sulla fisica teorica. Ritornato in America nel 1869, si stabilì nella casa paterna a New Haven con la sorella, che si era sposata durante un viaggio all'estero. Il 13 luglio 1871, il Bollettino dell'Università di Yale annunciò che "il signor Josiah Willard Gibbs è stato nominato professore di matematica e fisica, senza stipendio, presso il Dipartimento di Filosofia e Belle Arti". Questo pulpito è stato il primo in America. Solo perché coloro che lo circondavano conoscevano bene le capacità di Gibbs e credevano nel suo grande futuro, l'Università di Yale ha ritenuto possibile nominarlo a questo incarico. Dopo essere diventato professore, ha letto la meccanica, l'ottica delle onde, l'analisi dei vettori, la teoria dell'elettricità e del magnetismo. Nel 1873 apparvero le sue prime opere termodinamiche "Metodi grafici nella termodinamica dei liquidi" e "Metodo di rappresentazione geometrica delle proprietà termodinamiche delle sostanze usando le superfici". In un ampio studio "On the Equilibrium of Heterogeneous Systems", pubblicato nel 1875-1878, Gibbs sviluppò e applicò ampiamente il suo insegnamento. Isaac Newton un tempo ha ampliato il concetto di equilibrio per includere il movimento. La sua scoperta produsse una delle più grandi rivoluzioni intellettuali della storia. Il lavoro di Gibbs non è meno importante. Ha ampliato il concetto di equilibrio per includere un cambiamento nello stato della materia. Il ghiaccio diventa acqua, l'acqua si trasforma in vapore, il vapore si trasforma in ossigeno e idrogeno. L'idrogeno si combina con l'azoto per formare l'ammoniaca. Qualsiasi processo in natura è un processo di cambiamento; le leggi di tali cambiamenti furono scoperte da Gibbs. Proprio come Newton scoprì le leggi della meccanica, Gibbs creò le leggi della chimica fisica, che divennero la corrente principale della scienza chimica. Gibbs doveva trovare un'unità di misura per lo stato della materia, che mostrasse se questa sostanza avrebbe subito una qualche trasformazione o sarebbe rimasta la stessa. La chiave della scoperta di Gibbs era la velocità della particella, che è proporzionale alla sua energia. La scienza che studia l'energia termica si chiama termodinamica. Gibbs ha scritto: "Le leggi della termodinamica ... esprimono ... il comportamento di sistemi costituiti da un gran numero di particelle". L'acqua riscaldata a volume costante perde una certa quantità di calore, che entra nella struttura interna della molecola. L'ammoniaca liquida durante la stessa trasformazione, trasformandosi in ammoniaca gassosa, perde anche una certa quantità di calore. Questa proprietà di assorbimento interno del calore è chiamata entropia. La variazione quantitativa dell'entropia in ciascuna reazione è di grande importanza. La variazione di entropia che si verifica quando i liquidi bollono a volume costante è uguale al calore di vaporizzazione diviso per il punto di ebollizione. Le variazioni di entropia in ciascuna reazione possono essere trovate con una semplice aritmetica: il numero di calorie necessarie affinché la reazione proceda è diviso per la temperatura in gradi a cui si verifica la reazione. Gibbs ha introdotto la parola "entropia" come termine in termodinamica. In questi due esempi, solo un componente (acqua nel primo caso e ammoniaca nell'altro) ha cambiato fase da liquido a gassoso. Gibbs ha esteso questa comprensione per includere diversi componenti in modo da poter considerare miscele di liquidi e miscele di solidi. Quando ha ulteriormente ampliato i confini della sua teoria per includere componenti che si combinano tra loro, ha finalmente scoperto un'equazione che descrive le reazioni chimiche e il loro equilibrio. Per tali sistemi, Gibbs ha identificato nuove quantità associate all'entropia che gli hanno permesso di prevedere in anticipo se si sarebbe verificata o meno una reazione chimica o una trasformazione fisica e, in tal caso, per quanto tempo sarebbe continuata la reazione. Chiamò queste quantità potenziali chimici. Come l'entropia, i potenziali chimici sono una proprietà fisica della materia. Il risultato di questi studi fu la famosa regola della fase di Gibbs. Lo ha delineato in sole quattro pagine senza fornire alcun esempio specifico. Nel corso dei successivi cinquant'anni, gli scienziati hanno scritto molti libri e monografie sulla regola della fase di Gibbs, descrivendola in relazione a mineralogia, petrografia, fisiologia, metallurgia e tutte le altre aree della scienza. La norma stabiliva le condizioni che dovevano essere osservate affinché alcuni composti si trovassero in uno stato di equilibrio in varie fasi: allo stato liquido, solido e gassoso. Fu presto riconosciuta come l'equazione lineare più importante nella storia della scienza. Entro cinquant'anni dalla scoperta di Gibbs, la chimica era penetrata in tutti i principali rami dell'industria mondiale. Grazie ai risultati del lavoro di Gibbs, la produzione dell'acciaio è diventata un processo chimico, così come la cottura del pane, la produzione del cemento, l'estrazione del sale, la produzione di combustibili liquidi, carta, filamenti di tungsteno per lampadine, vestiti e centinaia di migliaia di altri articoli. Il lavoro di Gibbs è stato utilizzato anche per spiegare l'azione dei vulcani, i processi fisiologici che si verificano nel sangue, l'azione elettrolitica delle batterie e la produzione di fertilizzanti chimici. Nei cinquant'anni dalla morte di Gibbs, quattro premi Nobel sono stati assegnati a opere basate sui suoi scritti. Poco dopo aver completato i suoi studi classici nella primavera del 1879, Gibbs fu eletto membro della US National Academy, nel 1880 membro dell'American Academy of Arts and Sciences di Boston. La fama scientifica di Gibbs crebbe rapidamente dopo la pubblicazione del suo lavoro termodinamico. Viene eletto membro di numerose accademie e società scientifiche estere, riceve riconoscimenti scientifici. Oltre alla termodinamica, Gibbs ha dato preziosi contributi all'algebra vettoriale. In natura ci sono molte grandezze che devono essere caratterizzate non solo quantitativamente, ma anche in direzione. L'algebra vettoriale di Gibbs ha semplificato la gestione dello spazio. Il vettore generalizzato di Gibbs è diventato nel tempo un potente strumento di scienza, che è nato quando Gibbs era già in età avanzata e gli è rimasto sconosciuto: la teoria della relatività. Nei suoi primi studi sull'equilibrio, Gibbs parte dall'assunto che la materia sia una massa continua. In seguito si rese conto che la materia è composta da minuscole particelle in movimento. Ha rivisto la sua termodinamica per riflettere questa scoperta, sezionando i fenomeni termodinamici su base statistica. La meccanica newtoniana divenne meccanica statistica. Nel 1902 fu pubblicata l'opera fondamentale di Gibbs, Fundamentals of Statistical Mechanics. Basandosi su ipotesi completamente indipendenti, Gibbs, utilizzando la meccanica statistica, ha scoperto un nuovo significato per l'entropia e altre quantità correlate che sembravano così potenti a prima approssimazione. Sulla base del secondo principio classico della termodinamica, i contemporanei di Gibbs prevedevano la "fine del mondo" quando l'entropia dell'Universo si sarebbe avvicinata al suo massimo, cioè sarebbe andata oltre i limiti oltre i quali sarebbe stato impossibile convertire l'energia in forme utilizzabili. Questo stato è stato chiamato "morte termica". La sua terrificante descrizione è stata data dal famoso scrittore di fantascienza HG Wells nel romanzo "The Time Machine". La meccanica statistica di Gibbs ha mostrato che un tale risultato non è affatto inevitabile. Si è scoperto che gli scienziati hanno significativamente sottovalutato le possibilità di "salvataggio". Newton non sapeva nulla della struttura dei pianeti e delle stelle. Le sue equazioni del moto planetario non dipendevano dalla loro natura ed erano perfettamente corrette all'interno della meccanica newtoniana. Gibbs ei suoi contemporanei non sapevano nulla della struttura della molecola. Lo stesso Gibbs lo ha capito. Scriveva: "Chi basa il suo lavoro su un'ipotesi relativa alla struttura della materia, erige un edificio sulla sabbia". Come Newton, Gibbs aveva il dono della provvidenza e la sua meccanica statistica è sopravvissuta a tutte le successive scoperte della fisica atomica e nucleare. Gibbs si avvicinò alle verità fondamentali della natura quanto solo i più grandi scienziati avevano fatto prima di lui. Il lavoro di Gibbs è difficile da leggere e capire. Fece diversi schizzi preliminari, poi sviluppò nella sua mente i suoi studi fino a raggiungere la completa perfezione. Quando iniziò a mettere su carta le sue teorie, ometteva le fasi intermedie nel corso del suo ragionamento, poiché gli sembrava che non avessero più importanza. Il lavoro di Gibbs ha trovato ampia comprensione e applicazione solo dieci o vent'anni dopo. Nei tre secoli di storia della scienza moderna, non si possono contare più di una dozzina di idee della stessa importanza e profondità della teoria dell'equilibrio dovuta a Gibbs. E in ogni caso, ci sono voluti almeno due decenni perché queste nuove idee fossero accettate nella loro interezza. I colleghi di Gibbs a Yale probabilmente non capivano il significato del suo lavoro, ma sicuramente sapevano che era un genio. Gibbs era un uomo snello di statura media, calmo e sicuro di sé, con una tipica faccia da yankee. Una barba ordinata, che portava alla moda del tempo, gli dava rispettabilità. La sua voce era sottile, parlava in modo educato. Di lui, un uomo dalla mente rapida, con un debole per l'ironia sottile, i bambini ricordavano solo come un gentile e gentile zio Will. I suoi occhi lucenti erano penetranti e acuti. Sapeva come portare a termine ridicole sciocchezze, iniziare giochi divertenti e scherzi e non si sforzava davvero di nuove conoscenze. “Avevo bisogno di un consiglio e sapevo che poteva aiutarmi non solo perché era un grande scienziato, ma anche perché sentivo in lui una persona gentile e sensibile”, i suoi nipoti, nipoti, amici e studenti. Gibbs era una di quelle persone la cui modestia può essere chiamata passione. Durante la sua vita ha ricevuto diciannove premi e diplomi onorari, tra cui il principale premio internazionale per le conquiste scientifiche. Ma anche i suoi amici più cari non conoscevano completamente i suoi successi finché non lessero il necrologio sui giornali. Basandosi sul lavoro di Gibbs, James Maxwell ha ordinato un modello tridimensionale in gesso delle curve di Gibbs e glielo ha inviato come regalo. Era difficile pensare a un segno migliore dell'ammirazione di un grande scienziato per un altro. Gli studenti che conoscevano bene l'origine del modello gli chiesero un giorno: - Chi ti ha mandato questo modello? Ha risposto brevemente: - Un amico. - E chi è questo amico? - Un inglese. È stato a lungo un mistero come Maxwell, all'apice della sua fama, abbia avuto il tempo e l'intuizione di portare alla luce i documenti di Gibbs apparsi nell'oscuro diario dell'Accademia delle scienze del Connecticut. Ma questo mistero alla fine è stato risolto. Maxwell ha scoperto l'articolo di Gibbs in un modo molto semplice: lo ha ricevuto per posta. Gibbs, costantemente accusato di non essere interessato al feedback di altri scienziati sul suo lavoro, inviava ristampe dei suoi articoli agli scienziati più famosi. Gibbs ha compilato un elenco di cinquecentosette nomi di scienziati che hanno vissuto in venti paesi. Durante la sua vita scrisse venti monografie e le inviò personalmente ciascuna a quegli scienziati della sua lista per i quali potevano interessare. Il lavoro per Gibbs è stata la giustificazione di tutta la sua vita, ed era felice perché sapeva quanto fosse bello il suo lavoro. Gli ultimi anni della sua vita furono oscurati non solo dalla perdita della sorella e degli amici intimi, ma anche dall'emergere di nuove idee rivoluzionarie nel campo della fisica, dei raggi X e degli elettroni. Non sapeva ancora come queste scoperte inaspettate potessero essere compatibili con la sua concezione dell'universo. Un giorno, una nuova scoperta lo sconvolse così tanto che disse ai suoi studenti, scuotendo la testa sconcertato: "Forse è ora che me ne vada". Si sentiva stanco, solo, e ciò che giustificava la sua vita sembrava essere scomparso per sempre. Ma Gibbs si preoccupò invano. Morì il 28 aprile 1903, ma la meccanica quantistica non confutò il suo lavoro. Max Planck, tenendo una lezione di fisica teorica e spiegando la sua teoria alla Columbia University nel 1909, in particolare, disse: “Quanto profondamente questa proposta (il principio dell'aumento dell'entropia) copre tutte le relazioni fisiche e chimiche, era migliore e più completa di altre era sottolineato da Josiah Willard Gibbs, uno dei più celebri teorici di tutti i tempi, non solo in America ma in tutto il mondo". Autore: Samin D.K.
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