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BIOGRAFIAS DE GRANDES CIENTISTAS
Willard Gibbs Josias. Biografia de um cientista
Diretório / Biografias de grandes cientistas
O mistério de Gibbs não é se ele era um gênio incompreendido ou não apreciado. O enigma de Gibbs está em outro lugar: como aconteceu que a América pragmática, nos anos do reinado da praticidade, produziu um grande teórico? Antes dele, não havia um único teórico na América. No entanto, como quase não houve teóricos depois. A grande maioria dos cientistas americanos são experimentadores. Josiah Willard Gibbs nasceu em 11 de fevereiro de 1839 em New Haven, Connecticut, filho de um professor da Universidade de Yale. Por seis gerações, sua família foi famosa na Nova Inglaterra por sua bolsa de estudos. Um de seus ancestrais foi o presidente da Universidade de Harvard, outro foi o secretário da colônia de Massachusetts e o primeiro presidente da Universidade de Princeton. O pai de Gibbs era considerado um teólogo notável. Quando Gibbs tinha dez anos, começou a estudar em uma pequena escola particular em New Haven, localizada no mesmo quarteirão de sua casa. Ele cresceu como um menino quieto e tímido, sempre seguindo os outros, nunca sendo um líder, mas nunca se afastou. Em 1854, o jovem ingressou na Universidade de Yale e, em 1858, Gibbs recebeu o diploma de bacharel. Naqueles anos, uma escola científica estava sendo criada em Sheffield. Em 1847, uma escola de pós-graduação foi aberta com ela. Mas não foi até 1861 que esta escola adquiriu o direito de conceder o grau de doutor em física. Gibbs estava destinado a se tornar o maior teórico da ciência dos Estados Unidos, mas seu treinamento seguiu as linhas da praticidade americana. Em 1863, ele foi o primeiro na América a receber um doutorado em física por seu trabalho em engenharia mecânica. A dissertação intitulava-se "Sobre a forma dos dentes da embraiagem da engrenagem". Ele imediatamente conseguiu um cargo de professor na faculdade por três anos. O pai de Gibbs morreu em 1861, deixando os filhos $ 23. Assim, Gibbs poderia viver com uma pequena renda. Enquanto ensinava, Gibbs não parou de fazer sua coisa favorita - mecânica. Ele escreveu vários artigos sobre turbinas a vapor e inventou um freio ferroviário que funciona sob a influência da inércia do trem. Quando seu mandato em Yale terminou em 1866, Gibbs foi para o exterior com suas duas irmãs. Foi um divisor de águas em sua carreira. Na Europa, ele recebeu uma educação profunda, que se tornou uma base sólida para o trabalho mais importante de sua vida. Inicialmente estudou na Sorbonne e no College de France. Durante dezesseis horas por semana, Gibbs ouvia palestras e estudava com físicos e matemáticos como Duhamel e Louville. Aqui Gibbs leu pela primeira vez as obras de Laplace, Poisson, Lagrange e Cauchy. No ano seguinte foi para Berlim, onde estudou com Kundt e Weierstrass. Depois de passar um ano em Berlim, mudou-se para Heidelberg, onde lecionaram cientistas eminentes como Kirchhoff, Cantor, Bunsen e Helmholtz, com quem aprendeu ainda mais sobre física teórica. Retornando à América em 1869, instalou-se na casa de seu pai em New Haven com sua irmã, que havia se casado durante uma viagem ao exterior. Em 13 de julho de 1871, o Boletim da Universidade de Yale anunciou que "o Sr. Josiah Willard Gibbs foi nomeado Professor de Matemática e Física, sem salário, no Departamento de Filosofia e Belas Artes". Este púlpito foi o primeiro na América. Somente porque aqueles ao seu redor conheciam bem as capacidades de Gibbs e acreditavam em seu grande futuro, a Universidade de Yale achou possível nomeá-lo para esse cargo. Depois de se tornar professor, ele leu mecânica, óptica ondulatória, análise vetorial, teoria da eletricidade e magnetismo. Em 1873, seus primeiros trabalhos termodinâmicos "Métodos Gráficos na Termodinâmica de Líquidos" e "Método de Representação Geométrica das Propriedades Termodinâmicas de Substâncias Usando Superfícies". Em um grande estudo "Sobre o equilíbrio de sistemas heterogêneos", publicado em 1875-1878, Gibbs desenvolveu e aplicou amplamente seus ensinamentos. Isaac Newton uma vez expandiu o conceito de equilíbrio para incluir o movimento. Sua descoberta produziu uma das maiores revoluções intelectuais da história. O trabalho de Gibbs não é menos importante. Ele expandiu o conceito de equilíbrio para incluir uma mudança no estado da matéria. Gelo vira água, água vira vapor, vapor vira oxigênio e hidrogênio. O hidrogênio combina-se com o nitrogênio para formar amônia. Qualquer processo na natureza é um processo de mudança; as leis de tais mudanças foram descobertas por Gibbs. Assim como Newton descobriu as leis da mecânica, Gibbs criou as leis da físico-química, que se tornaram a corrente principal da ciência química. Gibbs tinha que encontrar uma unidade de medida para o estado de uma substância, que mostrasse se essa substância sofreria algum tipo de transformação ou permaneceria a mesma. A chave para a descoberta de Gibbs foi a velocidade da partícula, que é proporcional à sua energia. A ciência que estuda a energia térmica é chamada de termodinâmica. Gibbs escreveu: "As leis da termodinâmica... expressam... o comportamento de sistemas que consistem em um grande número de partículas". A água aquecida a um volume constante perde uma certa quantidade de calor, que entra na estrutura interna da molécula. A amônia líquida durante a mesma transformação, transformando-se em amônia gasosa, também perde uma certa quantidade de calor. Essa propriedade de absorção interna de calor é chamada de entropia. A mudança quantitativa na entropia em cada reação é de grande importância. A mudança na entropia que ocorre quando os líquidos fervem a volume constante é igual ao calor de vaporização dividido pelo ponto de ebulição. As variações de entropia em cada reação podem ser encontradas por uma simples operação aritmética: o número de calorias necessárias para que a reação ocorra é dividido pela temperatura em graus em que a reação ocorre. Gibbs introduziu a palavra "entropia" como um termo em termodinâmica. Nestes dois exemplos, apenas um componente (água no primeiro caso e amônia no outro) mudou de fase de líquido para gás. Gibbs estendeu esse entendimento para incluir vários componentes para que misturas de líquidos e misturas de sólidos pudessem ser consideradas. Quando ele expandiu ainda mais sua teoria para incluir componentes que se combinam, ele finalmente descobriu uma equação que descreve as reações químicas e seu equilíbrio. Para esses sistemas, Gibbs identificou novas quantidades associadas à entropia que lhe permitiram prever antecipadamente se uma reação química ou transformação física ocorreria ou não e, em caso afirmativo, por quanto tempo a reação continuaria. Ele chamou essas quantidades de potenciais químicos. Assim como a entropia, os potenciais químicos são uma propriedade física da matéria. O resultado desses estudos foi a famosa regra de fase de Gibbs. Ele o esboçou em apenas quatro páginas sem dar nenhum exemplo específico. Nos cinquenta anos seguintes, os cientistas escreveram muitos livros e monografias sobre a regra de fase de Gibbs, descrevendo-a em relação à mineralogia, petrografia, fisiologia, metalurgia e todas as outras áreas da ciência. A regra estabeleceu as condições que devem ser observadas para que certos compostos estejam em estado de equilíbrio em várias fases: nos estados líquido, sólido e gasoso. Logo foi reconhecida como a equação linear mais importante da história da ciência. Dentro de cinquenta anos da descoberta de Gibbs, a química havia penetrado em todos os principais ramos da indústria mundial. Graças aos resultados do trabalho de Gibbs, a siderurgia tornou-se um processo químico, assim como assar pão, fazer cimento, extrair sal, produzir combustíveis líquidos, papel, filamento de tungstênio para lâmpadas, roupas e centenas de milhares de outros itens. O trabalho de Gibbs também foi usado para explicar a ação dos vulcões, os processos fisiológicos que ocorrem no sangue, a ação eletrolítica das baterias e a produção de fertilizantes químicos. Nos cinquenta anos desde a morte de Gibbs, quatro Prêmios Nobel foram concedidos a trabalhos baseados em seus escritos. Pouco depois de completar seu estudo clássico na primavera de 1879, Gibbs foi eleito membro da Academia Nacional dos EUA, em 1880 membro da Academia Americana de Artes e Ciências em Boston. A fama científica de Gibbs cresceu rapidamente após a publicação de seu trabalho termodinâmico. Ele é eleito membro de muitas academias e sociedades científicas estrangeiras, recebe prêmios científicos. Além da termodinâmica, Gibbs fez contribuições valiosas para a álgebra vetorial. Na natureza, existem muitas grandezas que precisam ser caracterizadas não apenas quantitativamente, mas também em direção. A álgebra vetorial de Gibbs simplificou o manuseio do espaço. O vetor de Gibbs generalizado tornou-se ao longo do tempo uma poderosa ferramenta da ciência, que nasceu quando Gibbs já estava em idade avançada, e permaneceu desconhecida para ele - a teoria da relatividade. Em seus primeiros estudos de equilíbrio, Gibbs partiu da suposição de que a matéria é uma massa contínua. Mais tarde, ele percebeu que a matéria é composta de pequenas partículas em movimento. Ele revisou sua termodinâmica para refletir essa descoberta, dissecando fenômenos termodinâmicos em uma base estatística. A mecânica newtoniana tornou-se a mecânica estatística. Em 1902, o trabalho fundamental de Gibbs, Fundamentals of Statistical Mechanics, foi publicado. Com base em suposições completamente independentes, Gibbs, usando a mecânica estatística, descobriu um novo significado para entropia e outras quantidades relacionadas que pareciam tão poderosas à primeira aproximação. Com base na segunda lei clássica da termodinâmica, os contemporâneos de Gibbs previram o "fim do mundo" quando a entropia do Universo se aproximasse de seu máximo, ou seja, ultrapassaria os limites a partir dos quais seria impossível converter energia em formas utilizáveis. Este estado tem sido chamado de "morte por calor". Sua descrição aterrorizante foi dada pelo famoso escritor de ficção científica HG Wells no romance "A Máquina do Tempo". A mecânica estatística de Gibbs mostrou que tal resultado não é de forma alguma inevitável. Descobriu-se que os cientistas subestimaram significativamente as chances de "resgate". Newton não sabia nada sobre a estrutura dos planetas e estrelas. Suas equações de movimento planetário não dependiam de sua natureza e estavam perfeitamente corretas dentro da mecânica newtoniana. Gibbs e seus contemporâneos não sabiam nada sobre a estrutura da molécula. O próprio Gibbs entendeu isso. Ele escreveu: "Aquele que baseia seu trabalho em uma hipótese relativa à estrutura da matéria, ergue um edifício na areia". Como Newton, Gibbs tinha o dom da providência, e sua mecânica estatística sobreviveu a todas as descobertas subsequentes em física atômica e nuclear. Gibbs abordou as verdades básicas da natureza tão perto quanto apenas os maiores cientistas haviam feito antes dele. O trabalho de Gibbs é difícil de ler e entender. Ele fez vários esboços preliminares, depois desenvolveu seus estudos em sua mente até atingirem a perfeição completa. Quando começou a colocar suas teorias no papel, omitiu as etapas intermediárias no curso de seu raciocínio, pois parecia-lhe que elas não importavam mais. O trabalho de Gibbs encontrou ampla compreensão e aplicação apenas dez a vinte anos depois. Na história de três séculos da ciência moderna, não se pode contar mais do que uma dúzia de ideias da mesma importância e profundidade que a teoria do equilíbrio de Gibbs. E em cada caso, levou pelo menos duas décadas para que essas novas ideias fossem aceitas em sua totalidade. Os colegas de Gibbs em Yale provavelmente não entendiam o significado de seu trabalho, mas certamente sabiam que ele era um gênio. Gibbs era um homem esbelto de estatura mediana, calmo e confiante, com um rosto típico ianque. Uma barba bem cuidada, que ele usava à moda da época, dava-lhe respeitabilidade. Sua voz era fina, ele falou em um padrão educado. Sobre ele, um homem de mente rápida, com uma propensão à ironia sutil, as crianças lembravam apenas como um gentil e gentil tio Will. Seus olhos brilhantes eram penetrantes e afiados. Ele sabia como carregar bobagens ridículas, começar brincadeiras e brincadeiras engraçadas e realmente não se esforçava para novos conhecidos. “Eu precisava de conselhos e sabia que ele poderia me ajudar não apenas porque era um grande cientista, mas também porque sentia nele uma pessoa gentil e sensível”, seus sobrinhos, sobrinhas, amigos e alunos. Gibbs era uma daquelas pessoas cuja modéstia pode ser chamada de paixão. Durante sua vida recebeu dezenove prêmios e diplomas honorários, incluindo o principal prêmio internacional por realizações científicas. Mas mesmo seus amigos mais próximos não sabiam completamente de seus sucessos até lerem o obituário nos jornais. Com base no trabalho de Gibbs, James Maxwell encomendou um modelo de gesso tridimensional das curvas de Gibbs e o enviou a ele como presente. Era difícil pensar em um sinal melhor da admiração de um grande cientista por outro. Alunos que conheciam bem a origem do modelo perguntaram-lhe um dia: - Quem lhe enviou este modelo? Ele respondeu brevemente: - Um amigo. - E quem é esse amigo? - Um inglês. Há muito tempo é um mistério como Maxwell, no auge de sua fama, teve tempo e discernimento para desenterrar os artigos de Gibbs que apareceram no obscuro jornal da Academia de Ciências de Connecticut. Mas esse mistério acabou sendo resolvido. Maxwell descobriu o artigo de Gibbs de uma maneira muito simples - ele o recebeu pelo correio. Gibbs, que era constantemente acusado de não estar interessado no feedback de outros cientistas sobre seu trabalho, enviou reimpressões de seus artigos para os cientistas mais famosos. Gibbs compilou uma lista de quinhentos e sete nomes de cientistas que viveram em vinte países. Durante sua vida, ele escreveu vinte monografias e enviou pessoalmente cada uma delas para os cientistas de sua lista que pudessem interessar. O trabalho para Gibbs era a justificativa de toda a sua vida, e ele estava feliz porque sabia o quão grande era seu trabalho. Os últimos anos de sua vida foram ofuscados não apenas pela perda de sua irmã e amigos íntimos, mas também pelo surgimento de novas ideias revolucionárias no campo da física, raios X e elétrons. Ele ainda não sabia como essas descobertas inesperadas poderiam ser compatíveis com seu conceito de universo. Um dia, uma nova descoberta o perturbou tanto que ele disse a seus alunos, balançando a cabeça em perplexidade: "Talvez seja hora de eu ir embora". Ele se sentia cansado, solitário, e o que costumava justificar sua vida parecia ter desaparecido para sempre. Mas Gibbs se preocupou em vão. Ele morreu em 28 de abril de 1903, mas a mecânica quântica não refutou seu trabalho. Max Planck, palestrando sobre física teórica e explicando sua teoria na Universidade de Columbia em 1909, em particular, disse: “O quão profundamente esta proposta (o princípio da entropia crescente) cobre todas as relações físicas e químicas, isso foi melhor e mais apontado por Josiah Willard Gibbs, um dos teóricos mais célebres de todos os tempos, não apenas na América, mas em todo o mundo." Autor: Samin D. K.
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