Biografi dan Pemikiran Filsafat

Josiah Gibbs, seorang fisikawan teoretis, lahir dan meninggal di New Haven, Connecticut, dan, selain beberapa tahun belajar fisika di Eropa, menghabiskan karir akademisnya di Yale.

Dia adalah salah satu dari sedikit fisikawan teoretis Amerika terkemuka sebelum abad kedua puluh.

Gibbs membuat kemajuan dalam analisis vektor, dan dia membuat kontribusi besar untuk termodinamika termasuk metode diagram yang mendalam, bekerja pada keseimbangan dan stabilitas, definisi energi bebas, dan aturan fase yang terkenal tentang fase koeksistensi suatu zat.

Dalam kontribusi penting untuk termodinamika Gibbs memperluas teori ini untuk berurusan dengan aturan yang menggambarkan bagaimana interaksi kimia harus diintegrasikan dengan proses termodinamika lainnya.

Dia adalah penemu gagasan potensi kimia, konsep kunci termodinamika kimia.

Bagi para filsuf, karya Gibbs dalam mekanika statistik sangat menarik.

Karya ini tertuang dalam Elementary Principles in Statistical Mechanics (1902) yang elegan.

James Clerk Maxwell dan Ludwig Boltzmann sebelumnya telah mengembangkan metode untuk menghitung nilai-nilai kesetimbangan dengan mengambil mereka untuk menjadi rata-rata atas fungsi dari fase mikroskopis sistem menggunakan distribusi probabilitas waktu invarian atas subruang energi konstan dari ruang fase sistem.

Teknik ini muncul kembali di Gibbs dalam bentuk “ansambel mikrokanonik” miliknya.

Tapi Gibbs juga memperkenalkan ansambel lain.

Yang paling penting dari ini adalah ansambel kanonik yang memperkenalkan distribusi probabilitas invarian waktu di atas ruang fase yang memungkinkan untuk energi yang berbeda.

Untuk sistem dengan sejumlah besar derajat kebebasan (misalnya, sejumlah besar molekul dalam gas), distribusi probabilitas ini sangat terkonsentrasi pada satu energi spesifik.

Dalam kasus ini, rata-rata yang dihitung menggunakan distribusi kanonik dan yang dihitung menggunakan distribusi mikrokanonik akan konvergen dalam batas jumlah derajat kebebasan tak terhingga.

Karena perhitungan yang dilakukan menggunakan ansambel kanonik jauh lebih mudah daripada yang menggunakan mikrokanonik, sebagian besar mekanika statistik praktis dilakukan dalam kerangka ansambel kanonik Gibbs.

Gibbs juga mengembangkan ansambel kanonik agung yang penggunaannya menjadi perlu ketika perubahan kimia merupakan bagian dari proses termodinamika.

Dengan menunjukkan bagaimana ansambel ini dan fitur-fiturnya bervariasi karena batasan pada sistem bervariasi, Gibbs mampu menunjukkan “analogi” antara fitur ansambel dan rata-rata fitur yang dihitung dengan distribusi probabilitasnya dan kuantitas termodinamika standar seperti suhu dan entropi .

Dia berhati-hati dalam membuat “identifikasi” eksplisit apa pun dari yang terakhir dengan yang pertama, mungkin sebagian karena kesulitan yang diketahui yang dihadapi oleh penalaran statistik-kinetik standar pada saat itu dalam memprediksi jumlah seperti kalor spesifik dengan benar.

Dengan asosiasi besaran mekanika termodinamika dan statistik, mudah untuk memahami ansambel mikrokanonik yang sesuai untuk sistem yang diisolasi secara energetik dari bagian dunia lainnya, dan kanonik yang sesuai untuk sistem dalam kontak termal sempurna dengan penangas panas tak terbatas suhu konstan.

Perlakuan Gibbs tentang nonequilibrium adalah sumber dari satu pendekatan standar untuk masalah itu, tetapi tetap kontroversial sampai hari ini.

Ansambel Gibbs dapat dianggap sebagai kumpulan besar sistem yang disiapkan secara identik pada tingkat makroskopik.

Temukan ansambel untuk kumpulan sistem semacam itu; sekarang, ubah batasan pada sistem (misalnya dengan menghapus partisi dalam kotak gas): Bagaimana ansambel, yang sesuai untuk kesetimbangan sebelum perubahan batasan, berkembang? Akankah ia berkembang menjadi ansambel yang sesuai untuk keseimbangan dalam kondisi kendala baru? Inilah yang paling diinginkan karena orang ingin menunjukkan bahwa, dalam arti tertentu, sistem dalam ansambel di kemudian hari akan ditemukan, secara umum, semakin mendekati kondisi keseimbangan.

Tapi terbukti ansambel Gibbs tidak bisa begitu berkembang (Teorema Liouville).

Namun, menurut Gibbs, ansambel dapat berkembang sedemikian rupa untuk mendekati ansambel keseimbangan baru dalam arti “butir kasar”.

Dia menggunakan analogi gelas yang sebagian besar diisi air tetapi sebagian diisi dengan tinta hitam yang tidak larut.

Jika dilihat lebih dekat, cairan selalu terdiri dari air murni atau tinta murni, karena tinta tidak larut.

Tapi melihat “kasar,” cairan mendekati warna abu-abu seragam.

Gibbs tidak dapat menunjukkan bahwa “pencampuran” seperti itu benar-benar akan terjadi, tetapi perluasan teori ergodik modern telah mampu membuktikan teorema pencampuran yang berlaku dalam kondisi fisik tertentu.

Dan sistem ideal (seperti molekul seperti “bola keras dalam kotak”) telah terbukti bercampur.

Tetap kontroversial, bagaimanapun, apakah model ensemble yang berkembang dalam arti kasar ini adalah yang tepat untuk mengkarakterisasi pendekatan yang sebenarnya untuk keseimbangan sistem nonequilibrium.

Gibbs sadar bahwa “pencampuran” seharusnya menjadi fitur simetris waktu dari ansambelnya, mengingat hal itu didorong oleh dinamika dasar molekul yang simetris waktu.

Tapi menerapkan pencampuran di masa lalu arah waktu akan memimpin, salah, untuk memprediksi perilaku antitermodinamika untuk sistem.

Solusinya adalah dengan berargumen bahwa seseorang harus menerapkan kesimpulan statistik hanya ke masa depan yang tidak diketahui, dan menerapkannya untuk menyimpulkan masa lalu yang sudah diketahui adalah tidak sah.

Paul dan Tatiana Ehrenfest, dalam survei penting mereka pada tahun 1910 tentang mekanika statistik, menyebut argumen Gibbs “tidak dapat dipahami.” Tapi kemudian diambil dan dikembangkan oleh Satosi Watanabe dan Erwin Schrödinger.

Ini juga tetap menjadi subjek kontroversi kontemporer dalam diskusi tentang hubungan antara asimetri intuitif waktu dan fitur entropis dunia.