基本介紹
- 中文名：威廉·湯姆森
- 外文名：William Thomson
- 國籍：英國
- 民族：愛爾蘭
- 出生地：愛爾蘭貝爾法斯特
- 出生日期：1824年6月26日
- 逝世日期：1907年12月17日
- 職業：數學物理學家、工程師
- 畢業院校：劍橋大學
生平簡介,科學成就,趣聞軼事,
生平簡介
1824年6月26日開爾文生於愛爾蘭的貝爾法斯特。他從小聰慧好學，10歲時就進格拉斯哥大學預科學習。17歲時，曾立志：“科學領路到哪裡，就在哪裡攀登不息”。1845年畢業於劍橋大學，在大學學習期間曾獲蘭格勒獎金第二名，史密斯獎金第一名。畢業後他赴巴黎跟隨物理學家和化學家V.勒尼奧從事實驗工作一年，1846年受聘為格拉斯哥大學自然哲學（物理學當時的別名）教授，任職達53年之久。由於裝設第一條大西洋海底電纜有功，英政府於1866年封他為爵士，並於1892年晉升為開爾文勳爵，開爾文這個名字就是從此開始的。1890～1895年任倫敦皇家學會會長。1877年被選為法國科學院院士。1904年任格拉斯哥大學校長，直到1907年12月17日在蘇格蘭的內瑟霍爾逝世為止。
開爾文研究範圍廣泛，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程套用等方面都做出了貢獻。他一生髮表論文多達600餘篇，取得70種發明專利，他在當時科學界享有極高的名望，受到英國本國和歐美各國科學家、科學團體的推崇。他在熱學、電磁學及它們的工程套用方面的研究最為出色。
開爾文是熱力學的主要奠基人之一，在熱力學的發展中作出了一系列的重大貢獻。他根據蓋-呂薩克、卡諾和克拉珀龍的理論於1848年創立了熱力學溫標。他指出：“這個溫標的特點是它完全不依賴於任何特殊物質的物理性質。”這是現代科學上的標準溫標。他是熱力學第二定律的兩個主要奠基人之一（另一個是克勞修斯），1851年他提出熱力學第二定律：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變為有用功而不產生其他影響。”這是公認的熱力學第二定律的標準說法。並且指出，如果此定律不成立，就必須承認可以有一種永動機，它藉助於使海水或土壤冷卻而無限制地得到機械功，即所謂的第二種永動機。他從熱力學第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。1852年他與焦耳合作進一步研究氣體的內能，對焦耳氣體自由膨脹實驗作了改進，進行氣體膨脹的多孔塞實驗，發現了焦耳－湯姆孫效應，即氣體經多孔塞絕熱膨脹後所引起的溫度的變化現象。這一發現成為獲得低溫的主要方法之一，廣泛地套用到低溫技術中。1856年他從理論研究上預言了一種新的溫差電效應，即當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。這一現象後叫湯姆孫效應。
在電學方面，湯姆孫以極高明的技巧研究過各種不同類型的問題，從靜電學到瞬變電流。他揭示了傅立葉熱傳導理論和勢理論之間的相似性，討論了法拉第關於電作用傳播的概念，分析了振盪電路及由此產生的交變電流。他的文章影響了麥克斯韋，後者向他請教，希望能和他研究同一課題，並給了他極高的讚譽。
開爾文在電磁學理論和工程套用上研究成果卓著。1848年他發明了電像法，這是計算一定形狀導體電荷分布所產生的靜電場問題的有效方法。他深入研究了萊頓瓶的放電振盪特性，於1853年發表了《萊頓瓶的振盪放電》的論文，推算了振盪的頻率，為電磁振盪理論研究作出了開拓性的貢獻。他曾用數學方法對電磁場的性質作了有益的探討，試圖用數學公式把電力和磁力統一起來。1846年便成功地完成了電力、磁力和電流的“力的活動影像法”，這已經是電磁場理論的雛形了（如果再前進一步，就會深入到電磁波問題）。他曾在日記中寫道：“假使我能把物體對於電磁和電流有關的狀態重新作一番更特殊的考察，我肯定會超出我現在所知道的範圍，不過那當然是以後的事了。”他的偉大之處，在於能把自己的全部研究成果，毫無保留地介紹給了麥克斯韋，並鼓勵麥克斯韋建立電磁現象的統一理論，為麥克斯韋最後完成電磁場理論奠定了基礎。
他十分重視理論聯繫實際。1875年預言了城市將採用電力照明，1879年又提出了遠距離輸電的可能性。他的這些構想以後都得以實現。1881年他對電動機進行了改造，大大提高了電動機的實用價值。在電工儀器方面，他的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密的測量儀器。他發明了鏡式電流計（大大提高了測量靈敏度）、雙臂電橋、虹吸記錄器（可自動記錄電報信號）等等，大大促進了電測量儀器的發展。根據他的建議，1861年英國科學協會設立了一個電學標準委員會，為近代電學量的單位標準奠定了基礎。在工程技術中，1855年他研究了電纜中信號傳播情況，解決了長距離海底電纜通訊的一系列理論和技術問題。經過三次失敗，歷經兩年的多方研究與試驗，終於在1858年協助裝設了第一條大西洋海底電纜，這是開爾文相當出名的一項工作。他善於把教學、科研、工業套用結合在一起，在教學上注意培養學生的實際工作能力。在格拉斯哥大學他組建了英國第一個為學生用的課外實驗室。
湯姆孫還將物理學用到完全不同的領域。他研究過太陽熱能的起源和地球的熱平衡。他的方法可靠而有趣，但只由於他不知道太陽和地球上的能量來自核能，因而不可能得到正確的結論。他試圖用落到太陽上的隕石或用引力收縮來解釋太陽熱能的起源。約在1854年，他估算太陽的"年齡"小於5×10^8年，而這只是我們現在知道的值的十分之一。
從地球表面附近的溫度梯度，湯姆孫試圖推算出地球熱的歷史和年齡。他的估算仍然太低，僅為4×108年，而實際值約為5×109年。地質學家以地質現象的演變為理論根據，很快就發現他的估算是錯誤的。他們不能駁倒湯姆孫的數學，但他們肯定他的假定是錯誤的。同樣，生物學家也發現湯姆孫給出的時間進程與最新的進化論的觀念相悖。這一爭論持續了多年，湯姆孫完全不理解別人的反對意見是正確的。最後，直到放射性和核反應的發現，才證明了湯姆孫假設的前提是完全錯誤的。
流體力學特別是其中的渦旋理論成為湯姆孫最喜愛的學科之一，他受亥姆霍茲工作的啟示，發現了一些有價值的定理。他航行的收穫之一是在1876年發明了適用於鐵船的特殊羅盤，這一發明後來為英國海軍所採用，而且一直用到被現代迴轉羅盤代替為止。湯姆孫的企業生產了許多磁羅盤和水深探測儀，從中大為獲利。
基於他的實踐經驗和理論知識，湯姆孫感到迫切需要統一電學單位，公制的引入使法國革命向前跨了一大步，但是電學測量卻產生了全新的問題。高斯和韋伯奠定了絕對單位制的理論基礎，"絕對"意味著它們與特定的物質或標準無關，僅取決於普適的物理定律。在絕對單位制中如何確定刻度，如何選擇合適的倍數因子使它能方便地套用於工業，如何勸說科技界共同接受這一單位制，所有這一切都是重要並且困難的任務。1861年英國科學協會任命一個委員會開始這項工作，湯姆孫是其中的一員。他們努力工作了許多年，一直到1881年，由湯姆孫和亥姆霍茲起主導作用的在巴黎召開的一次國際代表大會，和1893年，在芝加哥召開的另一次代表大會，才正式接受這一新的單位制，並採用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學單位，從此它們被普遍使用。然而，單位制的問題並未就此解決，後來的一些會議又改變了其中某些標準量的定義，它們的實際值也相應變動了，雖然這種變動是非常小的。
科學成就
開爾文的科學活動是多方面的。他對物理學的主要貢獻在電磁學和熱力學方面。那時電磁學剛剛開始發展。逐步套用於工業而出現了電機工程，開爾文在工程套用上作出了重要的貢獻。熱力學的情況卻是先有工業，而後才有理論。從18世紀到19世紀初，在工業方面已經有了蒸汽機的廣泛套用，然而到19世紀中葉以後，熱力學才發展起來。開爾文是熱力學的主要奠基者之一。
開爾文在科學上的貢獻主要有以下幾個方面：
1.電磁學方面的成就
2.在熱力學方面的成就
開爾文在1848年提出、在1854年修改的絕對熱力學溫標，是現在科學上的標準溫標。1954年國際會議確定這一標準溫標，恰好在100年之後。開爾文是熱力學第二定律的兩個主要奠基人之一（另一人是R.克勞修斯）。他關於第二定律的說法是：“不可能從單一熱源取熱使之完全變為有用的功而不產生其他影響”（1851），是公認的熱力學第二定律的標準說法。開爾文從熱力學第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。
在熱力學方面還應該提兩件事。一件事是開爾文從理論研究上預言一種新的溫差電效應，後來叫做湯姆孫效應，這是當電流在溫度不均勻的導體上通過時導體吸收熱量的效應。另一件事是開爾文和J.P.焦耳合作的多孔塞實驗，研究氣體通過多孔塞後溫度改變的現象，在理論上是為了研究實際氣體與理想氣體的差別，在實用上後來成為製造液態空氣工業的重要方法（見焦耳-湯姆孫效應）。
3.裝設大西洋海底電纜
裝設大西洋海底電纜是開爾文最出名的一項工作。當時由於電纜太長，信號減弱很嚴重。1855年開爾文研究電纜中信號傳播的情況，得出了信號傳播速度減慢與電纜長度平方成正比的規律。1851年開始有第一條海底電纜，裝設在英國與法國相隔的海峽中。1856年新成立的大西洋電報公司籌劃裝設橫過大西洋的海底電纜，並委任開爾文負責這項工作。經過兩年的努力，幾經周折，終於安裝成功。除了在工程的設計和製造上花費了很大的力量之外，開爾文的科學研究對此也起了不小的作用。
4.對電工儀表的研究
開爾文為了成功地裝設海底電纜，用了很大的力量來研究電工儀器。例如他發明的鏡式電流計可提高儀器測量的靈敏度。虹吸記錄器可自動記錄電報信號。開爾文在電工儀器上的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密測量的儀器，包括絕對靜電計、開爾文電橋、圈轉電流計等。根據他的建議，1861年英國科學協會設立了一個電學標準委員會，為近代電學單位標準奠定了基礎。
5.創立波動和渦流
開爾文在波動和渦流方面作出了許多理論貢獻。有許多是他在自己的快艇上的觀察中受到啟發的。他進行這方面的研究，包括對彈性固體的研究，目的之一是為了航海事業的發展，另一個目的是發展他對世界萬物的機械觀。企圖通過這方面的研究把電磁現象和光現象的完整理論在牛頓經典力學的骨架上建造起來。因此他很熱心於以太理論，把假想的以太當作一種實際存在的物質加以研究，以求能充分地解釋電磁現象和光現象作為以太的某種運動形式。這種機械觀的失敗使他說出“19世紀烏雲”那樣的話。這是他在1900年一篇名為《遮蓋在熱和光的動力理論上的19世紀烏雲》的演說中講的。他說的“烏雲”有兩片，一片是以太理論的困難，一片是能量均分定理的困難。這兩個困難到20世紀都得到了解決，以太理論的困難是由狹義相對論消除的，能量均分定理的困難是量子論解決的。
他也意識到，以太不過是人的主觀想像。他在1890年說：“我想現在我們必須感覺到，以太、電、有重物三者聯合在一起，不過是我們缺乏知識和能力，不能超越目前物理學的限度去思考的一種結果，而不是自然界的真實。”
6.估算地球的年齡
開爾文從地面散熱的快慢估計出，假如沒有其他熱的來源的話，地球從液態到達現在狀況的時間不能比一億年長。這個時間比地質學家和生物學家的估計短得多。開爾文與地質學家和生物學家為了地球年齡問題有過長期的爭論，地質學家從岩石形成的年代，生物學家從生命發展的歷史，都認為開爾文估計的年限太短，但是又無法駁倒他的理論。後來，到1896年發現了放射性物質，出現了熱的新來源，開爾文的估計不成立了，這問題才解決。
趣聞軼事
1.“第十一條誡律”
開爾文出身於一個由於宗教壓迫而離國逃遷的蘇格蘭誓約派教徒的家族。10歲時喪母。父親是格拉斯哥大學的自然哲學教授。他為他的6個子女，提供了一套旨在保護他們的心靈而磨礪他們智力的教育方式。他所設計的這個教育方式，既有廣度，又有深度。幾乎從嬰兒時期起，孩子們的成長就與思想的廣闊天地結成友誼。他們被地質學和天文學的原理所吸引，而植物則是他們遊玩時的小夥伴。當他們圍坐在桌子四周時，他們驚奇地注視著桌上的玩具地球儀；他們夢想著到地球上最遙遠的地方去遨遊。而後他們的眼睛又轉移到另外一個更大的球體上。這是他們的父親為他們購買的一個天球儀——它講出了天體的史詩，而地球只不過是這個偉大史詩中一個小小的音節而已。
威廉在弟兄中排行最小，但他的想像力卻是最敏捷的。他發現自己完全被這兩個球的故事迷住了。儘管年齡還小，他已決心接受挑戰，把這個故事的神秘弄清楚。當他還只有16歲時，就在日記中寫下了第十一條誡律。正如十誡是宗教對他的良心的召喚一樣，這第十一條誡律則是心智對開爾文理性的召喚：
科學領路到哪裡，就在哪裡攀登不息；
前進吧，去測量大地，衡量空氣，記錄潮汐；
去指示行星在哪一條軌道上奔跑，去糾正老黃曆，叫太陽遵從你的規律。
2.第一所現代實驗室在酒窖里誕生
開爾文的智力成熟得很快。他17歲進入劍橋大學，18歲就寫出了一篇傑出的熱力學方面的論文，還在《劍橋數學學報》上發表了幾篇文章。畢業時，他認識了法國和英國一些第一流物理學家，並對他們提出頗有價值的研究建議。22歲時，他被任命為格拉斯哥大學教授。
大學裡文質彬彬的蘇格蘭同事們，對於開爾文的血氣方剛的那種進取勁頭，頗有點受不了。開爾文剛剛被選拔到很多白髮蒼蒼的對手們求之不得的光榮職位上，就決定在格拉斯哥的物理系來一場革命。他到幾個老前輩那裡，申請撥給他一間房子，以便進行課堂以外的實驗。這種狂妄氣焰是他們前所未聞的。多年以來，節約成癖的蘇格蘭教授們滿足於把實驗統統擠到教室里去進行。這個剛被提升的小伙子竟然要求自己占一間房子，天下哪有這個道理？
然而，他們的好奇心戰勝了他們的反感。“假若你一定要的話，那么你可以把那間地窖拿去，我們把那些酒桶搬走就是了。”
這樣，英國的第一所現代實驗室，就在一個酒窖里誕生了。
3.用塔頂樓作思考的房屋
年輕的湯姆孫的工作勁頭，就像一股龍捲風。他就是他自己提出的動力學理論的化身。他從班級里的90個學生中，挑選了30人。組成了一個志願隊伍，他促使他們飛快地工作。工作成果累積得如此之快，以致他發現他需要更多的空間——“再給我一間作思考的房屋。”
他的同事們又奇怪地看著他了。他們說：“你用那間塔頂樓好了。”
從早到晚，他鑽入深處，爬到高處，進行實驗活動或抽象的構想。晚上，他散步回家——只有50碼之遙—把一個技術專家的身軀和一個哲學家的心靈送進了睡鄉—一個身強力壯的人的休憩。
4.把證明“浸透”到學生心裡
對於學生來說，這位冷熱無常的大教授是很令人興奮的。沒有人知道他下一步會幹什麼。有一天，他的朋友德國科學家亥姆霍茲來到他的實驗室，參觀開爾文進行陀螺儀的實驗。一個厚的金屬圓盤正在快速旋轉。大教授打算證明，圓盤在旋轉中，應該是垂直不動的，從而可以用類比法來說明，地球就其軸心來說，也是垂直不動的。突然間，他抓起一個釘錘，對著圓盤猛擊了一下。金屬圓盤失去平衡，馬上向離心方向飛去，恰巧擊中了衣帽架上懸桂著的亥姆霍茲的帽子，並將帽子砸破了。學生們鬨堂大學。亥姆霍茲無可奈何，只得也隨著大家笑了。開爾文倒是滿天真的，他輕描淡寫地說：“出了點毛病，我會賠你一頂新帽子的。”
他的話從不沉悶。他說：“我取消了上課宣讀發了霉的論文的辦法。”他的課堂和實驗室堆滿了各種各樣的儀器，真是五花八門，樣樣俱全。小配件堆積在桌上，有的吊在天花板上，有的還掛在牆上。至於大件，有一套三件的螺旋彈簧振盪器；一座30英尺長的擺鐘，擺的尾巴上還懸掛著一個12磅重的炮彈；一部怪樣子的機器，裡面裝著許多的彈子球，球不斷地向各個方向滾動，藉以揭示星雲的動力學運動；此外還有成堆的陀螺儀。他把一個陀螺儀放在另一個陀螺儀上面旋轉，藉以研究行星的運動。他把這些陀螺儀用各種方式放到一起，扭來扭去。在課堂的一角，從天花板上吊下一件看上去平凡無奇的裝置——一個覆蓋著橡皮薄膜的金屬圈，是用來揭示露滴的性質的。有一天，他叫人弄了水來，把水澆在金屬圈上，使橡皮往下垂脹。加上更多的水。最後橡皮破裂，“像一個負載過重的露滴。”水一直潑到了教室前排學生的頭上。教授笑了，“我向來喜歡把我的證明浸透到你們的心裡去。”
5.“每個困難一定有解決的辦法”
開爾文的思想很豐富，數學能力很強，在物理學的各個方面都開闢了許多新的道路。他在當時科學界享有極高的名望，受到英國本國和歐美各國科學家的推崇。他的科學觀點可以引用1800年5月他在倫敦皇家研究所關於大氣電學的講演中對現象與本質問題的話來說明：
“常常提出這樣的問題，人們是否只管事實和現象，而放棄追究隱藏在現象後面的物質的最終性質呢？這是一個必然由純正哲學者回答的問題，它不屬於自然哲學的範圍。但是近許多年來世界上看到從這個屋子的實驗結果中所發生的，在實驗科學史上未曾有過的一連串的令人驚奇的發現。這些發現必然把人們的知識引導到這樣一個階段，將使無生物世界的規律表現出每一現象基本上與所有全體現象相連，而無窮無盡的多樣化的運用規律所達到的統一性將被認為是創造性智慧的產物。”
這一段話表達了開爾文的理想，他想像一個完善的統一的理論，能把世界的現象包羅無遺。他的意志是堅強的。他在1904年出版的《巴爾的摩講演集》的序言上關於如何對待困難有這幾句話：
“我們都感到，對困難必須正視，不能迴避；應當把它放在心裡，希望能夠解決它。無論如何，每個困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒有能找到。”
開爾文終生不懈地致力於科學事業，他不怕失敗，永遠保持著樂觀的戰鬥精神。1896年，在紀念他在格拉斯哥大學任教50年的會上，他說過：“我在過去55年裡所極力追求的科學進展，可以有‘失敗'這個詞來標誌。我現在不比50年以前當我開始擔任教授時知道更多關於電和磁的力，或者關於以太、電與有重物之間的關係，或者關於化學親合的性質。在失敗中必有一些悲傷；但是在科學的追求中，本身包含的必要努力帶來很多愉快的鬥爭，這就使科學家避免了苦悶，而或許還會使他在日常工作中相當快樂。”開爾文的這段話，可以說是對自己的科學生涯的總結。
6.“開爾文勳爵，研究生”
他更老了。他抱怨光陰流逝得太快。“一秒鐘是太短促了，我們需要長一些的時間量度。”每天，他口授幾個小時，身旁有兩名秘書，一左一右。兩名秘書各自記錄他分別口授的東西，題目各不相同。
而現在，他已經快走到生命之路的盡頭了。用畢生時間搞出來的學說和發明，眼看就要被更新的一些學說和發明擠進陰暗的角落裡。威廉·倫琴、亨利·貝克勒耳以及瑪麗·居里等人，他們為將來開闢了多么豐富的研究園地！在科學的世界觀方面，他們又進行了一場什麼樣的革命！比起他們來，他又顯得多么渺小和不足！在他擔任格拉斯哥大學教授五十周年紀念日時，他有點自嘲地笑了。
任職五十周年慶祝後又過了三年，他辭去了格拉斯哥大學教授的職務。董事會希望他不要退休，繼續工作。但是他搖搖頭。“請不必感情用事吧，我已經沒有什麼用處了。”
他最後一次看到了他的學生們。“我最近相信，當一個人老了的時候，他在家內爐邊最欣賞的，就是那些把他帶回到大學生活時代的照片……使你們的生活充滿光明和純潔的那些照片……”就這樣，他離開了他的教授崗位，可是並沒有離開格拉斯哥大學。只要一息尚存，他無法割斷他同格拉斯哥的紐帶。1899年，當學年開始時，這位76歲的年邁學者，同大學本科生一道，走進註冊室，也報了名：“開爾文勳爵，研究生。”他終於懂得，他不能再教了；從現在起，他只是學。
7.預言20世紀初物理學的兩朵烏雲
1900年4月27日，是特別的一天。英國的倫敦市，是特別的城市。阿爾伯馬爾街，是一個特別的地方。此時此刻歐洲著名科學家正匯聚一堂。此時這裡正舉行一場世紀之交的物理學報告會。在雷動的掌聲中，白髮蒼蒼、已是76歲高齡的德高望重的開爾文勳爵走上了講台，發表了開幕祝詞——《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》的演講，他在回顧物理學所取得的偉大成就時說，物理大廈已經落成，所剩的只是一些修飾工作．同時，他在展望20世紀物理學前景時講道：“動力學理論斷言，熱和光都是運動的形式。但是現在這一理論的優美性和明晰性卻被兩朵烏雲遮蔽而顯得黯然失色，第一朵烏雲出現在黑體輻射實驗和理論的不一致（光的波動理論爭議上），第二朵烏雲出現在關於能量均分的麥克斯韋一玻爾茲曼理論上（發現光速不隨運動參考系而變）。”……
物理學後來發展的歷史表明，正是19世紀初的這兩朵小小的烏雲，釀成了一場大風暴。
第一朵烏雲導致量子力學的爆發。
第二朵烏雲導致相對論的爆發。
