基本介紹
- 中文名：威廉·湯姆生
- 外文名：William Thomson
- 國籍：英國
- 主要成就：熱力學第一定律
開爾文溫標，焦耳-湯姆生效應 - 性別：男
人物經歷,主要成就,後生可畏,
人物經歷
1824年，威廉·湯姆生出生在英國貝爾發斯特城，父親是皇家學院的數學教授，性情溫和，冶學勤奮；母親是富家女兒，是個典型的賢妻良母。湯姆生的兄弟妹妹比較多，他從小生活在一個和睦而熱鬧的大家庭里，非常快活。由於他長得最漂亮，又很聰明，在兄弟中最受父親寵愛。他也最愛父親。
湯姆生6歲那年，母親不幸去世，父親挑起了照料全家的擔子。這位數學教授是農民出身，年輕的時候靠自學進入大學。他雖然疼愛失去母親的孩子，但是對他們的教育卻很嚴格。在湯姆生和比他2歲的哥哥傑姆都還很小的時候，父親就向他們系統地教授數學了。他還經常在清晨帶孩子們到郊外去散步，一路上提出各種有趣的問題來問他們，培養他們思考的習慣。每當這個時候，孩子們都興奮得像小鳥一樣，嘰嘰喳喳地發表自己的見解。
1832年，湯姆生的父親被母校格拉斯哥大學聘請去教書，全家遷到格拉斯哥城。這座城市位於蘇格蘭腹地，橫跨克萊德河，西臨狹窄的克萊德海灣，是英國北部的第一大港，商業繁榮，造船業比較發達。湯姆生一生的主要活動都是在這裡進行的。所以有的科學史家提到他的時候，都愛把他稱做“格拉斯哥的湯姆生”。
這一年新學期，湯姆生的父親開始講課。新來的教授學問淵博，講述有條不紊，待人親切，很快就博得了學生們的敬仰。沒有多久大家就發現，教授來講課的時候常常帶著兩個漂亮的小男孩，讓他們坐在教室里旁聽。小的那個孩子還背著裝玩具的書包。起初，同學們都以為這兩個小傢伙是來玩的，後來看到他們在認真的記筆記，才大吃一驚。因為這兩個大學旁聽生的年齡實在太小了：傑姆是十歲，湯姆生才八歲！
一所堂堂的高等學府竟準許八歲的兒童當旁聽生，聽起來有些荒唐，但是卻是事實。人才的培養本來就應該不拘一格。我國歷史上不也有甘羅 12歲當宰相的佳話嗎？湯姆生的父親望子成才，也很費了一番苦心。湯姆生從接受啟蒙教育直到中學教育，都是他父親自己編教材，在家裡教的。他在讀大學以前，從來都沒有進過學校。氣宇軒昂的老教授是個天生的教育家，他的最大樂趣就是給孩子們傳授知識，把他們教育成材。湯姆生兄弟也很爭氣，他們在大學非正式地旁聽了兩年，眼界開闊了不少。有一次上實驗課，兄弟兩個對電學實驗發生了濃厚的興趣，回家以後，竟仿製了幾個萊頓瓶和伏打電堆。兩個小實驗家用電堆給萊頓瓶充上電，然後騙小妹妹維莉來摸，結果“啪啦”一聲，把她嚇得大哭一場。
湯姆生十歲的時候，和哥哥一道正式進了格拉斯哥大學預科學習。這大約是當時世界上最小的大學生。同年級的同學大多是農場主的兒子，最大的24歲。這些袴子弟醉心在神學裡，湯姆生卻在數學、物理學和天文學方面努力學習。湯姆生15歲那年，獲得了學校的物理學獎；16歲獲得了天文學獎，同時還因為寫了一篇出色的論文《地球的圖形》，得到大學的金質獎章。
1840年春天，湯姆生的父親帶著全家去歐洲大陸旅行。他們渡過多佛爾海峽，順著萊茵河南下，旅遊的區域主要在德國境裡。父親選取這條路線，主要是想讓孩子們練習德語會話。為了避免分散精力，他事先規定誰也不準攜帶書籍。這年年初，湯姆生的指導教授，向他介紹了法國數學大師傅立葉（1789～1857）關於熱的數學分析的一本著作，要他學習。湯姆生動身以前，聽說愛丁堡大學的凱倫特教授非難這部著作。他瞞過父親，把書悄悄地藏在皮包里，旅途中一有機會就偷偷地讀幾頁。他們在法蘭克福作客的那些日子，湯姆生每天都躲進地窖里研究傅立葉的理論，終於發現是凱倫特教授自己搞錯了。於是，他寫了一篇反駁的論文。旅行結束以後，他把論文寄給凱倫特教授。凱倫特對這個16歲少年的挑戰，最初只是付諸一笑，但是當他讀完全文以後卻完全折服了。第二年，這篇論文發表在劍橋大學的數學雜誌上，雖然用的是筆名，但是不久，大學生們就都知道作者是誰了，湯姆生頓時名揚全校。
在以後的幾年裡，湯姆生髮表了一連串的科學論文，內容涉及數學、熱力學和電學。17歲那年，他把電力線和磁力線同熱力線加以類比；18歲，接觸到了熱傳播不可逆性 （就是總是從高溫物體傳到低溫物體，不能反向傳遞）。在研究這些問題的時候，他嫻熟地運用了很多新的數學定理。劍橋大學的數學家霍普金斯（1793～1866），曾經擔任他的指導教授，使他得益不小。這一切都表明，他有可能成為一個傑出的數學物理學家。遺憾的是、他成名太早，反而影響他刻苦鑽研。他一生中的某些不足在這個時候已經露頭。他撰寫論文很少參考別人的著作，寫起來也是龍飛鳳舞，一揮而就。據說他習慣用鉛筆寫作，而且常常寫在零亂的紙上就送去付印。
1845年1月，20歲的湯姆生通過了緊張的畢業考試。事前，父親和老師們對他都寄予很大的希望。父親確信他能夠穩拿第一名，一個主考教授甚至對他的同事說，他們都不配改湯姆生的卷子。可是考試揭曉，湯姆生只得了第二名。直到第二次史密斯獎考試的時候，他才奪得了桂冠。
主要成就
走在真理的邊緣
1846年11月1日，湯姆生正式擔任教授的職務。他還是悉心研究電學，而且很有進展。法拉第那年從劍橋大學回去以後，做了大量實驗，研究光的極化，當年就取得突破。這位實驗大師發現：通過玻璃的一束偏振光，它的振動面在磁場作用下會發生偏轉。這就是有名的磁致旋光效應。法拉第曾經喜悅地寫著：“這樣一來，磁力和光有相互關係就得到證明了！”訊息傳來，湯姆生很受鼓舞。在法拉第實驗的啟發下，湯姆生進行了反覆的研究，他用數學方法進行分析，對電磁力的性質作了有益的探討，還試圖用數學公式把電力和磁力統一起來。這確實是一個天才的思想。
湯姆生把研究成果寫成了一篇論文。那時，他當教授才半個多月。論文完成的時間，是1846年11月28日。湯姆生在當天的日記里寫下了這樣的話：
“上午十點一刻，我終於成功地用‘力的活動影像法’來表示電力、磁力和電流了。”
實際上，他已經走到了電磁理論的邊緣，只要再向前邁進一步，就能夠發現真理。遺憾的是，湯姆生就在這裡停步了。他也許朦朧地感覺到了曙光在前，但是卻缺少那種鍥而不捨的精神。他在筆記里匆匆寫下這么一行字：
促使我能夠把固體對電磁和電流有關係的狀態重新做一番更特殊的考察，我就會超出現在所知道的範圍，不過那是以後的事了。
可惜他後來再也沒有做這方面的工作。因此，建立電磁理論的桂冠，就只好讓麥克斯韋來戴了。當然，湯姆生的功績也不可否認：第一，是他作了開拓性的工作；第二，是他把自己的思想毫無保留地告訴了麥克斯韋。這是湯姆生很偉大的地方。
湯姆生沒有能夠把電磁理論的研究進行到底，客觀上還有個原因，就是他沒有能夠及時得到法拉第的指導，1847年夏天，湯姆生曾經把自己的論文抄寄給法拉第。他在信里是這樣寫的：
親愛的法拉第先生：
以前，我向你提到過一個問題，那就是用解釋彈性體中“應力”分布的方法來解釋電力和磁力之間相同的情況。現在我寫了一篇論文，只從數學上論述了電力和磁力相同的地方。還不敢說這就是關於電力和磁力分布的理論。假如夠得上稱做理論，它也只是說明了電力和磁力之間存在著必然的聯繫，說明了吸鐵石或者有電流通過的導體，都會產生絕對靜止的磁性現象。如果這個理論能夠成立，把它同光的波動理論聯繫起來，就完全可以解釋磁性使先發生極化現象的效應了。
論文隨信附上。
信中的精闢見解，在今天看來也是令人驚嘆的。因為當時除了法拉第以外，還沒有第二個人把電磁現象和光波聯繫起來。可惜的是，湯姆生沒有得到法拉第的回信，在關鍵時刻沒有得到寶貴的指導。
正當湯姆生在電磁理論的邊緣徘徊的時候，他遇到了焦耳。跟這位大物理學家結識以後，他的興趣被引上了另一條道路——熱力學的研究。一位英國傳記作家在《湯姆生傳》中饒有風趣地寫著：
說來也怪有趣的，湯姆生在年輕的時候就碰到了兩個大名鼎鼎的實驗家：法拉第和焦耳，可是後來只同其中的一個成了要好的朋友傳記里說的“其中的一個”，指的就是焦耳。
湯姆生和焦耳的相遇，是很富有戲劇性的。1845年在劍橋大學舉行的英國科學協會的會議，焦耳也參加了。他在會上還作了關於熱功當量的報告。但是那次開會，湯姆生沒有能夠同他結識。焦耳在1841年發現了電流通過導體發熱的定律，1843年又通過實驗測定了熱功當量，為建立能量轉換和守恆定律提供了重要的實驗根據，這在物理學上是個了不起的發現。但是，當時人們抱著成見，還不理解焦耳工作的意義，皇家學會也拒絕發表他的論文。
1847年，在牛津大學召開的英國科學協會的會上，焦耳再次宣講自己的理論。這位不屈不撓的實驗家，面對懷疑和非難，堅定地聲稱各種形式的能都可以定量地互相轉化，比如機械能可以定量地轉化為熱能。當時，著名的熱力學家都認為這種轉化是不可能的。湯姆生也出席了這次會議，他起初打算等焦耳講完以後馬上站起來反駁，但是，聽完講演就完全明白了焦耳的學說里包含著真理。會後，他同焦耳親切地交談起來，焦耳深深感到是遇見了知音。當時，焦耳是29歲，湯姆生才23歲。後來，他們成了莫逆之交。在焦耳的鼓勵下，湯姆生把注意力轉到熱力學研究方面。結果，他的天才在電磁學領域裡沒有充分顯示出來，卻在熱力學的領域裡顯示出來了。第二年，他提出了絕對溫標。在熱力學的理論上，他也做出了相當大的貢獻。湯姆生還同焦耳合作，發現了著名的湯姆生—焦耳效應 （被壓縮的氣體通過窄孔，進入大容器以後，就膨脹降溫）。這個效應，為近代低溫工程奠定了重要基礎。
海底電纜通信
湯姆生結識焦耳以後，就把大部分精力放到了熱力學的研究上。轉眼之間，幾年過去了。在這幾年裡，他在格拉斯哥大學創建了英國第一所物理實驗室，吸引了不少學生。後來，這所實驗室成了他的基地。同時，他的家庭生活也發生了很大變化。1849年，他父親患病去世了。這位教授在世的時候對兒子要求很嚴格，親眼看見愛子成器，臨死的時候內心是滿意的。老湯姆生對英國教育也有貢獻。在他去世以後，蘇格蘭的學校仍舊採用他編的老教科書。據說，他編的有些教科書再版了將近100次。父親去世3年以後，湯姆生成了家。妻子體弱多病，湯姆生一直對她體貼入微，細心照料，花了不少時間。
1853年，29歲的湯姆生在熱力學研究方面取得了成就以後，才回過頭來再一次對電磁學進行探索性的研究。他用很精確的實驗，證明了萊頓瓶放電具有振盪性質。實際上這是發現電磁波的前兆，真理就在眼前，只不過湯姆生沒有充分意識到這一點罷了。湯姆生還用數學方法推導出電振盪過程的方程和振盪頻率的公式。
同年，他發表了《瞬間電流》這篇論文。這不但是湯姆生一生中最出色的一篇論文，而且也是電磁學史上光采奪目的篇章。在這篇論文裡，他指出帶電體的放電有兩種，一種是連續放電，一種是振盪放電。如果是振盪放電，就會形成這樣一種情況：“主要導體最先失去它的電荷，然後得到比起初稍小而正負相反的電荷，這樣循環下去一直到無限，而後達到平衡。”
他還認為，如果放電頻率太高 （電火花爆發太快），肉眼不能判斷，就可以用惠斯登的“轉鏡法”來觀測（6年以後，另一位科學家證實了這點）。但是，湯姆生沒有繼續研究下去。第二年，他收到劍橋大學年輕的畢業生麥克斯韋向他求教怎樣研究電磁的來信。湯姆生毫無保留地把自己研究的成果告訴了他。後來，麥克斯韋沿著湯姆生開闢的道路一直走下去，終於完成了湯姆生沒有完成的事業。
湯姆生為什麼沒有堅持到底，有種種原因。最主要的，是當時有項舉世矚目的工程——鋪設第一條大西洋海底電纜，把他吸引住了。湯姆生不是法拉第那樣的實驗科學家，由於各人的經歷、性格、受到的教育和所處的環境不同，因此，他身上更多地具有工程師的氣質，對於實際的套用工程更有興趣。這種傾向，在他30歲以後更加明顯。他的“三十而立”，可以說完全立在工程界了，儘管他一直是格拉斯哥大學的教授。
從莫爾斯發明電報以後，不到20年，電報這種新型通信方式已經在世界上流行起來。當時無線電還沒有發明，莫爾斯電報只能進行有線傳送，只能在陸地上使用，稱做陸地電報。隨著資本主義的發展，英國和歐洲大陸以及歐美兩地之間傳統的利用郵船通信的方式，已經遠遠不能滿足需要，於是製造和鋪設誨底電纜成了最迫切的任務。1850年，在英法之間的多佛爾海峽鋪設了最早的海底電纜，但是，它比較短。要製造和鋪設幾千公里長的海底電纜，工程就艱巨多了，因為有很多理論上和技術上的問題需要解決。
1854年，也就是湯姆生髮表《瞬間電流》的第二年，一個叫克拉克的科技人員發現了信號延遲現象，也就是信號通過海底電纜的時候，收報比發報要滯後一定時間。他不能解釋這種現象。
湯姆生知道這件事情以後，懷著極大的興趣進行了研究。他意識到這個問題是鋪設長距離海底電纜成敗的關鍵。因為電纜越長，信號延遲時間越長，而且衰減和失真（從脈衝波變成鐘形波）也就越厲害，甚至會不能正常傳遞電報。經過整整一年的系統研究，湯姆生提出了關於海底電纜信號傳遞衰減的理論，解決了鋪設長距離海底電纜的重大理論問題。這使他在還沒有肩負鋪設大西洋海底電纜重任以前，就已經成了這個工程的奠基人。那時，他剛31歲。一個有趣的巧合是，後來麥克斯韋提出電磁理論是31歲，赫茲（1857～1894）證實電磁波的存在也是31歲。
1855年，湯姆生髮表了信號傳輸理論的論文。它系統地分析了海底電纜信號的衰減原因，並且指出，由於海水是導體，包著絕緣層的海底電纜同海水組成了一個電容器，這就使信號傳遞有個充放電的過渡過程。如果增大銅線截面面積來減小電阻，加厚絕緣層來減小分布電容，而且使用小電流，就能夠使信號的延滯降低到最小限度。這個理論成了後來設計海底電纜通信工程的重要理論根據。
1856年，大西洋海底電纜公司正式組成，資本總額是35萬英鎊。按照公司章程的規定，公司董事由各個地區的股東選定，在股東還沒有分到10%的紅利以前，董事沒有薪金。蘇格蘭的股東選聘湯姆生當董事，湯姆生高興地同意了。一個人把工作當成了事業，他是不會計較報酬的。青年電學家盼望的是把自己的理論拿到實際中去套用，在第一條大西洋海底電纜的工程中顯示威力。到1866年4月，歷經種種艱難險阻，在第四次沉放大西祥海底電纜時，終於大獲成功，全部工程整整進行了10年。
後生可畏
湯姆生畢業以後，首先選擇了電磁學當做進軍的目標。雖然熱力學也在他的視野範圍里，但是自從法拉第在1831年發現電磁感應以後，探索電磁的奧秘就成了很多科學家感興趣的課題，湯姆生也受到強烈的吸引。這個高材生還在兒童時代就被電學迷住了。他很羨慕法拉第的成就，尤其是對法拉第關於電力線和磁力線的思想很感興趣。湯姆生掌握了數學工具以後，更覺得電磁學是個大有可為的領域，躍躍欲試。
湯姆生的父親卻一心要兒子競選教授席位。當時格拉斯哥大學有位德高望重的物理學教授要退休，父親非常希望湯姆生能夠接替這個職位。按照當時的傳統，必須要對物理學有實踐經驗的人才有資格。為了達到這個目的，父親特意安排湯姆生去巴黎留學，給物理學家雷尼奧 （1810～1878）當研究生。雷尼奧是搞熱力學的，曾經接受法國政府的委託，測定過比熱常數。湯姆生一邊聽他的課，一邊給他當實驗助手，在熱力學研究上得到不少啟發。但是他當時的主要精力，還是放在電磁學上。他在巴黎只逗留了四個多月，就寫了第一篇很有見地的電學論文，發表在法國的數學雜誌上。這家雜誌的主編很賞識這個英國青年，曾經給了他不小的鼓勵。湯姆生的論文根據光學倒影原理，論述了靜電感應的電荷分布，這已經是個創見；更不簡單的是，他還提出可以用數學方法來分析法拉第的靜電感應現象。他這個閃光的思想，比麥克斯韋要早十年！
1845年初夏，湯姆生從法國回到劍橋大學，參加了英國科學協會的會議。出席這次會議的都是著名學者，包括法拉第、焦耳 （1818～1889）這樣一些世界第一流的大科學家。相比之下，21歲的湯姆生不過是個孩子。但是他不迷信權威，在會上大膽發表自己的見解。
這個英俊的青年有些緊張地站在講台前，介紹自己對電磁學的研究。他的臉頰因為興奮而微微發熱，聲音也不由自主地提得很高。湯姆生在會上宣讀的論文，是根據自己發表在數學雜誌上的那篇文章修改的。當他談到法拉第的磁力線可以用數學公式來表示，談到他發現的光線在兩塊帶不同電荷的玻璃片之間發生極化現象的時候，會場上發出了一陣熱烈的議論。
當湯姆生回到自己座位的時候，旁邊一個衣著簡樸、態度和藹的學者轉過臉對他說：“小伙子，你談得不錯啊！”
“先生過獎了！”年輕人有些不好意思。
“我也一直在思考這個問題，”那位學者直率地說。
“請問先生貴姓？”湯姆生很有禮貌地問。
“麥可·法拉第。”
想不到同自己談話的竟是法拉第！湯姆生頓時肅然起敬。法拉第從皮包里取出自己寫的一本電學專著《電學實驗研究》遞給湯姆生，建議他抽空讀一讀。接著，他們的話題又回到論文上。湯姆生向法拉第請教，為什麼光束通過帶電介質會發生極化現象。法拉第解釋說，這個問題很不簡單，他幾次想用《電學實驗研究》來驗證，都沒有取得成功。
“但是我相信，發生電感應現象的時候，介質一定是處在某種特殊狀態中的。”法拉第堅定地說，並且表示要繼續研究這個難題。
湯姆生當時很想提出來同法拉第合作。他猶豫了一下，沒有把話說出口。法拉第那時已經51歲，久病初愈，剛恢復研究工作。他雖然賞識湯姆生的才能，但是沒有想到這個21歲的後生是最理想的助手。所以，他們探索的目標儘管是共同的，特別是湯姆生又精通數學，卻沒有能夠攜起手來。這是很可惜的。
一個月以後，湯姆生在皇家學院重新進行這項實驗，可惜法拉第已經離開了。對他們兩個人來說，都失去了一次最寶貴的機會。後來，法拉第始終沒有能夠把自己的研究提高到理論的高度；湯姆生的願望，也要到麥克斯韋手裡才能變成現實。
以後，湯姆生有好幾次想把自己對電磁的研究總結成理論性的東西，但是都失敗了。他的主要缺點是不善於吸取別人的長處。他對法拉第雖然很敬重，卻從沒有系統地讀過《電磁學研究》。對於其他人的著作，他當然就更少過目了。有人說，他在40年裡沒有認真讀過一本書，這話雖然有些誇張，但是也說明了湯姆生的弱點。他在實驗中的一些發現，有的確實閃耀著天才的光芒，有的卻是重複了別人早已發現過的事實。
1846年5月，老湯姆生等候已久的機會終於到來：那位受人尊敬的老教授去世，他的職位空出來了。當時大學提出30個有才幹的教師做候選人。湯姆生的父親夢寐以求的，就是要讓兒子坐上教授這把交椅。他一向訓誡兒子要把數學同物理學上的實際問題互相結合起來，對湯姆生一生確實有不小的影響。父親主要是為了適應選拔教授的考試的需要，兒子卻因此轉向了套用工程的研究。
