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第一代开尔文男爵威廉·汤姆森

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開爾文勳爵
Lord Kelvin
Lord Kelvin photograph.jpg
出生 1824年6月26日(1824-06-26)
英國北爱尔兰贝尔法斯特
逝世 1907年12月17日(83歲)[1]
英國苏格兰北艾尔郡拉格斯英语Largs [1]
居住地 貝爾法斯特
格拉斯哥
劍橋
国籍 大不列颠及爱尔兰联合王国
著名成就 焦耳-汤姆孙效应
热电效应
镜式检流计英语mirror galvanometer
虹吸记录器
标准线性固体模型
开尔文滴水起电机
开尔文波
开尔文-亥姆霍兹不稳定性
开尔文-亥姆霍兹机制
开尔文变换
绝对零度
开尔文环流定理
斯托克斯公式
开尔文电桥
开尔文方程式
磁阻效应
动能
受影响于 John Pringle Nichol
詹姆斯·焦耳
汉弗里·戴维
尤利乌斯·罗伯特·冯·迈尔
施影响於 安德鲁·格雷
獲獎 史密斯奖(1845年)
皇家奖章(1856年)
科普利奖章(1883年)

第一代開爾文男爵威廉·湯姆森William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824年6月26日-1907年12月17日),即开尔文勋爵,是一位在北爱尔兰出生的英國数学物理学家工程师,也是热力学温标(絕對溫標)的发明人,被稱為熱力學之父。在格拉斯哥大学时他与休‧布来克本英语Hugh Blackburn进行了密切的合作,研究了电学的数学分析、将第一和第二热力学定律公式化,和把各门新兴物理学科统一为现代形式。他对电报机所作出的贡献使他开始出名并带给他财富和荣誉。他因为在横跨大西洋的电报工程中所作出的贡献而得到了维多利亚女王授予的爵位,威廉·汤姆森男爵

他被广为人知是由于他认识到了温度的下限,也就是绝对零度。他在热力学方面的工作使他成为贵族。他反对爱尔兰自治[2][3][4],因而自称拉格斯的开尔文男爵,所以他通常被称为开尔文男爵,这个头衔来自于流经他在苏格兰格拉斯哥大学实验室的开尔文河英语River Kelvin。他还是首位进入英国上议院的科学家。他的住宅是位于克莱德湾拉格斯Largs)的Netherhall ,这是一座雄伟的红色砂岩大厦。

为表彰和纪念他对热力学所作出的贡献,热力学温标的单位为开尔文

生平[编辑]

家庭[编辑]

汤姆森家族家谱

威廉·汤姆森的父亲,詹姆斯·汤姆森英语James Thomson (mathematician),是皇家贝尔法斯特学术机构的一名数学和工程学教师,是一个农民的儿子。1817年,詹姆斯·汤姆森和玛格丽特·加德纳(Margaret Gardner)结婚,所生子女中,两个女孩(姐姐)和四个男孩活着长大;长子詹姆斯英语James Thomson (engineer)(重名)出生于1822年,威廉出生于1824年。1830年,母亲玛格丽特·汤姆逊去世,当时威廉六岁。[5]

幼年时,威廉和他的哥哥詹姆斯由父亲在家辅导,而更年幼的弟弟们由他们的姐姐们辅导。作为长子,哥哥詹姆斯按计划要接受父亲的主要关注和资助,并为踏上工程师之事业做准备。

1832年,父亲被任命为格拉斯哥大学数学系教授,并在1833年10月举家搬迁到那里。比起自己父亲的农村成长背景,汤姆森家的孩子们有了更广阔的国际化经历:他们在伦敦度过了1839年中,并且男孩们在巴黎接受了法语辅导;1840年中在德国和荷兰度过,语言学习被高度重视。

青年[编辑]

汤姆森9岁时,心脏有问题,险些丧命。他入读了英国皇家贝尔法斯特学术学院,他的父亲是大学部的一位教授。在10岁时,开始在格拉斯哥大学学习,那是1834年;大学对于学有余力的小学生提供了许多小学阶段的便利设施,10岁是一个典型的入学年龄,并不算是早熟。

在校期间,除了他与生俱来的对科学的兴趣,汤姆森对古典学的兴趣也很浓厚。在12岁时,他将萨莫萨塔的琉善的《Dialogues of the Gods》从拉丁语翻译为英语,并且得了奖。

在1839~40学年,汤姆逊写了一篇散文《Essay on the figure of the Earth》,获得了天文学课的一等奖,展现出数学分析的资质和创造性。终其一生,在个人压力大时,他便转而研究在此文中提出的问题,作为应对策略。在这篇散文的标题页,汤姆森从亚历山大·蒲柏的《Essay on Man》摘抄了下面的诗句。这些诗句启发汤姆森用科学的力量和方法来理解自然世界:

去,奇妙的生物!向着科学引领之处攀登;
去大地测量,称重空气,并注明潮汐;
给运行的行星指明轨道,
更正老旧的时间,调节太阳的光芒;

汤姆逊开始对傅立叶的《Théorie analytique de la chaleur》着迷,并开始致力于研究被仍然在艾萨克·牛顿阴影之下发展的英国传统所抵制的“大陆”数学。不出所料,傅立叶的理论已经被国内的数学家攻击;菲利普·凯兰还专门著述了一本书进行批判。这本书促使汤姆森发表了他的第一篇科学论文[6](使用假名P.Q.R.)为傅立叶辩护,并通过他的父亲提交到《剑桥数学杂志》。第二篇P.Q.R.论文[7]也随后几乎立刻发表。

1841年和他的家人在拉姆拉什英语Lamlash度假时,他写了第三篇更充实的P.Q.R.论文[8]《关于热在均匀固体中的匀速运动以及与电学的数学理论的联系》。他在论文中提出了热传导静电的数学理论之间的联系,这个十分重要的类比后来被詹姆斯·克拉克·麦克斯韦再次描述,成为最有价值的形成科学的想法之一。[9]

剑桥[编辑]

威廉的父亲给他最喜欢的儿子的教育十分慷慨地提供资源;在1841年将他安顿在剑桥大学的彼得学院(Peterhouse),并提供了大量的书信介绍和充足的食宿资金。1845年,汤姆逊毕业,名至“榜眼”(second wrangler[10]。他还赢得了史密斯奖,这不像荣誉学位 Tripos 那样通过考试答题获得,而是对原创性研究的认可。据说当时的考官之一 Robert Leslie Ellis 对另一个考官感叹道“你和我都只是适合修补他的笔”[11]

在剑桥时,汤姆逊参加体育运动很积极,尤其是田径和单人划艇英语sculling,在1843年赢得了科尔克霍恩双桨[12]。他还对希腊古学、音乐和文学有浓厚的兴趣,但他的真爱仍然是对科学的追寻。对数学、物理,特别是电学的研究,迷住了他的想象。

1845年,他第一次从数学上发展了法拉第的想法,即电感应是通过中间媒介(或“电介质”)发生的,而不是通过一些不可理解的“超距作用”。他还设计了为电学问题作图的数学技巧,成为解决静电学问题(静止带电体之间的力)的强大工具。部分因为他的鼓励,法拉第在1845年9月进行了研究,进而发现了法拉第效应,确立了光与磁(因而电)现象是相关的。 1845年6月,他当选为圣彼得(即Peterhouse)会员[13],藉于此他出访巴黎,花了一些时间在著名的亨利·维克托·勒尼奥的实验室,但在1846年他被任命为格拉斯哥大学自然哲学教授英语Professor of Natural Philosophy (Glasgow)—— 22岁时,他就穿着学会教授袍在英国最古老的大学之一讲课,而仅仅在几年前他还是其中的一个新生。

热力学[编辑]

1847年时,汤姆逊已经赢得了年轻有为的科学家之声誉。他参加了英国科学促进会英语British Science Association在牛津的年会;在那次会议上,他听到詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的一个报告。到目前为止,焦耳多次试图推翻萨迪·卡诺埃米尔·克拉佩龙热质说和在其上建造的热机理论,但都没有成功;焦耳认为,热和机械功可以相互兑换,并且两者在机械上是等价的。

汤姆森很感兴趣,但是持怀疑态度。虽然他觉得焦耳的结果需要理论解释,他还是更深地退入到卡诺-克拉伯龙学派中。他预测,冰的熔点必定随压力增加而下降,否则其凝固时的膨胀可以作为一个永动机被利用。他的实验室的结果证实了这一点,加强了他的信念。

1848年,由于不满气体温度计英语gas thermometer只给出了温度的一个操作性的定义,他进一步扩大了卡诺-克拉伯龙的理论。他提出了一种“绝对温标[14],其中“单位热量从在该温标下温度为 T° 的物体 A,转移到温度为 (T−1)° 的物体 B,将给出相同的机械作用(功),无论 T 是多少”。这样的温标将“独立于任何特定物质的物理性质”[15]。通过采用这样的“瀑布”,汤姆逊假定一个点,将达到在其中没有进一步的热(热量)可以转让,也即1702年Guillaume Amontons(阿芒顿)曾猜想过的绝对零度。汤姆森使用勒尼奥发表的测量数据来校准他的换算刻度。

在他的出版物中,汤姆逊写道:

...热(或热量)转换成机械作用的过程,至今未被发现,很可能是不可能的

——但是一个注脚暗示他对热量的理论第一次怀疑,指的是焦耳很显着的发现。出人意料的是,汤姆逊没有把他的论文寄给焦耳,但是当焦耳读到它时,他写信给汤姆森(10月6日)声称他的研究已经证明热可以转换为功,但他正在计划进一步的实验。10月27日,汤姆森回信,透露道他计划自己的实验,并希望能成为他们两人的观点的一个和解。

汤姆森退了回来,开始批判卡诺的原始出版物,并且阅读他自己1849年1月致爱丁堡皇家学会英语Royal Society of Edinburgh的分析[16],仍然相信该理论从根本上是健全的。然而,在接下来的两年中,虽然汤姆逊没有进行新的实验,他越来越不满卡诺的理论,并开始相信焦耳。1851年2月,他坐下来阐明他的新思维。然而,他不确定如何构建他的理论;几易其稿,他最终确定要调和卡诺和焦耳。在他重写的过程中,他似乎已经萌生出了一些初步的关于热力学第二定律的想法。在卡诺的理论中,热损失是完全的丢失,但汤姆森认为,这是“对人类而言无可挽回地失去了,但对物质世界而言并没有失去”。此外,他的神学信仰引发了宇宙热寂(heat death)之猜想。

我相信在物质世界的趋势是运动变得普及,而且,作为一个整体浓度的反向逐渐回事——我相信,没有物理动作可以将从太阳发出的热量恢复如初,而这个来源并不是取之不尽,用之不竭;也认为,地球和其他行星的运动正在失去“活力”(vis viva)并转化为热能,并认为虽然有些活力可以恢复,例如从太阳接收到的热量在地球,或通过其他方式,但该损失无法精确补偿,我认为这可能是在补偿。[17]

补偿将需要一个创世的行为或具有类似能力的行为。[17]

在最终出版,汤姆逊从一个激进的出发撤退,并宣布“热的动力的全部理论建立在…两个…命题上,分别归功于焦耳以及卡诺和克劳修斯”[18]。接着,汤姆逊给出了第二定律的一种陈述形式:

由无生命物质的机构的手段,试图将物体的温度冷却到它周围环境中最冷温度之下,以获得从物质的任何部分的机械作用,是不可能的。[19]

在这篇论文中,汤姆逊支持“热是运动的一种形式”的理论,但也承认他只是受汉弗莱·戴维爵士的想法和焦耳和尤利乌斯·冯·迈尔的实验的启发而有所感想,关于热可以转换为功的实验证明仍然悬而未决。[20]

焦耳读到该文之后,立刻写信给汤姆逊,表达了他的意见和问题。自此开始了两人之间一段卓有成效(虽然主要通过书信)的协作:焦耳进行实验,汤姆逊分析结果并提出进一步的实验。该合作历时1852年至1856年,其成果便是焦耳-汤姆逊效应,有时也被称为开尔文-焦耳效应,而且发表的结果[21]在让焦耳的研究和动力学理论得到普遍接受上起了很大作用。

汤姆逊发表了超过650篇科学论文[22],并申请了70项专利(未全部批准)。关于科学,汤姆逊写了以下这段话:

在物理科学中学习任何科目的方向的第一个重要步骤,就是找到数值推算和可行的方法测量一些质量与它相连的原则。我常说,当你能测量你所说的事物并以数字表达它时,说明关于这个事物你的确是知道一些的,但是当你无法测量它、无法以数字表达它时,说明你的所知就是贫乏的、难以令人满意的:它可能是知识的开端,但你几乎没有从思想上达到科学的阶段,无论这个事物是什么。[23]

跨大西洋电报电缆[编辑]

数据速率的计算[编辑]

虽然在学术领域已经是名声显赫,汤姆森尚未被广大公众所知。1852年9月,他娶了沃尔特·克拉姆(Walt Crum)的女儿,青梅竹马的玛格丽特·克拉姆[24],但在他们度蜜月时她的身体垮了,并在接下来的17年里,汤姆森一直在分心担忧她的病疾。1854年10月16日,乔治·加布里埃尔·斯托克斯写信给汤姆森试图让他重新对工作提起兴趣,问他对拟议跨大西洋电报电缆英语Transatlantic telegraph cable之事和迈克尔·法拉第的一些相关实验的看法。

法拉第曾演示了电缆的建造方式将限制消息发送的速度(也即现代所说的传输速率之“带宽”)。汤姆森抓住了这个问题,并且在当月发表了他的回应[25],不仅预测了可以实现的数据传输速率,而且还评估了跨大西洋计划的潜在收益和经济效益。在1855年进一步的分析[26]中汤姆森强调,电缆的设计将对其收益性有很大影响。

汤姆森认为,信号通过缆线的速度与芯部的长度的平方成反比。该结果在1856年英国协会会议上被大西洋电报公司英语Atlantic Telegraph Company电气工程怀尔德曼·怀特豪斯英语Wildman Whitehouse驳斥。怀特豪斯可能曲解了他自己的实验结果,但无疑是感到财政上的压力,因为电缆计划已经有条不紊地进行。他认为,汤姆森的计算暗示电缆必须“被抛弃,因为实用上和商业上都不现实”。

汤姆森在与著名杂志“雅典娜” Athenaeum 的通信中[27]批判了怀特豪斯的论点,使得自己进入公众视线。汤姆森推荐一个较大的导体与绝缘的更大的横截面[需要解释]。不过,他认为怀特豪斯不是傻瓜,并觉得他可能有足够的实践技能,实现现有的设计。然而,汤姆森的研究已经吸引了项目的承担者的眼球;在1856年12月,他当选为大西洋电报公司的董事会成员。

从科学家到工程师[编辑]

汤姆森成为了团队的科学顾问,怀特豪斯担任首席电工,查尔斯·蒂尔斯顿·布莱特英语Charles Tilston Bright爵士担任首席工程师。但怀特豪斯在設計規格上有他的想法,法拉第和莫尔斯也支持他。

1857年8月,汤姆森登上了电缆敷设船阿伽门农号英语HMS Agamemnon (1852),开始航行,怀特豪斯则因病留在岸上,但航行380英里(610 km)后电缆不幸断开了。对此,汤姆森在《Engineer》发表了铺设海底电缆所涉及到的应力的完整理论,并表明,当缆线以恒定的速度离开船体,进入到深度均匀的水中时,它会保持倾斜的直线的形状下沉,该直线从入水点延伸到触及底部的点。[28]

汤姆森开发了一个完整操作海底电报的系统,能够每3.5秒发送一个字母。1858年,他给他的系统中的关键部分,也即反射镜检流计英语mirror galvanometer(镜式检流计)和虹吸记录器英语Syphon recorder,申请了专利。

怀特豪斯还是觉得能够忽略汤姆森的许多意见和建议。直到汤姆森说服董事会,使用更加纯净的铜更换电缆的丢失部分,以改善数据输送能力,汤姆森才第一次对项目的执行产生了影响。[29]

董事会坚持让汤姆森加入1858年的电缆敷设远征,没有任何经济补偿,并在项目中的积极参与。作为回报,汤姆森获得了试验他的反射镜检流计的机会,对此董事会不甚感兴趣,怀特豪斯旁边的装备。然而,在1858年6月的灾难性风暴之后,阿伽门农号只好打道回府。回到伦敦后,董事会几乎要放弃该项目,并打算通过销售电缆减轻其损失的程度。汤姆森、赛勒斯·韦斯特·菲尔德和Curtis M.蓝普森说服了董事会再尝试一次,汤姆森坚持认为技术问题是容易处理的。虽然仅以顾问的身份参与,汤姆森已经在航行中获得了在压力下解决实际问题的真正的工程师的直觉和技能,往往率先在处理突发事件,并且不畏惧对体力活伸出援助之手。8月5日,电缆终于贯通了。

灾难和胜利[编辑]

汤姆森担忧的事情终于发生了:怀特豪斯的设备被证明不够敏感,必须由汤姆森的反射镜检流计所取代。但怀特豪斯坚持认为,是他的装置提供了服务,并开始涉足绝望的措施来做出一些补救。结果,他只是成功地用 2,000 V 的电压彻底损坏了电缆。当电缆完全失败,怀特豪斯被开除;汤姆森表示反对,还被董事会谴责他的干扰。这之后汤姆森感到后悔,他太随便地默许了许多怀特豪斯的提议,并没有花足够的力气去质疑他。[30]

贸易委员会和大西洋电报公司联合设立了调查委员会,发现关于电缆的故障,怀特豪斯应当承担大多数的责任[31]。该委员会发现,虽然海底电缆缺乏可靠性确实臭名远扬,但大多数问题都源于已知的和可避免的原因。汤姆森被选入一个五人委员会,受命为新的电缆制定规范。1863年10月,该委员会发表了报告。[32]

1865年7月,汤姆森参与了大東方號(SS Great Eastern)的电缆敷设远征航行,但航程再次受到技术问题的困扰。在铺设了1200英里(1,900千米)后电缆又不幸丢失,远征不得不放弃。进一步的探险队于1866年成功地在两周内铺设新的电缆,然后继续恢复并完成了1865线。团队凯旋而归,受到公众的盛情款待,汤姆森尤其受到了褒奖。1866年11月10日,汤姆森与该项目的其他主要负责人一起被封为爵士。[33]

利用他的长距离海底电缆信号传输的发明,汤姆森与 C.F. VarleyFleeming Jenkin 签订了合作。与后者一起,他还设计了一个自动控制传感器英语automatic curb sender,一种在电缆上发送消息的发报电键英语telegraph key

后来的探险[编辑]

汤姆森参加了1869年法国大西洋海底通信电缆的敷设,并与 Jenkin 一道担任 Western and Brazilian 和 Platino-Brazilian 电缆的工程师,同时还有假期学生 James Alfred Ewing 协助。他还亲临1873年巴西海岸电缆的帕拉伯南布哥部分的铺设现场。

1870年6月17日,汤姆森的妻子去世;他也决心改变他的生活。正深深沉迷于航海的他在9月购买了一艘126吨的双桅纵帆船“Lalla Rookh”号,作为招待朋友和同事的科学基地。他对海洋的兴趣不断增加。1871年,他受命于 HMS Captain 号沉没事件调查委员会。

1873年6月,汤姆森和 Jenkin 驶着 Hooper 号开往里斯本,带着2500英里(4,020千米)长的电缆。电缆出现了故障,便在马德拉逗留了16天,此间汤姆森与查尔斯·布兰迪和他的三个女儿成为了好朋友。1874年5月2日,他驶着Lalla Rookh又来到马德拉群岛。当他靠近港口时,他向布兰迪府发送电报“你愿意嫁给我吗?”而Fanny回信“是”。1874年6月24日,汤姆森与比他年少13年的Fanny结婚。

參考資料[编辑]

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外部链接[编辑]