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开尔文男爵:威廉·汤姆森

Lord_Kelvin_photograph.

威廉·汤姆森,第一代开尔文男爵(William Thomson, 1st Baron Kelvin,1824年6月26日-1907年12月17日)是一位在北爱尔兰出生的英国数学物理学家、工程师,也是热力学温标(绝对温标)的发明人,被称为热力学之父。在格拉斯哥大学时他与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、名望和荣誉。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,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。他还是首位进入英国上议院的科学家。他的住宅是位于拉格斯克莱德湾的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。

 

生平简介

 

威廉·汤姆森(William Thomson),受勋后的名为凯尔文男爵一世或领主凯尔文(1st Baron Kelvin或Lord Kelvin)。生于1824年6月26日的爱尔兰贝尔法斯特,卒于1907年12月17日的苏格兰拉格斯。为爱尔兰的数学物理学家、工程师。也是热力学温标(绝对温标)的发明人,被称为热力学之父。

1846年开尔文被选为格拉斯哥大学自然哲学教授,自然哲学在当时是物理学的别名。开尔文担任教授53年之久,到1899年才退休。1904年他出任格拉斯哥大学校长,直到逝世。

1824年6月26日开尔文生于爱尔兰的贝尔法斯特。他从小聪慧好学,10岁时就进格拉斯哥大学预科学习。17岁时,曾立志:“科学领路到哪里,就在哪里攀登不息”。1845年毕业于剑桥大学,在大学学习期间曾获兰格勒奖金第二名,史密斯奖金第一名。毕业后他赴巴黎跟随物理学家和化学家V.勒尼奥从事实验工作一年,1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学(物理学当时的别名)教授,任职达53年之久。由于装设第一条大西洋海底电缆有功,英政府于1866年封他为爵士,并于1892年晋升为开尔文勋爵,开尔文这个名字就是从此开始的。1890~1895年任伦敦皇家学会会长。1877年被选为法国科学院院士。1904年任格拉斯哥大学校长,直到1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世为止。

Kelvin_memorial,_University_of_Glasgow.

开尔文研究范围广泛,在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做出了贡献。他一生发表论文多达600余篇,取得70种发明专利,他在当时科学界享有极高的名望,受到英国本国和欧美各国科学家、科学团体的推崇。他在热学、电磁学及它们的工程应用方面的研究最为出色。

开尔文是热力学的主要奠基人之一,在热力学的发展中作出了一系列的重大贡献。他根据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论于1848年创立了热力学温标。他指出:“这个温标的特点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质。”这是现代科学上的标准温标。他是热力学第二定律的两个主要奠基人之一(另一个是克劳修斯),1851年他提出热力学第二定律:“不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。”这是公认的热力学第二定律的标准说法。并且指出,如果此定律不成立,就必须承认可以有一种永动机,它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功,即所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言,能量耗散是普遍的趋势。1852年他与焦耳合作进一步研究气体的内能,对焦耳气体自由膨胀实验作了改进,进行气体膨胀的多孔塞实验,发现了焦耳-汤姆孙效应,即气体经多孔塞绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成为获得低温的主要方法之一,广泛地应用到低温技术中。1856年他从理论研究上预言了一种新的温差电效应,即当电流在温度不均匀的导体中流过时,导体除产生不可逆的焦耳热之外,还要吸收或放出一定的热量(称为汤姆孙热)。这一现象后叫汤姆孙效应。

在电学方面,汤姆孙以极高明的技巧研究过各种不同类型的问题,从静电学到瞬变电流。他揭示了傅里叶热传导理论和势理论之间的相似性,讨论了法拉第关于电作用传播的概念,分析了振荡电路及由此产生的交变电流。他的文章影响了麦克斯韦,后者向他请教,希望能和他研究同一课题,并给了他极高的赞誉。

Thomson family tree: James Thomson (mathematician), James Thomson (engineer), and William Thomson, were all professors at Glasgow University; the later two, through their association with William Rankine, another Glasgow professor, worked to form one of the founding schools thermodynamics.

开尔文在电磁学理论和工程应用上研究成果卓著。1848年他发明了电像法,这是计算一定形状导体电荷分布所产生的静电场问题的有效方法。他深入研究了莱顿瓶的放电振荡特性,于1853年发表了《莱顿瓶的振荡放电》的论文,推算了振荡的频率,为电磁振荡理论研究作出了开拓性的贡献。他曾用数学方法对电磁场的性质作了有益的探讨,试图用数学公式把电力和磁力统一起来。1846年便成功地完成了电力、磁力和电流的“力的活动影像法”,这已经是电磁场理论的雏形了(如果再前进一步,就会深入到电磁波问题)。他曾在日记中写道:“假使我能把物体对于电磁和电流有关的状态重新作一番更特殊的考察,我肯定会超出我现在所知道的范围,不过那当然是以后的事了。”他的伟大之处,在于能把自己的全部研究成果,毫无保留地介绍给了麦克斯韦,并鼓励麦克斯韦建立电磁现象的统一理论,为麦克斯韦最后完成电磁场理论奠定了基础。

他十分重视理论联系实际。1875年预言了城市将采用电力照明,1879年又提出了远距离输电的可能性。他的这些设想以后都得以实现。 1881年他对电动机进行了改造,大大提高了电动机的实用价值。在电工仪器方面,他的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准和设计各种精密的测量仪器。他发明了镜式电流计(大大提高了测量灵敏度)、双臂电桥、虹吸记录器(可自动记录电报信号)等等,大大促进了电测量仪器的发展。根据他的建议,1861年英国科学协会设立了一个电学标准委员会,为近代电学量的单位标准奠定了基?T诠こ碳际踔校?855年他研究了电缆中信号传播情况,解决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题。经过三次失败,历经两年的多方研究与试验,终于在1858年协助装设了第一条大西洋海底电缆,这是开尔文相当出名的一项工作。他善于把教学、科研、工业应用结合在一起,在教学上注意培养学生的实际工作能力。在格拉斯哥大学他组建了英国第一个为学生用的课外实验室。

汤姆孙还将物理学用到完全不同的领域。他研究过太阳热能的起源和地球的热平衡。他的方法可靠而有趣,但只由于他不知道太阳和地球上的能量来自核能,因而不可能得到正确的结论。他试图用落到太阳上的陨石或用引力收缩来解释太阳热能的起源。约在1854年,他估算太阳的"年龄"小于5×108年,而这只是我们现在知道的值的十分之一。

从地球表面附近的温度梯度,汤姆孙试图推算出地球热的历史和年龄。他的估算仍然太低,仅为4×108年,而实际值约为5×109年。地质学家以地质现象的演变为理论根据,很快就发现他的估算是错误的。他们不能驳倒汤姆孙的数学,但他们肯定他的假定是错误的。同样,生物学家也发现汤姆孙给出的时间进程与最新的进化论的观念相悖。这一争论持续了多年,汤姆孙完全不理解别人的反对意见是正确的。最后,直到放射性和核反应的发现,才证明了汤姆孙假设的前提是完全错误的。

流体力学特别是其中的涡旋理论成为汤姆孙最喜爱的学科之一,他受亥姆霍兹工作的启示,发现了一些有价值的定理。他航行的收获之一是在1876年发明了适用于铁船的特殊罗盘,这一发明后来为英国海军所采用,而且一直用到被现代回转罗盘代替为止。汤姆孙的企业生产了许多磁罗盘和水深探测仪,从中大为获利。

基于他的实践经验和理论知识,汤姆孙感到迫切需要统一电学单位,公制的引入使法国革命向前跨了一大步,但是电学测量却产生了全新的问题。高斯和韦伯奠定了绝对单位制的理论基础,"绝对"意味着它们与特定的物质或标准无关,仅取决于普适的物理定律。在绝对单位制中如何确定刻度,如何选择合适的倍数因子使它能方便地应用于工业,如何劝说科技界共同接受这一单位制,所有这一切都是重要并且困难的任务。1861年英国科学协会任命一个委员会开始这项工作,汤姆孙是其中的一员。他们努力工作了许多年,一直到1881年,由汤姆孙和亥姆霍兹起主导作用的在巴黎召开的一次国际代表大会,和1893年,在芝加哥召开的另一次代表大会,才正式接受这一新的单位制,并采用伏特、安培、法拉和欧姆等作为电学单位,从此它们被普遍使用。然而,单位制的问题并未就此解决,后来的一些会议又改变了其中某些标准量的定义,它们的实际值也相应变动了,虽然这种变动是非常小的。

开尔文一生谦虚勤奋,意志坚强,不怕失败,百折不挠。在对待困难问题上他讲:“我们都感到,对困难必须正视,不能回避;应当把它放在心里,希望能够解决它。无论如何,每个困难一定有解决的办法,虽然我们可能一生没有能找到。”他这种终生不懈地为科学事业奋斗的精神,永远为后人敬仰。1896年在格拉斯哥大学庆祝他50周年教授生涯大会上,他说:“有两个字最能代表我50年内在科学研究上的奋斗,就是‘失败’两字。”这足以说明他的谦虚 品德。为了纪念他在科学上的功绩,国际计量大会把热力学温标(即绝对温标)称为开尔文(开氏)温标,热力学温度以开尔文为单位,是现在国际单位制中七个基本单位之一。

开尔文的一生是非常成功的,他可以算作世界上最伟大的科学家中的一位。他于1907年12月17日去世时,得到了几乎整个英国和全世界科学家的哀悼。他的遗体被安葬在威斯敏斯特教堂牛顿墓的旁边。

Statue of Lord Kelvin; Belfast Botanic Gardens.

 

科学成就

 

开尔文的科学活动是多方面的。他对物理学的主要贡献在电磁学和热力学方面。那时电磁学刚刚开始发展。逐步应用于工业而出现了电机工程,开尔文在工程应用上作出了重要的贡献。热力学的情况却是先有工业,而后才有理论。从18世纪到19世纪初,在工业方面已经有了蒸汽机的广泛应用,然而到19世纪中叶以后,热力学才发展起来。开尔文是热力学的主要奠基者之一。

开尔文在科学上的贡献主要有以下个方面:

 

1.电磁学方面的成就

 

开尔文在静电和静磁学的理论方面,在交流电方面,特别是关于莱顿瓶的放电振荡性。静电绝对测量和电磁测量方面,大气电学方面等,都作出了重要的贡献。电像法是开尔文发明的一种很有效的解决电学问题的方法。

 

2.在热力学方面的成就

 

开尔文在1848年提出、在1854年修改的绝对热力学温标,是现在科学上的标准温标。1954年国际会议确定这一标准温标,恰好在100年之后。开尔文是热力学第二定律的两个主要奠基人之一(另一人是R.克劳修斯)。他关于第二定律的说法是:“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其他影响”(1851),是公认的热力学第二定律的标准说法。开尔文从热力学第二定律断言,能量耗散是普遍的趋势。

在热力学方面还应该提两件事。一件事是开尔文从理论研究上预言一种新的温差电效应,后来叫做汤姆孙效应,这是当电流在温度不均匀的导体上通过时导体吸收热量的效应。另一件事是开尔文和J.P.焦耳合作的多孔塞实验,研究气体通过多孔塞后温度改变的现象,在理论上是为了研究实际气体与理想气体的差别,在实用上后来成为制造液态空气工业的重要方法(见焦耳-汤姆孙效应)。

Kelvin's harmonic analyser.

 

3.装设大西洋海底电缆

 

装设大西洋海底电缆是开尔文最出名的一项工作。当时由于电缆太长,信号减弱很严重。1855年开尔文研究电缆中信号传播的情况,得出了信号传播速度减慢与电缆长度平方成正比的规律。1851年开始有第一条海底电缆,装设在英国与法国相隔的海峡中。1856年新成立的大西洋电报公司筹划装设横过大西洋的海底电缆,并委任开尔文负责这项工作。经过两年的努力,几经周折,终于安装成功。除了在工程的设计和制造上花费了很大的力量之外,开尔文的科学研究对此也起了不小的作用。

 

4.对电工仪表的研究

 

开尔文为了成功地装设海底电缆,用了很大的力量来研究电工仪器。例如他发明的镜式电流计可提高仪器测量的灵敏度。虹吸记录器可自动记录电报信号。开尔文在电工仪器上的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准和设计各种精密测量的仪器,包括绝对静电计、开尔文电桥、圈转电流计等。根据他的建议,1861年英国科学协会设立了一个电学标准委员会,为近代电学单位标准奠定了基础。

 

5.创立波动和涡流

 

开尔文在波动和涡流方面作出了许多理论贡献。有许多是他在自己的快艇上的观察中受到启发的。他进行这方面的研究,包括对弹性固体的研究,目的之一是为了航海事业的发展,另一个目的是发展他对世界万物的机械观。企图通过这方面的研究把电磁现象和光现象的完整理论在牛顿经典力学的骨架上建造起来。因此他很热心于以太理论,把假想的以太当作一种实际存在的物质加以研究,以求能充分地解释电磁现象和光现象作为以太的某种运动形式。这种机械观的失败使他说出“19世纪乌云”那样的话。这是他在1900年一篇名为《遮盖在热和光的动力理论上的19世纪乌云》的演说中讲的。他说的“乌云”有两片,一片是以太理论的困难,一片是能量均分定理的困难。这两个困难到20世纪都得到了解决,以太理论的困难是由狭义相对论消除的,能量均分定理的困难是量子论解决的。

他也意识到,以太不过是人的主观想象。他在1890年说:“我想现在我们必须感觉到,以太、电、有重物三者联合在一起,不过是我们缺乏知识和能力,不能超越目前物理学的限度去思考的一种结果,而不是自然界的真实。”

 

6.估算地球的年龄

 

开尔文从地面散热的快慢估计出,假如没有其他热的来源的话,地球从液态到达现在状况的时间不能比一亿年长。这个时间比地质学家和生物学家的估计短得多。开尔文与地质学家和生物学家为了地球年龄问题有过长期的争论,地质学家从岩石形成的年代,生物学家从生命发展的历史,都认为开尔文估计的年限太短,但是又无法驳倒他的理论。后来,到1896年发现了放射性物质,出现了热的新来源,开尔文的估计不成立了,这问题才解决。

500px-William_Thomson_Arms_svg.

 

趣闻轶事

 

1.“第十一条诫律”

 

开尔文出身于一个由于宗教压迫而离国逃迁的苏格兰誓约派教徒的家族。10岁时丧母。父亲是格拉斯哥大学的自然哲学教授。他为他的6个子女,提供了一套旨在保护他们的心灵而磨砺他们智力的教育方式。他所设计的这个教育方式,既有广度,又有深度。几乎从婴儿时期起,孩子们的成长就与思想的广阔天地结成友谊。他们被地质学和天文学的原理所吸引,而植物则是他们游玩时的小伙伴。当他们围坐在桌子四周时,他们惊奇地注视着桌上的玩具地球仪;他们梦想着到地球上最遥远的地方去遨游。而后他们的眼睛又转移到另外一个更大的球体上。这是他们的父亲为他们购买的一个天球仪——它讲出了天体的史诗,而地球只不过是这个伟大史诗中一个小小的音节而已。

威廉在弟兄中排行最小,但他的想象力却是最敏捷的。他发现自己完全被这两个球的故事迷住了。尽管年龄还小,他已决心接受挑战,把这个故事的神秘弄清楚。当他还只有16岁时,就在日记中写下了第十一条诫律。正如十诫是宗教对他的良心的召唤一样,这第十一条诫律则是心智对开尔文理性的召唤:

科学领路到哪里,就在哪里攀登不息;

前进吧,去测量大地,衡量空气,记录潮汐;

去指示行星在哪一条轨道上奔跑,去纠正老黄历,叫太阳遵从你的规律。

 

2.第一所现代实验室在酒窖里诞生

 

开尔文的智力成熟得很快。他17岁进入剑桥大学,18岁就写出了一篇杰出的热力学方面的论文,还在《剑桥数学学报》上发表了几篇文章。毕业时,他认识了法国和英国一些第一流物理学家,并对他们提出颇有价值的研究建议。22岁时,他被任命为格拉斯哥大学教授。

大学里文质彬彬的苏格兰同事们,对于开尔文的血气方刚的那种进取劲头,颇有点受不了。开尔文刚刚被选拔到很多白发苍苍的对手们求之不得的光荣职位上,就决定在格拉斯哥的物理系来一场革命。他到几个老前辈那里,申请拨给他一间房子,以便进行课堂以外的实验。这种狂妄气焰是他们前所未闻的。多年以来,节约成癖的苏格兰教授们满足于把实验统统挤到教室里去进行。这个刚被提升的小伙子竟然要求自己占一间房子,天下哪有这个道理?

然而,他们的好奇心战胜了他们的反感。“假若你一定要的话,那么你可以把那间地窖拿去,我们把那些酒桶搬走就是了。”

这样,英国的第一所现代实验室,就在一个酒窖里诞生了。

Lord Kelvin by Hubert von Herkomer.

 

3.用塔顶楼作思考的房屋

 

年轻的汤姆孙的工作劲头,就象一股龙卷风。他就是他自己提出的动力学理论的化身。他从班级里的90个学生中,挑选了30人。组成了一个志愿队伍,他促使他们飞快地工作。工作成果累积得如此之快,以致他发现他需要更多的空间——“再给我一间作思考的房屋。”

他的同事们又奇怪地看着他了。他们说:“你用那间塔顶楼好了。”

从早到晚,他钻入深处,爬到高处,进行实验活动或抽象的设想。晚上,他散步回家——只有50码之遥—把一个技术专家的身躯和一个哲学家的心灵送进了睡乡—一个身强力壮的人的休憩。

 

4.把证明“浸透”到学生心里

 

对于学生来说,这位冷热无常的大教授是很令人兴奋的。没有人知道他下一步会干什么。有一天,他的朋友德国科学家亥姆霍兹来到他的实验室,参观开尔文进行陀螺仪的实验。一个厚的金属圆盘正在快速旋转。大教授打算证明,圆盘在旋转中,应该是垂直不动的,从而可以用类比法来说明,地球就其轴心来说,也是垂直不动的。突然间,他抓起一个钉锤,对着圆盘猛击了一下。金属圆盘失去平衡,马上向离心方向飞去,恰巧击中了衣帽架上悬桂着的亥姆霍兹的帽子,并将帽子砸破了。学生们哄堂大学。亥姆霍兹无可奈何,只得也随着大家笑了。开尔文倒是满天真的,他轻描谈写地说:“出了点毛病,我会赔你一顶新帽子的。”

他的话从不沉闷。他说:“我取消了上课宣读发了霉的论文的办法。”他的课堂和实验室堆满了各种各样的仪器,真是五花八门,样样俱全。小配件堆积在桌上,有的吊在天花板上,有的还挂在墙上。至于大件,有一套三件的螺旋弹簧振荡器;一座30英尺长的摆钟,摆的尾巴上还悬挂着一个12磅重的炮弹;一部怪样子的机器,里面装着许多的弹子球,球不断地向各个方向滚动,藉以揭示星云的动力学运动;此外还有成堆的陀螺仪。他把一个陀螺仪放在另一个陀螺仪上面旋转,藉以研究行星的运动。他把这些陀螺仪用各种方式放到一起,扭来扭去。在课堂的一角,从天花板上吊下一件看上去平凡无奇的装置——一个覆盖着橡皮薄膜的金属圈,是用来揭示露滴的性质的。有一天,他叫人弄了水来,把水浇在金属圈上,使橡皮往下垂胀。加上更多的水。最后橡皮破裂,“象一个负载过重的露滴。”水一直泼到了教室前排学生的头上。教授笑了,“我向来喜欢把我的证明浸透到你们的心里去。”

Thomson's tide-predicting machine.

 

5.“每个困难一定有解决的办法”

 

开尔文的思想很丰富,数学能力很强,在物理学的各个方面都开辟了许多新的道路。他在当时科学界享有极高的名望,受到英国本国和欧美各国科学家的推崇。他的科学观点可以引用1800年5月他在伦敦皇家研究所关于大气电学的讲演中对现象与本质问题的话来说明:

“常常提出这样的问题,人们是否只管事实和现象,而放弃追究隐藏在现象后面的物质的最终性质呢?这是一个必然由纯正哲学者回答的问题,它不属于自然哲学的范围。但是近许多年来世界上看到从这个屋子的实验结果中所发生的,在实验科学史上未曾有过的一连串的令人惊奇的发现。这些发现必然把人们的知识引导到这样一个阶段,将使无生物世界的规律表现 出每一现象基本上与所有全体现象相连,而无穷无尽的多样化的运用规律所达到的统一性将被认为是创造性智慧的产物。”

这一段话表达了开尔文的理想,他想像一个完善的统一的理论,能把世界的现象包罗无遗。他的意志是坚强的。他在1904年出版的《巴尔的摩讲演集》的序言上关于如何对待困难有这几句话:

“我们都感到,对困难必须正视,不能回避;应当把它放在心里,希望能够解决它。无论如何,每个困难一定有解决的办法,虽然我们可能一生没有能找到。”

开尔文终生不懈地致力于科学事业,他不怕失败,永远保持着乐观的战斗精神。1896年,在纪念他在格拉斯哥大学任教50年的会上,他说过:“我在过去55年里所极力追求的科学进展,可以有‘失败'这个词来标志。我现在不比50年以前当我开始担任教授时知道更多关于电和磁的力,或者关于以太、电与有重物之间的关系,或者关于化学亲合的性质。在失败中必有一些悲伤;但是在科学的追求中,本身包含的必要努力带来很多愉快的斗争,这就使科学家避免了苦闷,而或许还会使他在日常工作中相当快乐。”开尔文的这段话,可以说是对自己的科学生涯的总结。

The memorial of William Thomson, 1st Baron Kelvin in Kelvingrove Park next to the University of Glasgow.

 

6.“开尔文勋爵,研究生”

 

他更老了。他抱怨光阴流逝得太快。“一秒钟是太短促了,我们需要长一些的时间量度。”每天,他口授几个小时,身旁有两名秘书,一左一右。两名秘书各自记录他分别口授的东西,题目各不相同。

而现在,他已经快走到生命之路的尽头了。用毕生时间搞出来的学说和发明,眼看就要被更新的一些学说和发明挤进阴暗的角落里。威廉·伦琴、亨利·贝克勒耳以及玛丽·居里等人,他们为将来开辟了多么丰富的研究园地!在科学的世界观方面,他们又进行了一场什么样的革命!比起他们来,他又显得多么渺小和不足!在他担任格拉斯哥大学教授五十周年纪念日时,他有点自嘲地笑了。

任职五十周年庆祝后又过了三年,他辞去了格拉斯哥大学教授的职务。董事会希望他不要退休,继续工作。但是他摇摇头。“请不必感情用事吧,我已经没有什么用处了。”

他最后一次看到了他的学生们。“我最近相信,当一个人老了的时候,他在家内炉边最欣赏的,就是那些把他带回到大学生活时代的照片……使你们的生活充满光明和纯洁的那些照片……”就这样,他离开了他的教授岗位,可是并没有离开格拉斯哥大学。只要一息尚存,他无法割断他同格拉斯哥的纽带。1899年,当学年开始时,这位76岁的年迈学者,同大学本科生一道,走进注册室,也报了名:“开尔文勋爵,研究生。”他终于懂得,他不能再教了;从现在起,他只是学。

 

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