開爾文

　　開爾文

　　開爾文(1824-1907)是英國著名物理學家、發明家，原名W.湯姆孫。他是本世紀的最偉大的人物之一，是一個偉大的數學物理學家兼電學家。他被看作英帝國的第一位物理學家，同時受到世界其他國家的贊賞。他的一生獲得了一切可能給予的榮譽。而他也無愧于這一切，這是他在漫長的一生中所作的實際努力而獲得的。這些努力使他不僅有了名望和財富，而且贏得了廣泛的聲譽。

　　1824年6月26日開爾文生于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：“科學領路到哪里，就在哪里攀登不息”。1845年畢業于劍橋大學，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。畢業后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。由于裝設第一條大西洋海底電纜有功，英政府于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開爾文勛爵，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。

　　開爾文研究范圍廣泛，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他一生發表論文多達600余篇，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應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于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于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。并且指出，如果此定律不成立，就必須承認可以有一種永動機，它借助于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后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，廣泛地應用到低溫技術中。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）。這一現象后叫湯姆孫效應。

　　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。他揭示了傅里葉熱傳導理論和勢理論之間的相似性，討論了法拉第關于電作用傳播的概念，分析了振蕩電路及由此產生的交變電流。他的文章影響了麥克斯韋，后者向他請教，希望能和他研究同一課題，并給了他極高的贊譽。

　　開爾文在電磁學理論和工程應用上研究成果卓著。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。他深人研究了萊頓瓶的放電振蕩特性，于1853年發表了《萊頓瓶的振蕩放電》的論文，推算了振蕩的頻率，為電磁振蕩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，就會深人到電磁波問題）。他曾在日記中寫道：“假使我能把物體對于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范圍，不過那當然是以后的事了。”他的偉大之處，在于能把自己的全部研究成果，毫無保留地介紹給了麥克斯韋，并鼓勵麥克斯韋建立電磁現象的統一理論，為麥克斯韋最后完成電磁場理論奠定了基礎。

　　他十分重視理論聯系實際。1875年預言了城市將采用電力照明，1879年又提出了遠距離輸電的可能性。他的這些設想以后都得以實現。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，終于在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。他善于把教學、科研、工業應用結合在一起，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，但只由于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"小于5×108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。最后，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。他航行的收獲之一是在1876年發明了適用于鐵船的特殊羅盤，這一發明后來為英國海軍所采用，而且一直用到被現代回轉羅盤代替為止。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。

　　基于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，僅取決于普適的物理定律。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應用于工業，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并且困難的任務。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，并采用伏特、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，單位制的問題并未就此解決，后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。

　　開爾文一生謙虛勤奮，意志堅強，不怕失敗，百折不撓。在對待困難問題上他講：“我們都感到，對困難必須正視，不能回避；應當把它放在心里，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。”他這種終生不懈地為科學事業奮斗的精神，永遠為后人敬仰。1896年在格拉斯哥大學慶祝他50周年教授生涯大會上，他說：“有兩個字最能代表我50年內在科學研究上的奮斗，就是‘失敗’兩字。”這足以說明他的謙虛品德。為了紀念他在科學上的功績，國際計量大會把熱力學溫標（即絕對溫標）稱為開爾文（開氏）溫標，熱力學溫度以開爾文為單位，是現在國際單位制中七個基本單位之一。

　　開爾文的一生是非常成功的，他可以算作世界上最偉大的科學家中的一位。他于1907年12月17日去世時，得到了幾乎整個英國和全世界科學家的哀悼。他的遺體被安葬在威斯敏斯特教堂牛頓墓的旁邊。