Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин (26 июня 1824 г. – 17 декабря 1907 г. [7] ) был британским математиком, математическим физиком и инженером. [8] [9] Родился в Белфасте, был профессором естественной философии в Университете Глазго в течение 53 лет, где он провел значительные исследования и математический анализ электричества, сыграл важную роль в формулировании первого и второго законов термодинамики [10] [ 11] и внес значительный вклад в объединение физики , которая тогда находилась в зачаточном состоянии развития как новая академическая дисциплина. Он получил медаль Копли Королевского общества в 1883 году и был его президентом с 1890 по 1895 год . В 1892 году он стал первым ученым, возведенным в Палату лордов [12]
Абсолютные температуры указаны в единицах кельвина в честь лорда Кельвина. Хотя существование самой холодной возможной температуры, абсолютного нуля , было известно до его работы, Кельвин определил ее правильное значение как приблизительно −273,15 градуса Цельсия или −459,67 градуса Фаренгейта . [13] Эффект Джоуля -Томсона также назван в его честь.
В своей работе Кельвин тесно сотрудничал с профессором математики Хью Блэкберном . Он также сделал карьеру инженера и изобретателя электрического телеграфа , что вывело его на публику и принесло ему богатство, славу и почести. За свою работу над проектом трансатлантического телеграфа он был посвящен в рыцари в 1866 году королевой Викторией , став сэром Уильямом Томсоном. Он имел обширные морские интересы и работал над морским компасом , который ранее имел ограниченную надежность.
В 1892 году Кельвину было пожаловано дворянское звание в знак признания его достижений в термодинамике и его оппозиции ирландскому самоуправлению , [14] [15] [16] став бароном Кельвином из Ларгса в графстве Эйр . Титул относится к реке Кельвин , которая протекает недалеко от его лаборатории в доме Гилморхилл в Хиллхеде в Университете Глазго . Несмотря на предложения о высоких должностях от нескольких всемирно известных университетов, Кельвин отказался покидать Глазго, оставаясь на этой должности до своей отставки в 1899 году. [7] Активно занимаясь промышленными исследованиями и разработками, он был нанят около 1899 года Джорджем Истманом на должность вице-председателя правления британской компании Kodak Limited, связанной с Eastman Kodak . [17] В 1904 году он стал канцлером Университета Глазго . [7]
Кельвин проживал в Незерхолле, особняке из красного камня в Ларгсе , который он построил в 1870-х годах и где он умер в 1907 году. В Хантерианском музее при Университете Глазго есть постоянная экспозиция, посвященная творчеству Кельвина, включающая множество его оригинальных документов, инструментов и других артефактов, включая его курительную трубку.
Отец Томсона, Джеймс Томсон , был учителем математики и инженерии в Королевском Белфастском академическом институте и сыном фермера. Джеймс Томсон женился на Маргарет Гарднер в 1817 году, и из их детей, четыре мальчика и две девочки пережили младенчество. Маргарет Томсон умерла в 1830 году, когда Уильяму было шесть лет. [18]
Уильям и его старший брат Джеймс обучались дома у своего отца, в то время как младшие мальчики обучались у своих старших сестер. Джеймс должен был извлечь большую долю отцовской поддержки, привязанности и финансовой поддержки и был готов к карьере инженера.
В 1832 году его отец был назначен профессором математики в Глазго , и семья переехала туда в октябре 1833 года. Дети Томсона получили более широкий космополитический опыт, чем сельское воспитание их отца, проведя середину 1839 года в Лондоне, а мальчики обучались французскому языку в Париже. Значительная часть жизни Томсона в середине 1840-х годов прошла в Германии и Нидерландах . Изучению языков уделялось большое внимание.
Его сестра, Анна Томсон, была матерью физика Джеймса Томсона Боттомли, члена FRSE. [19]
Томсон посещал Королевский академический институт Белфаста, где его отец был профессором на университетском факультете. В 1834 году, в возрасте 10 лет, он начал учиться в Университете Глазго , не из-за какой-то преждевременной развитости; университет предоставлял многие из удобств начальной школы для способных учеников, и это был типичный начальный возраст. В школе он проявил живой интерес к классике наряду со своим естественным интересом к наукам. В возрасте 12 лет он получил приз за перевод « Диалогов богов» Лукиана Самосатского с древнегреческого на английский язык.
В 1839/1840 учебном году Томсон выиграл приз класса по астрономии за свое «Эссе о фигуре Земли», которое показало раннюю способность к математическому анализу и творчеству. Его наставником по физике в это время был его тезка Дэвид Томсон . [20] На протяжении всей своей жизни он работал над проблемами, поднятыми в эссе, как над стратегией преодоления личного стресса. На титульном листе этого эссе Томсон написал следующие строки из « Эссе о человеке » Александра Поупа . Эти строки вдохновили Томсона на понимание окружающего мира с помощью силы и метода науки:
Иди, дивное создание! Поднимись туда, куда ведет Наука;
Иди, измерь землю, взвесь воздух и установи приливы;
Укажи планетам, по каким орбитам им двигаться,
Исправь старое Время и отрегулируй солнце;
Томсон был заинтригован работой Джозефа Фурье « Аналитическая теория тепла » ( Théorie analytique de la chaleur ) и посвятил себя изучению «континентальной» математики, которой сопротивлялся британский истеблишмент, все еще работавший в тени сэра Исаака Ньютона . Неудивительно, что работа Фурье подверглась нападкам со стороны отечественных математиков, Филипп Келланд написал критическую книгу. Книга побудила Томсона написать свою первую опубликованную научную работу [21] под псевдонимом PQR , защищая Фурье, которая была отправлена в «Кембриджский математический журнал» его отцом. Вторая работа PQR последовала почти сразу. [22]
Во время отпуска с семьей в Ламлаше в 1841 году он написал третью, более существенную работу PQR « О равномерном движении тепла в однородных твердых телах и его связи с математической теорией электричества» . [23] В этой работе он установил замечательные связи между математическими теориями теплопроводности и электростатикой — аналогию, которую Джеймс Клерк Максвелл в конечном итоге описал как одну из самых ценных идей, формирующих науку . [24]
Отец Уильяма смог щедро обеспечить образование своего любимого сына и в 1841 году поместил его, с обширными рекомендательными письмами и достаточным жильем, в Peterhouse, Кембридж . Во время учебы в Кембридже Томсон активно занимался спортом, легкой атлетикой и греблей , выиграв Colquhoun Sculls в 1843 году. [25] Он живо интересовался классикой, музыкой и литературой; но настоящей любовью его интеллектуальной жизни было стремление к науке. Изучение математики, физики и, в частности, электричества, пленило его воображение. В 1845 году Томсон получил диплом второго гребца . [26] Он также выиграл первую премию Смита , которая, в отличие от tripos , является испытанием оригинального исследования. Говорят, что Роберт Лесли Эллис , один из экзаменаторов, заявил другому экзаменатору: «Мы с тобой как раз готовы починить его перья». [27]
В 1845 году он дал первое математическое развитие идеи Майкла Фарадея о том, что электрическая индукция происходит через промежуточную среду, или « диэлектрик », а не посредством какого-то непостижимого «действия на расстоянии». Он также разработал математическую технику электрических изображений, которая стала мощным средством решения проблем электростатики , науки, которая имеет дело с силами между электрически заряженными телами в состоянии покоя. Частично в ответ на его поддержку Фарадей предпринял исследование в сентябре 1845 года, которое привело к открытию эффекта Фарадея , который установил, что световые и магнитные (и, следовательно, электрические) явления связаны.
Он был избран членом колледжа Св. Петра (как в то время часто называли Питерхаус) в июне 1845 года. [28] Получив стипендию, он провел некоторое время в лаборатории знаменитого Анри Виктора Реньо в Париже; но в 1846 году он был назначен на кафедру естественной философии в Университете Глазго. В возрасте 22 лет он обнаружил себя носящим мантию профессора в одном из старейших университетов страны и читающим лекции классу, в котором он был студентом первого курса несколько лет назад.
К 1847 году Томсон уже приобрел репутацию не по годам развитого и неординарного ученого, когда он посетил ежегодное собрание Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфорде . На этом собрании он услышал, как Джеймс Прескотт Джоуль предпринял очередную из своих, пока безуспешных, попыток дискредитировать калорическую теорию тепла и теорию тепловой машины, построенную на ней Сади Карно и Эмилем Клапейроном . Джоуль утверждал о взаимной обратимости тепла и механической работы и об их механической эквивалентности.
Томсон был заинтригован, но настроен скептически. Хотя он чувствовал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил в еще более глубокую приверженность школе Карно-Клапейрона. Он предсказал, что точка плавления льда должна падать с давлением , в противном случае его расширение при замерзании можно было бы использовать в вечном двигателе . Экспериментальное подтверждение в его лаборатории во многом укрепило его убеждения.
В 1848 году он расширил теорию Карно-Клапейрона, разочаровавшись в том, что газовый термометр давал только рабочее определение температуры. Он предложил абсолютную температурную шкалу [29], в которой «единица тепла, нисходящая от тела A при температуре T ° этой шкалы к телу B при температуре ( T −1)°, дала бы тот же самый механический эффект [работу] , каково бы ни было число T ». Такая шкала была бы «совершенно независимой от физических свойств любого конкретного вещества». [30] Используя такой «водопад», Томсон постулировал, что будет достигнута точка, в которой больше не может передаваться тепло (калория), точка абсолютного нуля , о которой Гийом Амонтон размышлял в 1702 году. «Размышления о движущей силе тепла», опубликованные Карно на французском языке в 1824 году, в год рождения лорда Кельвина, использовали −267 в качестве оценки температуры абсолютного нуля. Томсон использовал данные, опубликованные Реньо, для калибровки своей шкалы по установленным измерениям.
В своей публикации Томсон писал:
... Преобразование тепла (или калорийности ) в механический эффект, вероятно, невозможно, и, безусловно, не открыто.
—Но сноска сигнализировала о его первых сомнениях относительно теории теплорода, ссылаясь на весьма замечательные открытия Джоуля . Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль в конце концов прочитал ее, он написал Томсону 6 октября, утверждая, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планирует дальнейшие эксперименты. Томсон ответил 27 октября, показав, что он планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух сторон.
Томсон вернулся к критике оригинальной публикации Карно и прочитал свой анализ Королевскому обществу Эдинбурга в январе 1849 года, [31] все еще убежденный, что теория была фундаментально обоснованной. Однако, хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился все более неудовлетворенным теорией Карно и убежденным в теории Джоуля. В феврале 1851 года он сел, чтобы сформулировать свои новые мысли. Он не был уверен, как сформулировать свою теорию, и статья прошла через несколько черновиков, прежде чем он остановился на попытке примирить Карно и Джоуля. Во время своего переписывания он, кажется, рассматривал идеи, которые впоследствии привели к второму закону термодинамики . В теории Карно потерянное тепло было абсолютно потеряно, но Томсон утверждал, что оно было « потеряно для человека безвозвратно; но не потеряно в материальном мире». Более того, его теологические убеждения привели Томсона к экстраполяции второго закона на космос, что породило идею всеобщей тепловой смерти .
Я считаю, что в материальном мире существует тенденция к рассеиванию движения, и что в целом постепенно происходит обратная концентрация — я считаю, что никакое физическое действие не может восстановить тепло, излучаемое Солнцем, и что этот источник не является неисчерпаемым; также что движения Земли и других планет теряют живую силу , которая преобразуется в тепло; и что хотя некоторая часть живой силы может быть восстановлена, например, на Земле за счет тепла, полученного от Солнца, или другими способами, эта потеря не может быть точно компенсирована, и я думаю, что, вероятно, она недокомпенсирована. [32]
Компенсация потребовала бы творческого акта или акта, обладающего подобной силой , [32] что привело бы к омоложению Вселенной (так как Томсон ранее сравнил всеобщую тепловую смерть с часами, идущими все медленнее и медленнее, хотя он не был уверен, достигнут ли они в конечном итоге термодинамического равновесия и остановятся ли навсегда ). [33] Томсон также сформулировал парадокс тепловой смерти (парадокс Кельвина) в 1862 году, который использует второй закон термодинамики, чтобы опровергнуть возможность бесконечно старой Вселенной; этот парадокс был позже расширен Уильямом Рэнкином . [34]
В последней публикации Томсон отступил от радикального отступления и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на... двух... положениях, выдвинутых соответственно Джоулем, Карно и Клаузиусом». [35] Томсон продолжил формулировать форму второго закона:
Невозможно посредством неодушевленного материального фактора получить механический эффект от любой части материи, охлаждая ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. [36]
В статье Томсон поддерживает теорию о том, что тепло является формой движения, но признает, что на него повлияли только мысли сэра Гемфри Дэви и эксперименты Джоуля и Юлиуса Роберта фон Майера , утверждая, что экспериментальная демонстрация преобразования тепла в работу все еще остается выдающейся. [37] Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону свои комментарии и вопросы. Так началось плодотворное, хотя в основном эпистолярное, сотрудничество между двумя мужчинами: Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество продолжалось с 1852 по 1856 год, его открытия, включая эффект Джоуля-Томсона , иногда называемый эффектом Кельвина-Джоуля, и опубликованные результаты [38] во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетической теории .
Томсон опубликовал более 650 научных работ [2] и подал заявки на 70 патентов (не все были выданы). Относительно науки Томсон написал следующее:
В физической науке первым существенным шагом в направлении изучения любого предмета является нахождение принципов численного исчисления и практических методов измерения некоторого качества, связанного с ним. Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в числах, вы знаете что-то об этом; но когда вы не можете это измерить, когда вы не можете выразить это в числах, ваши знания скудны и неудовлетворительны: это может быть началом знания, но вы едва ли, в своих мыслях, продвинулись до стадии науки , какова бы ни была суть вопроса. [39]
Хотя Томсон был выдающимся ученым, он был малоизвестен широкой публике. В сентябре 1852 года он женился на своей возлюбленной детства Маргарет Крам, дочери Уолтера Крама ; [7] но ее здоровье ухудшилось во время их медового месяца, и в течение следующих 17 лет Томсон был отвлечен ее страданиями. 16 октября 1854 года Джордж Габриэль Стокс написал Томсону, чтобы попытаться снова заинтересовать его работой, спросив его мнение о некоторых экспериментах Фарадея по предлагаемому трансатлантическому телеграфному кабелю .
Фарадей продемонстрировал, как конструкция кабеля ограничит скорость, с которой могут передаваться сообщения — в современных терминах, пропускную способность . Томсон ухватился за проблему и опубликовал свой ответ в том же месяце. [40] Он выразил свои результаты в терминах скорости передачи данных , которая может быть достигнута, и экономических последствий в терминах потенциального дохода трансатлантического предприятия. В дальнейшем анализе 1855 года [41] Томсон подчеркнул влияние, которое конструкция кабеля окажет на его прибыльность.
Томсон утверждал, что скорость передачи сигнала по данному кабелю обратно пропорциональна квадрату длины кабеля. Результаты Томсона были оспорены на заседании Британской ассоциации в 1856 году Уайлдменом Уайтхаусом , электриком Atlantic Telegraph Company . Уайтхаус, возможно, неверно истолковал результаты своих собственных экспериментов, но, несомненно, чувствовал финансовое давление, поскольку планы по кабелю уже были в самом разгаре. Он считал, что расчеты Томсона подразумевали, что кабель должен быть «отказан как практически и коммерчески невозможный».
Томсон напал на утверждение Уайтхауса в письме в популярный журнал Athenaeum [42] , выставив себя напоказ общественности. Томсон рекомендовал больший проводник с большим поперечным сечением изоляции . Он считал Уайтхауса не дураком и подозревал, что у него могут быть практические навыки, чтобы заставить существующую конструкцию работать. Работа Томсона привлекла внимание организаторов проекта. В декабре 1856 года он был избран в совет директоров Atlantic Telegraph Company.
Томсон стал научным консультантом команды, где Уайтхаус был главным электриком, а сэр Чарльз Тилстон Брайт — главным инженером. Однако Уайтхаус настоял на своей спецификации, поддержанной Фарадеем и Сэмюэлем Ф. Б. Морзе .
Томсон плавал на борту судна HMS Agamemnon в августе 1857 года, а Уайтхаус был прикован к земле из-за болезни, но путешествие закончилось через 380 миль (610 км), когда кабель оборвался. Томсон внес свой вклад в усилия, опубликовав в Engineer всю теорию напряжений, возникающих при прокладке подводного кабеля связи , показывающую, что когда линия выходит из корабля с постоянной скоростью в воде одинаковой глубины, она погружается под наклоном или прямым наклоном от точки, где она входит в воду, до точки, где она касается дна. [43]
Томсон разработал полную систему для работы подводного телеграфа, который был способен отправлять символ каждые 3,5 секунды. Он запатентовал ключевые элементы своей системы, зеркальный гальванометр и сифонный самописец , в 1858 году. Уайтхаус все еще чувствовал себя способным игнорировать многочисленные предложения и предложения Томсона. Только когда Томсон убедил совет, что использование более чистой меди для замены потерянного участка кабеля улучшит пропускную способность данных, он впервые внес изменения в реализацию проекта. [44]
Правление настояло на том, чтобы Томсон присоединился к экспедиции по прокладке кабеля 1858 года без какой-либо финансовой компенсации и принял активное участие в проекте. Взамен Томсон обеспечил испытание своего зеркального гальванометра, к которому правление отнеслось без энтузиазма, наряду с оборудованием Уайтхауса. Томсон посчитал предоставленный ему доступ неудовлетворительным, и «Агамемнону » пришлось вернуться домой после катастрофического шторма в июне 1858 года. В Лондоне правление собиралось отказаться от проекта и уменьшить свои потери, продав кабель. Томсон, Сайрус Уэст Филд и Кертис М. Лэмпсон выступили за еще одну попытку и победили, Томсон настаивал на том, что технические проблемы можно решить. Хотя Томсон был нанят в качестве консультанта, во время плаваний он развил в себе настоящие инженерные инстинкты и навыки практического решения проблем в условиях давления, часто беря на себя руководство в решении чрезвычайных ситуаций и не боясь помогать в ручной работе. Кабель был завершен 5 августа.
Опасения Томсона оправдались, когда аппарат Уайтхауса оказался недостаточно чувствительным и его пришлось заменить зеркальным гальванометром Томсона. Уайтхаус продолжал утверждать, что именно его оборудование обеспечивало работу, и начал принимать отчаянные меры для устранения некоторых проблем. Он смертельно повредил кабель, применив 2000 вольт . Когда кабель полностью вышел из строя, Уайтхаус был уволен, хотя Томсон возражал и получил выговор от правления за свое вмешательство. Впоследствии Томсон сожалел, что слишком легко согласился на многие предложения Уайтхауса и не бросил ему вызов с достаточной энергией. [45]
Совместный комитет по расследованию был создан Советом по торговле и Atlantic Telegraph Company. Было установлено, что большая часть вины за отказ кабеля лежит на Уайтхаусе. [46] Комитет обнаружил, что, хотя подводные кабели были печально известны своей ненадежностью , большинство проблем возникали по известным и предотвратимым причинам. Томсон был назначен одним из пяти членов комитета, чтобы рекомендовать спецификацию для нового кабеля. Комитет представил отчет в октябре 1863 года. [47]
В июле 1865 года Томсон отправился в экспедицию по прокладке кабеля на судне SS Great Eastern , но плавание было осложнено техническими проблемами. Кабель был утерян после того, как было проложено 1200 миль (1900 км), и проект был заброшен. Еще одна попытка в 1866 году проложила новый кабель за две недели, а затем восстановила и завершила кабель 1865 года. Предприятие было воспринято публикой как триумф, и Томсон наслаждался большой долей лести. Томсон, вместе с другими руководителями проекта, был посвящен в рыцари 10 ноября 1866 года. Чтобы использовать свои изобретения для сигнализации на длинных подводных кабелях, Томсон вступил в партнерство с CF Varley и Fleeming Jenkin . Совместно с последним он также разработал автоматический отправитель бордюра , своего рода телеграфный ключ для отправки сообщений по кабелю.
Томсон принимал участие в прокладке французского атлантического подводного кабеля связи в 1869 году, а вместе с Дженкиным был инженером Западного и Бразильского и Платино-Бразильских кабелей, которому помогал студент-каникулы Джеймс Альфред Юинг . Он присутствовал при прокладке участка бразильских прибрежных кабелей от Пара до Пернамбуку в 1873 году.
Жена Томсона, Маргарет, умерла 17 июня 1870 года, и он решил изменить свою жизнь. Уже будучи увлеченным мореплаванием, в сентябре он приобрел 126-тонную шхуну Lalla Rookh [48] [49] и использовал ее как базу для развлечения друзей и коллег-ученых. Его морские интересы продолжились в 1871 году, когда он был назначен в Комиссию по расследованию гибели HMS Captain .
В июне 1873 года Томсон и Дженкин находились на борту судна Hooper , направлявшегося в Лиссабон с 2500 милями (4020 км) кабеля, когда в кабеле произошел сбой. Затем последовала незапланированная 16-дневная остановка на Мадейре , и Томсон подружился с Чарльзом Р. Блэнди и его тремя дочерьми. 2 мая 1874 года он отплыл на Мадейру на судне Lalla Rookh . Приближаясь к гавани, он подал сигнал резиденции Блэнди: «Вы выйдете за меня замуж?», и Фанни (дочь Блэнди Фрэнсис Анна Блэнди) ответила: «Да». Томсон женился на Фанни, которая была на 13 лет моложе его, 24 июня 1874 года.
В период с 1855 по 1867 год Томсон сотрудничал с Питером Гатри Тейтом над учебником, который сначала основывал изучение механики на математике кинематики , описании движения без учета силы . Текст развивал динамику в различных областях, но с постоянным вниманием к энергии как объединяющему принципу. Второе издание появилось в 1879 году, расширенное до двух отдельных частей. Учебник установил стандарт для раннего образования в области математической физики .
Томсон внес значительный вклад в изучение атмосферного электричества за относительно короткое время, в течение которого он работал над этой темой, около 1859 года. [50] Он разработал несколько приборов для измерения атмосферного электрического поля, используя некоторые из электрометров, которые он изначально разработал для телеграфной работы, которые он испытывал в Глазго и во время отпуска на Арране. Его измерения на Арране были достаточно строгими и хорошо откалиброванными, чтобы их можно было использовать для определения загрязнения воздуха в районе Глазго по его влиянию на атмосферное электрическое поле. [51] Электрометр с капельницей Томсона использовался для измерения атмосферного электрического поля в обсерваториях Кью и Эскдалемуир в течение многих лет, [52] и один из них все еще эксплуатировался в обсерватории Какиока в Японии [53] до начала 2021 года. Томсон, возможно, невольно наблюдал атмосферные электрические эффекты, вызванные событием Кэррингтона (значительная геомагнитная буря) в начале сентября 1859 года. [50]
Между 1870 и 1890 годами теория вихревого атома, которая подразумевала, что атом является вихрем в эфире , была популярна среди британских физиков и математиков. Томсон был пионером теории, которая отличалась от вихревой теории 17-го века Рене Декарта тем, что Томсон мыслил в терминах унитарной теории континуума, тогда как Декарт мыслил в терминах трех различных типов материи, каждый из которых относился соответственно к излучению, передаче и отражению света. [54] Около 60 научных работ были написаны примерно 25 учеными. Следуя примеру Томсона и Тейта, [55] была разработана ветвь топологии, называемая теорией узлов . Инициатива Томсона в этом сложном исследовании, которое продолжает вдохновлять новую математику, привела к сохранению этой темы в истории науки . [56]
Томсон был увлеченным яхтсменом, его интерес ко всему, что связано с морем, возможно, возник из его опыта на Agamemnon и Great Eastern или был им усилен . Томсон представил новый метод глубоководного зондирования , в котором стальная рояльная проволока заменяет обычную ручную леску. Проволока так легко скользит ко дну, что «летучие промеры» можно проводить, пока судно идет на полной скорости. Томсон добавил манометр для регистрации глубины грузила. [57] Примерно в то же время он возродил метод Самнера для определения местоположения судна и рассчитал набор таблиц для его готового применения.
В 1880-х годах Томсон работал над усовершенствованием регулируемого компаса для исправления ошибок, возникающих из-за магнитного отклонения из-за возросшего использования железа в военно-морской архитектуре . Конструкция Томсона была большим улучшением по сравнению со старыми инструментами, будучи более устойчивой и менее подверженной трению. Отклонение, вызванное магнетизмом корабля, корректировалось подвижными железными массами на нактоузе . Инновации Томсона включали в себя большую детальную работу по разработке принципов, определенных Джорджем Бидделлом Эйри и другими, но мало что внесли с точки зрения нового физического мышления. Энергичное лоббирование и сетевое взаимодействие Томсона оказались эффективными в получении признания его инструмента Адмиралтейством .
Научные биографы Томсона, если они вообще обращали внимание на его инновации в области компаса, обычно считали это печальной сагой о недалеких морских администраторах, сопротивляющихся чудесным инновациям от превосходного научного ума. Писатели, симпатизирующие флоту, с другой стороны, изображают Томсона как человека несомненного таланта и энтузиазма, с некоторыми подлинными знаниями о море, который сумел превратить горстку скромных идей в области конструкции компаса в коммерческую монополию для своего собственного производственного концерна, используя свою репутацию дубинки в судах, чтобы отбивать даже небольшие претензии на оригинальность от других, и убеждая Адмиралтейство и закон не обращать внимания как на недостатки его собственной конструкции, так и на достоинства его конкурентов.
Истина, по-видимому, неизбежно лежит где-то между двумя крайностями. [58]
Чарльз Бэббидж был одним из первых, кто предположил, что маяк может передавать отличительные номера путем затенения своего света, но Томсон указал на преимущества азбуки Морзе для этой цели и настоятельно рекомендовал, чтобы сигналы состояли из коротких и длинных вспышек света, представляющих точки и тире.
Томсон сделал больше, чем любой другой электрик до него, для внедрения точных методов и приборов для измерения электричества. Еще в 1845 году он указал, что экспериментальные результаты Уильяма Сноу Харриса соответствовали законам Кулона . В « Записках Римской академии наук» за 1857 год он опубликовал описание своего разделенного кольцевого электрометра , основанного на электроскопе Иоганна Готлиба Фридриха фон Боненбергера . Он представил цепь или ряд эффективных приборов, включая квадрантный электрометр, которые охватывают всю область электростатических измерений. Он изобрел токовые весы , также известные как весы Кельвина или весы Ампера ( SiC ), для точной спецификации ампера , стандартной единицы электрического тока . Примерно с 1880 года ему помогал инженер-электрик Магнус Маклин FRSE в его электрических экспериментах. [59]
В 1893 году Томсон возглавил международную комиссию по принятию решения о конструкции электростанции Ниагарского водопада . Несмотря на свою веру в превосходство передачи электроэнергии постоянным током , он одобрил систему переменного тока Вестингауза , которая была продемонстрирована на Всемирной выставке в Чикаго в том году. Даже после Ниагарского водопада Томсон все еще придерживался своей веры в то, что постоянный ток является превосходящей системой. [60]
Признавая его вклад в стандартизацию электротехники, Международная электротехническая комиссия избрала Томсона своим первым президентом на предварительном заседании, состоявшемся в Лондоне 26–27 июня 1906 года. «По предложению президента [г-на Александра Сименса, Великобритания], поддержанному [sic] г-ном Майю [Институт инженеров-электриков США], достопочтенный лорд Кельвин, GCVO , OM , был единогласно избран первым президентом Комиссии», — говорится в протоколе отчета предварительного заседания. [61]
Kelvin made an early physics-based estimation of the age of Earth. Given his youthful work on the figure of Earth and his interest in heat conduction, it is no surprise that he chose to investigate Earth's cooling and to make historical inferences of Earth's age from his calculations. Thomson was a creationist in a broad sense, but he was not a 'flood geologist'[62] (a view that had lost mainstream scientific support by the 1840s.)[63][64] He contended that the laws of thermodynamics operated from the birth of the universe and envisaged a dynamic process that saw the organisation and evolution of the Solar System and other structures, followed by a gradual "heat death". He developed the view that Earth had once been too hot to support life and contrasted this view with that of uniformitarianism, that conditions had remained constant since the indefinite past. He contended that "This earth, certainly a moderate number of millions of years ago, was a red-hot globe … ."[65]
After the publication of Charles Darwin's On the Origin of Species in 1859, Thomson saw evidence of the relatively short habitable age of Earth as tending to contradict Darwin's gradualist explanation of slow natural selection bringing about biological diversity. Thomson's own views favoured a version of theistic evolution sped up by divine guidance.[66] His calculations showed that the Sun could not have possibly existed long enough to allow the slow incremental development by evolution—unless it was heated by an energy source beyond the knowledge of Victorian era science. He was soon drawn into public disagreement with geologists and with Darwin's supporters John Tyndall and T. H. Huxley. In his response to Huxley's address to the Geological Society of London (1868) he presented his address "Of Geological Dynamics" (1869)[67] which, among his other writings, challenged the geologists' assertion that Earth must be vastly old, perhaps billions of years in age.[68]
Thomson's initial 1864 estimate of Earth's age was from 20 to 400 million years old. These wide limits were due to his uncertainty about the melting temperature of rock, to which he equated Earth's interior temperature,[69][70] as well as the uncertainty in thermal conductivities and specific heats of rocks. Over the years he refined his arguments and reduced the upper bound by a factor of ten, and in 1897 Thomson, now Lord Kelvin, ultimately settled on an estimate that Earth was 20–40 million years old.[65][71] In a letter published in Scientific American Supplement 1895 Kelvin criticized geologists' estimates of the age of rocks and the age of Earth, including the views published by Darwin, as "vaguely vast age".[72]
His exploration of this estimate can be found in his 1897 address to the Victoria Institute, given at the request of the institute's president George Stokes,[73] as recorded in that institute's journal Transactions.[74] Although his former assistant John Perry published a paper in 1895 challenging Kelvin's assumption of low thermal conductivity inside Earth, and thus showing a much greater age,[75] this had little immediate impact. The discovery in 1903 that radioactive decay releases heat led to Kelvin's estimate being challenged, and Ernest Rutherford famously made the argument in a 1904 lecture attended by Kelvin that this provided the unknown energy source Kelvin had suggested, but the estimate was not overturned until the development in 1907 of radiometric dating of rocks.[68]
The discovery of radioactivity largely invalidated Kelvin's estimate of the age of Earth. Although he eventually paid off a gentleman's bet with Strutt on the importance of radioactivity in Earth's geology, he never publicly acknowledged this because he thought he had a much stronger argument restricting the age of the Sun to no more than 20 million years. Without sunlight, there could be no explanation for the sediment record on Earth's surface. At the time, the only known source for solar energy was gravitational collapse. It was only when thermonuclear fusion was recognised in the 1930s that Kelvin's age paradox was truly resolved.[76] However, modern cosmology recognizes the Kelvin period in the early life of a star, during which it shines from gravitational energy (correctly calculated by Kelvin) before fusion and the main sequence begins.
.jpg/1280px-Jubilee_of_Baron_Kelvin._Photograph_by_Maclure,_Macdonald_&_Wellcome_V0028635_(cropped).jpg)
In the winter of 1860–61 Kelvin slipped on the ice while curling near his home at Netherhall and fractured his leg, causing him to miss the 1861 Manchester meeting of the British Association for the Advancement of Science and to limp thereafter.[7] He remained something of a celebrity on both sides of the Atlantic until his death.
Thomson remained a devout believer in Christianity throughout his life; attendance at chapel was part of his daily routine.[77] He saw his Christian faith as supporting and informing his scientific work, as is evident from his address to the annual meeting of the Christian Evidence Society[78] on 23 May 1889.[79]
In the 1902 Coronation Honours list published on 26 June 1902 (the original day of the coronation of Edward VII and Alexandra),[80] Kelvin was appointed a Privy Councillor and one of the first members of the new Order of Merit (OM). He received the order from the King on 8 August 1902[81][82] and was sworn a member of the council at Buckingham Palace on 11 August 1902.[83] In his later years he often travelled to his town house at 15 Eaton Place, off Eaton Square in London's Belgravia.[7]
In November 1907 he caught a chill and his condition deteriorated until he died at his Scottish country seat, Netherhall, in Largs on 17 December.[84] At the request of Westminster Abbey, the undertakers Wylie & Lochhead prepared an oak coffin lined with lead. In the dark of the winter evening the cortege set off from Netherhall for Largs railway station, a distance of about a mile. Large crowds witnessed the passing of the cortege, and shopkeepers closed their premises and dimmed their lights. The coffin was placed in a special Midland and Glasgow and South Western Railway van. The train set off at 8:30 pm for Kilmarnock, where the van was attached to the overnight express to St Pancras railway station in London.[85]
Kelvin's funeral was on 23 December 1907.[7] The Abbey was crowded, including representatives from the University of Glasgow and the University of Cambridge, along with representatives from France, Italy, Germany, Austria-Hungary, Russia, the United States, Canada, Australia, Japan, and Monaco. Kelvin's grave is in the nave, near the choir screen, and close to the graves of Isaac Newton, John Herschel, and Charles Darwin.[86] Darwin's son, Sir George Darwin, was one of the pall-bearers.[87]
The University of Glasgow held a memorial service for Kelvin in the Bute Hall. Kelvin had been a member of the Scottish Episcopal Church, attached to St Columba's Episcopal Church in Largs, and when in Glasgow to St Mary's Episcopal Church (now, St Mary's Cathedral, Glasgow).[85] At the same time as the funeral in Westminster Abbey, a service was held in St Columba's Episcopal Church, Largs, attended by a large congregation including burgh dignitaries.[88]
Lord Kelvin is memorialised on the Thomson family grave in Glasgow Necropolis. The family grave has a second modern memorial, erected by the Royal Philosophical Society of Glasgow; a society of which he was president in the periods 1856–58 and 1874–77.[89]
In 1884, Lord Kelvin led a master class on "Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light" at Johns Hopkins University.[90] Kelvin referred to the acoustic wave equation describing sound as waves of pressure in air and attempted to describe also an electromagnetic wave equation, presuming a luminiferous aether susceptible to vibration. The study group included Albert A. Michelson and Edward W. Morley who subsequently performed the Michelson–Morley experiment, which found no luminiferous aether. Kelvin did not provide a text, but A. S. Hathaway took notes and duplicated them with a papyrograph. As the subject matter was under active development, Kelvin amended that text and in 1904 it was typeset and published. Kelvin's attempts to provide mechanical models ultimately failed in the electromagnetic regime. Starting from his lecture in 1884, he was the first scientist to formulate the hypothetical concept of dark matter; he then attempted to define and locate some "dark bodies" in the Milky Way.[91][92]
He was skeptical about Maxwell's prediction of radiation pressure, but admitted that it did exist after seeing Pyotr Lebedev's experimental proof of radiation pressure.[93]
On 27 April 1900 he gave a widely reported lecture titled "Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light" to the Royal Institution.[94][95] The two "dark clouds" he was alluding to were confusion surrounding how matter moves through the aether (including the puzzling results of the Michelson–Morley experiment) and indications that the equipartition theorem in statistical mechanics might break down. Two major physical theories were developed during the 20th century starting from these issues: for the former, the theory of relativity; for the second, quantum mechanics. In 1905 Albert Einstein published the so-called annus mirabilis papers, one of which explained the photoelectric effect based on Max Planck's discovery of energy quanta which was the foundation of quantum mechanics, another of which described special relativity, and the last of which explained Brownian motion in terms of statistical mechanics, providing a strong argument for the existence of atoms.
Like many scientists, Thomson made some mistakes in predicting the future of technology.
His biographer Silvanus P. Thompson writes that "When Röntgen's discovery of the X-rays was announced at the end of 1895, Lord Kelvin was entirely skeptical, and regarded the announcement as a hoax. The papers had been full of the wonders of Röntgen's rays, about which Lord Kelvin was intensely skeptical until Röntgen himself sent him a copy of his Memoir"; on 17 January 1896, having read the paper and seen the photographs, he wrote Röntgen a letter saying that "I need not tell you that when I read the paper I was very much astonished and delighted. I can say no more now than to congratulate you warmly on the great discovery you have made"[96] Kelvin had his own hand X-rayed in May 1896.[97]
His forecast for practical aviation (i.e., heavier-than-air aircraft) was negative. In 1896 he refused an invitation to join the Aeronautical Society, writing "I have not the smallest molecule of faith in aerial navigation other than ballooning or of expectation of good results from any of the trials we hear of."[98] In a 1902 newspaper interview he predicted that "No balloon and no aeroplane will ever be practically successful."[99]
A statement falsely attributed to Kelvin is: "There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement." This has been widely misattributed to Kelvin since the 1980s, either without citation or stating that it was made in an address to the British Association for the Advancement of Science (1900).[100] There is no evidence that Kelvin said this,[101][102] and the quote is instead a paraphrase of Albert A. Michelson, who in 1894 stated: "… it seems probable that most of the grand underlying principles have been firmly established … An eminent physicist remarked that the future truths of physical science are to be looked for in the sixth place of decimals."[102] Similar statements were given earlier by others, such as Philipp von Jolly.[103] The attribution to Kelvin in 1900 is presumably a confusion with his "Two clouds" lecture and which on the contrary pointed out areas that would subsequently see revolutions.
In 1898, Kelvin predicted that only 400 years of oxygen supply remained on the planet, due to the rate of burning combustibles.[104][105] In his calculation, Kelvin assumed that photosynthesis was the only source of free oxygen; he did not know all of the components of the oxygen cycle.[dubious – discuss] He could not even have known all of the sources of photosynthesis: for example the cyanobacterium Prochlorococcus—which accounts for more than half of marine photosynthesis—was not discovered until 1986.
A variety of physical phenomena and concepts with which Thomson is associated are named Kelvin, including:
Mount Kelvin in New Zealand's Paparoa Range was named after him by botanist William Trownson.[106]
His first wife was Margaret Crum and he married secondly Frances Blandy but had no children.
British theoretical and experimental physicist
Lord Kelvin 1824–1907 British physicist and natural philosopher
Kelvin, Lord (1824–1907) The British mathematician, physicist and engineer
A Belfast-born Scottish scientist
Kelvin, Lord (William Thomson) (1824–1907) Scottish physicist
Lord Kelvin 1824–1907 British scientist
Kelvin, Lord (William Thomson; 1824–1907) British physicist
Kelvin, Lord (William Thomson; 1824–1907) British physicist, born in Belfast
