Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , OM , GCVO , PC , FRS , FRSE (26 июня 1824 — 17 декабря 1907) [7] — британский математик , математическая физика и инженер, родившийся в Белфасте . [8] Он был профессором естественной философии в Университете Глазго в течение 53 лет, где провел значительные исследования и математический анализ электричества, формулировку первого и второго законов термодинамики , а также внес значительный вклад в объединение физики , что было тогда она находилась в зачаточном состоянии 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 британским учёным, избранным в Палату лордов . [2]
В его честь абсолютные температуры указаны в единицах Кельвина . Хотя существование самой холодной температуры, известной как абсолютный ноль , было известно до его работы, Кельвин известен тем, что определил ее правильное значение примерно как -273,15 градусов по Цельсию или -459,67 градусов по Фаренгейту . Эффект Джоуля-Томсона также назван в его честь.
В своей работе он тесно сотрудничал с профессором математики Хью Блэкберном . Он также сделал карьеру инженера и изобретателя электрического телеграфа , что привлекло к нему внимание общественности и принесло ему богатство, славу и почести. За работу над трансатлантическим телеграфным проектом в 1866 году королева Виктория посвятила его в рыцари , став сэром Уильямом Томсоном. Он имел обширные морские интересы и много работал над морским компасом , который ранее имел ограниченную надежность.
Он был удостоен дворянства в 1892 году в знак признания его достижений в области термодинамики и его противодействия ирландскому самоуправлению , [9] [10] [11] став бароном Кельвином из Ларгса в графстве Эйр . Название отсылает к реке Кельвин , которая протекает рядом с его лабораторией в доме Гилморхилл при Университете Глазго в Хиллхеде . Несмотря на предложения о повышенных должностях в нескольких всемирно известных университетах, Кельвин отказался покинуть Глазго и оставался там до своего окончательного выхода на пенсию с этого поста в 1899 году . заместитель председателя правления британской компании Kodak Limited, аффилированной с Eastman Kodak . [12] В 1904 году он стал ректором Университета Глазго . [7]
Он проживал в Нетерхолле, особняке из красного камня в Ларгсе , который он построил в 1870-х годах и где он умер в 1907 году. В Хантерианском музее Университета Глазго есть постоянная выставка работ Кельвина, которая включает в себя множество его оригинальных статей. инструменты и другие артефакты, в том числе курительная трубка.
Отец Уильяма Томсона, Джеймс Томсон , был преподавателем математики и инженерного дела в Королевском академическом институте Белфаста и сыном фермера. Джеймс Томсон женился на Маргарет Гарднер в 1817 году, и из их детей четверо мальчиков и две девочки пережили младенчество. Маргарет Томсон умерла в 1830 году, когда Уильяму было шесть лет. [13]
Уильяма и его старшего брата Джеймса обучал дома их отец, а младших мальчиков обучали старшие сестры. Джеймс должен был получить большую часть поощрения, привязанности и финансовой поддержки своего отца 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 Томсонов познакомились с более широким космополитическим опытом, чем сельское воспитание их отца: они провели середину 1839 года в Лондоне, и мальчиков обучали французскому языку. в Париже. Большую часть жизни Томсон в середине 1840-х годов провел в Германии и Нидерландах . Изучению языка уделялось первоочередное внимание.
Его сестра, Анна Томсон, была матерью физика Джеймса Томсона Боттомли FRSE (1845–1926). [14]
У Томсона были проблемы с сердцем, и он чуть не умер, когда ему было 9 лет. Он учился в Королевском академическом институте Белфаста , где его отец был профессором университетского факультета. В 1834 году, в возрасте 10 лет, он начал учиться в Университете Глазго не по ранним годам; Университет предоставил многие возможности начальной школы для способных учеников, и это был типичный начальный возраст.
В школе Томсон проявлял живой интерес к классике наряду с 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 получил классную премию по астрономии за свое эссе о фигуре Земли , которое продемонстрировало ранние способности к математическому анализу и творчеству. Его наставником по физике в это время был его тезка Дэвид Томсон . [15]
На протяжении всей своей жизни он работал над проблемами, поднятыми в эссе, в качестве стратегии преодоления трудностей во времена личного стресса . На титульном листе этого эссе Томсон написал следующие строки из «Опыта о человеке» Александра Поупа . Эти строки вдохновили Томсона понять мир природы, используя силу и методы науки:
Иди, дивное существо! гора, куда ведет Наука;
Пойдите, измерьте землю, взвесьте воздух и определите приливы и отливы;
Укажи планетам, по каким орбитам бежать,Исправьте старое Время и отрегулируйте солнце;
Томсон был заинтригован аналитической теорией Фурье 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, а Филип Келланд написал критическую книгу. Книга побудила Томсона написать свою первую опубликованную научную статью [16] под псевдонимом PQR , защищающую Фурье, и представленную его отцом в Кембриджский математический журнал . Почти сразу же последовал второй документ PQR. [17]
Во время отпуска с семьей в Ламлаше в 1841 году он написал третью, более существенную статью PQR « О равномерном движении тепла в однородных твердых телах и его связи с математической теорией электричества» . [18] В статье он установил замечательные связи между математическими теориями теплопроводности и электростатикой , аналогию , которую Джеймс Клерк Максвелл в конечном итоге описал как одну из наиболее ценных идей, формирующих науку. [19]
Отец Уильяма смог щедро выделить средства на образование своего любимого сына и в 1841 году поселил его с обширными рекомендательными письмами и просторным жильем в Питерхаусе, Кембридж . Находясь в Кембридже, Томсон активно занимался спортом, легкой атлетикой и греблей , выиграв турнир Colquhoun Sculls в 1843 году. Он также живо интересовался классикой, музыкой и литературой; но настоящей любовью его интеллектуальной жизни было занятие наукой. Изучение математики , физики и, в частности, электричества пленило его воображение. В 1845 году Томсон получил звание второго спорщика . [21] Он также получил Первую премию Смита , которая, в отличие от трипо , является проверкой оригинальных исследований. Говорят, что Роберт Лесли Эллис , один из экзаменаторов, заявил другому экзаменатору: «Мы с вами почти готовы починить его ручки». [22]
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 непонятного «действия на расстоянии». Он также разработал математическую технику электрических изображений, которая стала мощным средством решения проблем электростатики — науки, изучающей силы между электрически заряженными телами в состоянии покоя. Частично в ответ на его поддержку Фарадей в сентябре 1845 года предпринял исследование, которое привело к открытию эффекта Фарадея , который установил связь света и магнитных (и, следовательно, электрических) явлений.
Он был избран членом церкви Святого Петра (как в то время часто называли Питерхауса) в июне 1845 года. [23] Получив стипендию, он провел некоторое время в лаборатории знаменитого Анри Виктора Рено в Париже; но в 1846 году он был назначен на кафедру естественной философии в Университете Глазго . В двадцать два года он оказался в мантии профессора одного из старейших университетов страны и читал лекции классу, в котором несколько лет назад учился на первом курсе.
К 1847 году Томсон уже приобрел репутацию не по годам развитого и независимого ученого, когда он присутствовал на ежегодном собрании Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфорде . На этой встрече он услышал, как Джеймс Прескотт Джоуль предпринял еще одну из своих, пока что неэффективных, попыток дискредитировать калорическую теорию тепла и построенную на ней теорию тепловой машины Сади Карно и Эмиля Клапейрона . Джоуль выступал за взаимную конвертируемость тепла и механической работы и их механическую эквивалентность.
Томсон был заинтригован, но настроен скептически. Хотя он чувствовал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил к еще более глубокой приверженности школе Карно-Клапейрона. Он предсказал, что температура плавления льда должна падать с давлением , иначе 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 еще больше расширил теорию Карно-Клапейрона, выражая недовольство тем, что газовый термометр обеспечивает только оперативное определение температуры. Он предложил абсолютную температурную шкалу [24] , в которой «единица теплоты, нисходящая от тела А при температуре Т ° этой шкалы к телу В при температуре ( Т -1)°, выдавала бы такую же механическую эффект [работа] , каким бы ни было число Т ». Такая шкала была бы «совершенно независимой от физических свойств какого-либо конкретного вещества». [25] Используя такой «водопад», Томсон постулировал, что будет достигнута точка, в которой дальнейшее тепло (калорийность) не сможет передаваться, точка абсолютного нуля , о которой Гийом Амонтон размышлял в 1702 году. «Размышления о мотиве» «Сила тепла», опубликованная Карно на французском языке в 1824 году, в год рождения лорда Кельвина, использовала -267 в качестве оценки абсолютного нуля температуры. Томсон использовал данные, опубликованные Реньо, для калибровки своей шкалы по установленным измерениям.
В своей публикации Томсон писал:
... Преобразование тепла (или калорий ) в механическое воздействие, вероятно, невозможно и, конечно, еще не обнаружено.
— Но сноска сигнализировала о его первых сомнениях в теории теплорода, относясь к весьма замечательным открытиям 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, сообщив, что планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух точек зрения.
Томсон вернулся к критике оригинальной публикации Карно и прочитал свой анализ Эдинбургскому королевскому обществу в январе 1849 года, [26] все еще убежденный, что теория фундаментально обоснована. Однако, хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он все больше разочаровывался в теории Карно и убеждался в теории Джоуля. В феврале 1851 года он сел, чтобы сформулировать свое новое мышление. Он не был уверен в том, 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, похоже, рассматривал идеи, которые впоследствии породили второй закон термодинамики . Согласно теории Карно, потерянное тепло было абсолютно потеряно , но Томсон утверждал, что оно « безвозвратно потеряно для человека , но не потеряно в материальном мире». Более того, его теологические убеждения побудили Томсона экстраполировать второй закон на космос, породив идею всеобщей тепловой смерти .
Я считаю, что в материальном мире существует тенденция к тому, что движение становится рассеянным, и что в целом постепенно происходит процесс, обратный концентрации. Я верю, что никакое физическое действие никогда не сможет восстановить тепло, излучаемое Солнцем, и что этот источник не неисчерпаемый; также, что движения Земли и других планет теряют vis viva , которая преобразуется в тепло; и хотя некоторая часть vis viva может быть восстановлена, например, на земле посредством тепла, полученного от Солнца, или другими средствами, эта потеря не может быть точно компенсирована, и я думаю, что вполне вероятно, что она недостаточно компенсируется. [27]
Компенсация потребует творческого акта или действия, обладающего подобной силой , [27] что приведет к омоложению Вселенной (поскольку Томсон ранее сравнил всеобщую тепловую смерть с часами, идущими все медленнее и медленнее, хотя он не был уверен, достигнет ли она в конечном итоге термодинамического равновесия и остановись навсегда ). [28] Кельвин также сформулировал парадокс тепловой смерти (парадокс Кельвина) в 1862 году , который использует второй закон термодинамики, чтобы опровергнуть возможность существования бесконечно старой Вселенной; этот парадокс позже был расширен Рэнкином . [29]
В последней публикации Томсон отступил от радикального отклонения и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на… двух… положениях, принадлежащих соответственно Джоулю, Карно и Клаузиусу». [30] Томсон далее сформулировал форму второго закона:
Невозможно с помощью неодушевленных материальных средств получить механический эффект от какой-либо части материи, охладив ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. [31]
В статье Томсон поддержал теорию о том, что тепло является формой движения, но признал, что на него повлияли только мысли сэра Хамфри Дэви и эксперименты Джоуля и Юлиуса Роберта фон Майера , утверждая, что экспериментальная демонстрация преобразования тепла в работу все еще был выдающимся. [32]
Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону со своими комментариями и вопросами. Так началось плодотворное, хотя и 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, а опубликованные результаты [33] во многом способствовали всеобщему признанию работ Джоуля и кинетической теории .
Томсон опубликовал более 650 научных работ [2] и подал заявки на 70 патентов (не все были выданы). Что касается науки, Томсон писал следующее:
В физической науке первым важным шагом в изучении любого предмета является поиск принципов численного счета и практических методов измерения некоторого связанного с ним качества. Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в цифрах, вы что-то об этом знаете; но когда вы не можете его измерить, когда вы не можете выразить его в числах, ваши знания скудны и неудовлетворительны: это может быть началом знания, но вы едва ли в мыслях своих дошли до стадии науки, как бы то ни было . дело может быть. [34]
Несмотря на то, что Томсон теперь был выдающимся в академической сфере, он оставался малоизвестным для широкой публики. В сентябре 1852 года он женился на возлюбленной детства Маргарет Крам, дочери Уолтера Крама ; [7] но ее здоровье пошатнулось во время их медового месяца, и в течение следующих 17 лет Томсон был отвлечен ее страданиями. 16 октября 1854 года Джордж Габриэль Стоукс написал Томсону, чтобы попытаться повторно заинтересовать его работой, спросив его мнение о некоторых экспериментах Майкла Фарадея по предлагаемому трансатлантическому телеграфному кабелю .
Фарадей продемонстрировал, как конструкция кабеля ограничивает скорость передачи сообщений – говоря современным языком, полосу пропускания . Томсон ухватился за проблему и в том же месяце опубликовал свой ответ. [35] Он выразил свои результаты с точки зрения скорости передачи данных , которая могла быть достигнута, и экономических последствий с точки зрения потенциального дохода от трансатлантического предприятия. В дальнейшем анализе 1855 года [36] Томсон подчеркнул влияние, которое конструкция кабеля окажет на его прибыльность .
Томсон утверждал, что скорость передачи сигналов по данному кабелю обратно пропорциональна квадрату длины кабеля. Результаты Томсона были оспорены на заседании Британской ассоциации в 1856 году Уайлдманом Уайтхаусом , электриком Atlantic Telegraph Company . Уайтхаус, возможно, неверно истолковал результаты своих собственных экспериментов, но, несомненно, чувствовал финансовое давление, поскольку планы по прокладке кабеля уже шли полным ходом. Он считал, что расчеты Томсона подразумевают, что от кабеля необходимо «отказаться как от практически и коммерчески невозможного».
Томсон раскритиковал точку зрения Уайтхауса в письме в популярный журнал «Атенеум» , [37] выставив себя напоказ. Томсон рекомендовал использовать проводник большего размера с большим поперечным сечением изоляции . Он считал Уайтхауса не дураком и подозревал, что у него могут быть практические навыки, чтобы заставить существующий проект работать. Работа Томсона привлекла внимание гробовщиков проекта. В декабре 1856 года он был избран в совет директоров Atlantic Telegraph Company.
Томсон стал научным консультантом группы, в которой Уайтхаус был главным электриком, а сэр Чарльз Тилстон Брайт - главным инженером, но Уайтхаус добился своего со спецификацией при поддержке Фарадея и Сэмюэля Ф.Б. Морса .
Томсон отплыл на борту корабля-кабелеукладчика HMS Agamemnon в августе 1857 года, а Уайтхаус был прикован к суше из-за болезни, но путешествие закончилось через 380 миль (610 км), когда кабель разорвался. Томсон внес свой вклад в эти усилия, опубликовав в журнале Engineer всю теорию напряжений, возникающих при прокладке подводного кабеля , и показал, что, когда линия выходит из корабля с постоянной скоростью и на одинаковой глубине воды, он тонет под наклоном или по прямой от точки, где он входит в воду, до той точки, где он касается дна. [38]
Томсон разработал комплексную систему управления подводным телеграфом, способную передавать символы каждые 3,5 секунды. В 1858 году он запатентовал ключевые элементы своей системы — зеркальный гальванометр и сифонный самописец .
Уайтхаус по-прежнему чувствовал себя способным игнорировать многочисленные предложения и предложения Томсона. Только когда Томсон убедил совет директоров в том, что использование более чистой меди для замены потерянного участка кабеля улучшит емкость передачи данных, он впервые изменил ход реализации проекта. [39]
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 добился проведения испытаний своего зеркального гальванометра, к которому совет директоров отнесся без энтузиазма, вместе с оборудованием Уайтхауса. Томсон счел 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 выступали за еще одну попытку и победили, причем Томсон настаивал на том, что технические проблемы можно решить. Несмотря на то, что Томсон работал в качестве консультанта, во время путешествий он развил в себе инстинкты настоящего инженера и навыки практического решения проблем в стрессовых ситуациях, часто беря на себя инициативу в реагировании на чрезвычайные ситуации и не боясь помогать в ручной работе. Прокладка кабеля была завершена 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 обеспечивает эту услугу, и начал предпринимать отчаянные меры по устранению некоторых проблем. Ему удалось смертельно повредить кабель, подав на него напряжение 2000 вольт . Когда телеграмма полностью вышла из строя, Уайтхаус был уволен, хотя Томсон возражал, и правление сделало ему выговор за вмешательство. Впоследствии Томсон сожалел, что слишком охотно согласился на многие предложения Уайтхауса и не бросил ему вызов с достаточной энергией. [40]
Совет по торговле и компания Atlantic Telegraph создали совместный комитет по расследованию . Было установлено, что большая часть вины за отказ кабеля лежит на Уайтхаусе. [41] Комитет обнаружил, что, хотя подводные кабели славились своей недостаточной надежностью , большинство проблем возникало по известным и устранимым причинам. Томсон был назначен одним из пяти членов комитета, который рекомендовал спецификацию нового кабеля. Комитет сообщил в октябре 1863 года. [42]
В июле 1865 года Томсон отправился в экспедицию по прокладке кабеля на корабле SS Great Eastern , но путешествие было затруднено техническими проблемами. Кабель был утерян после прокладки 1200 миль (1900 км), и проект был заброшен. Следующая попытка в 1866 году проложила новый кабель за две недели, а затем восстановила и завершила прокладку кабеля 1865 года. Теперь это предприятие было воспринято публикой как триумф, и Томсон пользовался большой долей лести. Томсон вместе с другими руководителями проекта был посвящен в рыцари 10 ноября 1866 года.
Чтобы использовать свои изобретения для передачи сигналов по длинным подводным кабелям, Томсон заключил партнерство с К. Ф. Варли и Флимингом Дженкином . В сочетании с последним он изобрел также автоматический бордюрный отправитель , своего рода телеграфный ключ для передачи сообщений по кабелю.
Томсон принимал участие в прокладке французского подводного кабеля связи в Атлантическом океане в 1869 году и вместе с Дженкином был инженером западного, бразильского и платино-бразильского кабелей, которому помогал студент-каникулы Джеймс Альфред Юинг . Он присутствовал при прокладке участка бразильского берегового кабеля от Пара до Пернамбуку в 1873 году.
Жена Томсона, Маргарет, умерла 17 июня 1870 года, и он решил внести изменения в свою жизнь. Уже пристрастившись к мореплаванию, в сентябре он приобрел 126-тонную шхуну « Лалла Рук» [43] [44] и использовал ее в качестве базы для развлечения друзей и коллег по науке. Его морские интересы продолжились в 1871 году, когда он был назначен в комиссию по расследованию гибели капитана HMS .
В июне 1873 года Томсон и Дженкин находились на борту « Хупера» , направлявшегося в Лиссабон с кабелем длиной 2500 миль (4020 км), когда в кабеле возникла неисправность. После этого последовала незапланированная 16-дневная остановка на Мадейре , и Томсон подружился с Чарльзом Р. Блэнди и тремя его дочерьми. 2 мая 1874 года он отплыл на Мадейру на судне «Лалла Рук» . Подойдя к гавани, он подал знак резиденции Бланди: «Ты выйдешь за меня замуж?» и Фанни (дочь Блэнди Фрэнсис Анна Блэнди) ответила «Да». Томсон женился на Фанни, которая была на 13 лет младше его, 24 июня 1874 года.
В период с 1855 по 1867 год Томсон сотрудничал с Питером Гатри Тейтом над учебником , который основал изучение механики сначала 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 вышло в 1879 году и было расширено до двух отдельно переплетенных частей. Учебник установил стандарт раннего образования по математической физике .
Томсон внес значительный вклад в изучение атмосферного электричества за относительно короткое время, в течение которого он работал над этой темой, около 1859 года. [45] Он разработал несколько инструментов для измерения атмосферного электрического поля, используя некоторые из электрометров, которые он первоначально разработал для телеграфной работы. который он испытал в Глазго и во время отпуска на Арране. Его измерения на Арране были достаточно строгими и хорошо откалиброванными, чтобы их можно было использовать для вывода о загрязнении воздуха в районе Глазго через его влияние на электрическое поле атмосферы. [46] Электрометр с каплей воды Томсона использовался для измерения атмосферного электрического поля в обсерваториях Кью и Эскдалемюр в течение многих лет, [47] и один из них все еще использовался в эксплуатации в обсерватории Какиока в Японии [48] до начала 2021 года. Томсон может невольно наблюдали атмосферные электрические эффекты, вызванные событием Кэррингтона (значительной геомагнитной бурей) в начале сентября 1859 года. [45]
Между 1870 и 1890 годами среди британских физиков и математиков была популярна теория вихревого атома, утверждавшая, что атом — это вихрь в эфире . Томсон был пионером теории, которая отличалась от вихревой теории Декарта семнадцатого века тем, что Томсон мыслил в терминах теории унитарного континуума, тогда как Декарт мыслил в терминах трех различных типов материи, каждый из которых относится соответственно к излучению, передаче, и отражение света. [49] Около 60 научных работ написали примерно 25 учёных. Следуя примеру Томсона и Тейта, [50] был развит раздел топологии , названный теорией узлов . Инициатива Кельвина в этом сложном исследовании, которое продолжает вдохновлять новую математику, привела к сохранению этой темы в истории науки . [51]
Томсон был заядлым яхтсменом, его интерес ко всему, что связано с морем, возможно, возник или подкреплялся его опытом на «Агамемноне» и « Большом Востоке» .
Томсон представил метод глубоководного зондирования глубины , в котором стальная рояльная струна заменяет обычную ручную леску. Трос так легко скользит ко дну, что «зондирование в полете» можно производить, пока корабль движется на полной скорости. Компания Thomson добавила манометр для регистрации глубины грузила.
Примерно в то же время он возродил метод Самнера определения положения корабля и рассчитал набор таблиц для его готового применения.
В 1880-х годах Томсон работал над совершенствованием регулируемого компаса для исправления ошибок, возникающих из-за магнитного отклонения из-за более широкого использования железа в военно-морской архитектуре . Конструкция Томсона была большим улучшением старых инструментов: она была 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, сформулированных Джорджем Бидделлом Эйри и другими, но мало что внесли с точки зрения нового физического мышления. Энергичное лоббирование и создание сетей Томсона оказались эффективными в получении признания его инструмента Адмиралтейством .
Научные биографы Томсона, если они вообще обращали какое-либо внимание на его нововведения в области компасов, обычно воспринимали этот вопрос как жалкую сагу о тупых военно-морских администраторах, сопротивляющихся чудесным нововведениям превосходного научного ума. С другой стороны, писатели, симпатизирующие военно-морскому флоту, изображают Томсона как человека несомненного таланта и энтузиазма, с некоторым подлинным знанием моря, которому удалось превратить несколько скромных идей в конструкции компаса в коммерческую монополию на собственное производство. обеспокоенность, используя свою репутацию дубинки в судах, чтобы отбить даже небольшие претензии других на оригинальность, и убеждая Адмиралтейство и закон игнорировать как недостатки его собственных замыслов, так и достоинства замыслов своих конкурентов.
Истина неизбежно лежит где-то между двумя крайностями. [52]
Чарльз Бэббидж был одним из первых, кто предположил, что маяк может сигнализировать о конкретном номере за счет затемнения его света, но Томсон указал на преимущества азбуки Морзе для этой цели и призвал, чтобы сигналы состояли из коротких и длинные вспышки света, обозначающие точки и тире.
Томсон сделал больше, чем любой другой электрик того времени, во внедрении точных методов и приборов для измерения электричества. Еще в 1845 году он указывал, что результаты экспериментов Уильяма Сноу-Гарриса соответствуют законам Кулона . В «Мемуарах Римской академии наук» за 1857 год он опубликовал описание своего нового разделенного кольцевого электрометра , основанного на старом электроскопе Иоганна Готлиба Фридриха фон Боненбергера, и представил цепочку или серию эффективных инструментов, включая квадрантный электрометр, который охватывают всю область электростатических измерений. Он изобрел баланс тока , также известный как баланс Кельвина или баланс ампера ( SiC ), для точного определения ампера , стандартной единицы электрического тока . Примерно с 1880 года в его электрических экспериментах ему помогал инженер-электрик Магнус Маклин FRSE . [53]
В 1893 году Томсон возглавил международную комиссию по принятию решения по проекту электростанции Ниагарский водопад . Несмотря на свою веру в превосходство передачи электроэнергии постоянным током , он поддержал систему переменного тока Westinghouse , которая была продемонстрирована на Всемирной выставке в Чикаго в том же году. Даже после Ниагарского водопада Томсон все еще верил в то, что постоянный ток является лучшей системой. [54]
Признавая его вклад в электрическую стандартизацию, Международная электротехническая комиссия избрала Томсона своим первым президентом на своем предварительном заседании, состоявшемся в Лондоне 26–27 июня 1906 года. «По предложению президента [г-на Александра Сименса, Великобритания] поддержал [ sic] г-ном Майу [Институтом инженеров-электриков США] достопочтенный лорд Кельвин, GCVO , OM , был единогласно избран первым президентом Комиссии», - говорится в протоколе отчета о предварительном заседании. [55]
Кельвин сделал раннюю оценку возраста Земли , основанную на физике . Учитывая его юношеские работы над формой Земли и его интерес к теплопроводности, неудивительно, что он решил исследовать охлаждение Земли и сделать исторические выводы о возрасте Земли на основе своих расчетов. Томсон был креационистом в широком смысле, но он не был « геологом потопа » [56] (взгляд, потерявший основную научную поддержку к 1840-м годам. [57] [58] Он утверждал, что законы термодинамики действуют, исходя из рождение Вселенной и предвидел динамический процесс, который видел организацию и эволюцию Солнечной системы и других структур, за которой последовала постепенная «тепловая смерть». Он развил точку зрения, что Земля когда-то была слишком горячей, чтобы поддерживать жизнь, и противопоставил этому С точки зрения униформизма , условия оставались постоянными с неопределенного прошлого. Он утверждал, что «Эта Земля, определенно умеренное количество миллионов лет назад, была раскаленным шаром…» [59]
После публикации книги Чарльза Дарвина « Происхождение видов» в 1859 году Томсон увидел доказательства относительно короткого обитаемого возраста Земли как противоречащие дарвиновскому постепенному объяснению медленного естественного отбора , приводящего к биологическому разнообразию . Собственные взгляды Томсона отдавали предпочтение версии теистической эволюции, ускоренной божественным руководством. [60] Его расчеты показали, что Солнце не могло существовать достаточно долго, чтобы обеспечить медленное постепенное развитие в результате эволюции – если только оно не было нагрето источником энергии, превосходящим знания науки викторианской эпохи . Вскоре он оказался втянутым в публичные разногласия с геологами и сторонниками Дарвина Джоном Тиндалом и Т.Х. Хаксли . В своем ответе на обращение Хаксли к Лондонскому геологическому обществу (1868 г.) он представил свой доклад «О геологической динамике» (1869 г.) [61] , который, среди других его работ, бросил вызов утверждению геологов о том, что Земля должна быть чрезвычайно старой. возможно, миллиарды лет. [62]
Первоначальная оценка Томсона в 1864 году возраста Земли составляла от 20 до 400 миллионов лет. Эти широкие пределы были обусловлены его неуверенностью в отношении температуры плавления горных пород, которой он приравнивал внутреннюю температуру Земли, [63] [64] , а также неуверенностью в теплопроводности и удельной теплоемкости горных пород. С годами он усовершенствовал свои аргументы и уменьшил верхнюю границу в десять раз, и в 1897 году Томсон, ныне лорд Кельвин, в конечном итоге остановился на оценке возраста Земли 20–40 миллионов лет. [59] [65] В письме, опубликованном в Приложении к Scientific American за 1895 год, Кельвин раскритиковал оценки геологов возраста горных пород и возраста Земли, включая взгляды, опубликованные Чарльзом Дарвином , как «неопределенно огромный возраст». [66]
Его исследование этой оценки можно найти в его обращении 1897 года к Институту Виктории , данном по просьбе президента Института Джорджа Стоукса [67] , как записано в журнале этого Института Transactions . [68] Хотя его бывший помощник Джон Перри опубликовал в 1895 году статью, оспаривающую предположение Кельвина о низкой теплопроводности внутри Земли и, таким образом, показывающую гораздо больший возраст, [69] это не оказало непосредственного влияния. Открытие в 1903 году того, что радиоактивный распад выделяет тепло, привело к тому, что оценка Кельвина была оспорена, и Эрнест Резерфорд в лекции 1904 года, на которой присутствовал Кельвин, как известно, выдвинул аргумент, что это обеспечивает неизвестный источник энергии, предложенный Кельвином, но эта оценка не была опровергнута до тех пор, пока не были разработаны в 1907 г. радиометрическое датирование горных пород. [62]
Открытие радиоактивности во многом лишило законной силы оценку Кельвином возраста Земли. Хотя в конце концов он расплатился со Стрэттом по джентльменскому пари о важности радиоактивности в геологии Земли, он никогда публично не признавал этого, поскольку считал, что у него есть гораздо более веские аргументы, ограничивающие возраст Солнца не более чем 20 миллионами лет. Без солнечного света не было бы объяснения образования отложений на поверхности Земли. В то время единственным известным источником солнечной энергии был гравитационный коллапс . И только когда в 1930-х годах был признан термоядерный синтез , возрастной парадокс Кельвина был по-настоящему разрешен. [70] Однако современная космология признает период Кельвина в начале жизни звезды, в течение которого она сияет за счет гравитационной энергии (правильно рассчитанной по Кельвину) до термоядерного синтеза и начала главной последовательности.
.jpg/1280px-Jubilee_of_Baron_Kelvin._Photograph_by_Maclure,_Macdonald_&_Wellcome_V0028635_(cropped).jpg)
Зимой 1860–1861 годов Кельвин поскользнулся на льду, играя в керлинг возле своего дома в Нетерхолле, и сломал ногу, из-за чего он пропустил собрание Британской ассоциации содействия развитию науки в 1861 году в Манчестере и после этого хромал. [7] Он оставался чем-то вроде знаменитости по обе стороны Атлантики до самой смерти.
Томсон оставался набожным сторонником христианства на протяжении всей своей жизни; посещение часовни было частью его распорядка дня. [71] Он считал, что его христианская вера поддерживает и информирует его научную работу, о чем свидетельствует его выступление на ежегодном собрании Христианского доказательного общества , [72] 23 мая 1889 года. [73]
В списке наград коронации 1902 года , опубликованном 26 июня 1902 года (первоначальный день коронации Эдуарда VII и Александры ), [74] Кельвин был назначен тайным советником и одним из первых членов нового Ордена за заслуги (OM). Он получил приказ от короля 8 августа 1902 года [75] [76] и был приведен к присяге в качестве члена совета в Букингемском дворце 11 августа 1902 года. [77] В последние годы своей жизни он часто ездил в свой городской дом в 15 лет. Итон-плейс, недалеко от Итон-сквер в лондонском районе Белгравия . [7]
В ноябре 1907 года он простудился, и его состояние ухудшилось, пока он не умер в своей шотландской загородной усадьбе Нетерхолл в Ларгсе 17 декабря. [78]
По заказу Вестминстерского аббатства гробовщики Уайли и Локхед приготовили дубовый гроб, облицованный свинцом. Темным зимним вечером кортеж отправился из Нетерхолла к железнодорожной станции Ларгс , расстояние около мили. Большие толпы людей стали свидетелями прохождения кортежа, а владельцы магазинов закрыли свои помещения и приглушили свет. Гроб был помещен в специальный фургон Мидленда , Глазго и Юго-Западной железной дороги . Поезд отправился в 20:30 в Килмарнок , где фургон был прикреплен к ночному экспрессу до железнодорожного вокзала Сент-Панкрас в Лондоне. [79]
Похороны Кельвина должны были состояться 23 декабря 1907 года. [7] Гроб был доставлен из Сент-Панкрас на катафалке в Вестминстерское аббатство, где он остался на ночь в часовне Святой Веры. На следующий день аббатство было переполнено на похоронах, включая представителей Университета Глазго и Кембриджского университета , а также представителей Франции, Италии, Германии, Австро-Венгрии , России, США, Канады, Австралии, Японии. и Монако . Могила Кельвина находится в нефе , рядом с хором , рядом с могилами Исаака Ньютона , Джона Гершеля и Чарльза Дарвина . [80] Среди носителей гроба был сын Дарвина, сэр Джордж Дарвин . [81]
Вернувшись в Шотландию, Университет Глазго провел поминальную службу по Кельвину в Бьют-холле. Кельвин был членом Шотландской епископальной церкви , примыкавшей к епископальной церкви Св. Колумбы в Ларгсе, а когда был в Глазго, к епископальной церкви Св. Марии (ныне собор Св. Марии в Глазго ). [79] Одновременно с похоронами в Вестминстерском аббатстве в епископальной церкви Святого Колумбы в Ларгсе прошла служба, на которой присутствовало большое прихожане, в том числе высокопоставленные лица города. [82]
Уильям Томсон также увековечен на семейной могиле Томсонов в Некрополе Глазго . Рядом с семейной могилой находится второй современный памятник Уильяму, воздвигнутый Королевским философским обществом Глазго ; общество, президентом которого он был в периоды 1856–1858 и 1874–1877 годов. [83]
В 1884 году Томсон вел мастер-класс по «Молекулярной динамике и волновой теории света» в Университете Джонса Хопкинса . [84] Кельвин сослался на уравнение акустической волны , описывающее звук как волны давления в воздухе, и попытался описать также уравнение электромагнитной волны , предполагая, что светоносный эфир подвержен вибрации. В исследовательскую группу входили Майкельсон и Морли, которые впоследствии выполнили эксперимент Майкельсона-Морли , который впоследствии не обнаружил светоносного эфира. Томсон не предоставил текст, но А.С. Хэтэуэй делал записи и дублировал их с помощью папирографа . Поскольку тема находилась в стадии активной разработки, Томсон внес поправки в этот текст, и в 1904 году он был набран и опубликован. Попытки Томсона создать механические модели в электромагнитном режиме в конечном итоге потерпели неудачу. Начиная со своей лекции в 1884 году , Кельвин стал также первым ученым, сформулировавшим гипотетическую концепцию темной материи ; затем он попытался определить и определить местонахождение некоторых «темных тел» в Млечном Пути . [85] [86]
27 апреля 1900 года он прочитал широко известную лекцию под названием « Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» в Королевском институте . [87] [88] Два «темных облака», на которые он намекал, были путаницей в отношении того, как материя движется в эфире (включая загадочные результаты эксперимента Майкельсона-Морли ) и указаниями на то, что закон равнораспределения в статистической механике может быть нарушен. . Две основные физические теории были разработаны в течение двадцатого века, исходя из этих проблем: первая - теория относительности ; во-вторых, квантовая механика . Альберт Эйнштейн в 1905 году опубликовал так называемые « Документы Annus Mirabilis », одна из которых объясняла фотоэлектрический эффект , основанный на открытии Максом Планком квантов энергии, которое послужило основой квантовой механики, другая из которых описывала специальную теорию относительности . и последний из них объяснил броуновское движение с точки зрения статистической механики , предоставив веский аргумент в пользу существования атомов.
Как и многие учёные, Томсон допустил некоторые ошибки в предсказании будущего технологий.
Его биограф Сильванус П. Томпсон пишет: «Когда в конце 1895 года было объявлено об открытии Рентгеном рентгеновских лучей, лорд Кельвин был настроен совершенно скептически и расценил это объявление как мистификацию. Газеты были полны чудес Лучи Рентгена, к которым лорд Кельвин относился крайне скептически, пока сам Рентген не прислал ему копию своих мемуаров»; 17 января 1896 года, прочитав газету и увидев фотографии, он написал Рентгену письмо, в котором говорилось: «Мне нет необходимости говорить вам, что, когда я прочитал газету, я был очень удивлен и обрадован. сердечно поздравляю вас с сделанным вами великим открытием» [89] В мае 1896 года ему сделали рентген своей руки. [90] (См. также N-лучи .)
Его прогноз для практической авиации (т. е. самолетов тяжелее воздуха ) был отрицательным. В 1896 году он отказался от приглашения вступить в Аэронавтическое общество, написав: «У меня нет ни малейшей веры в воздушную навигацию, кроме полета на воздушном шаре или ожидания хороших результатов от любого из испытаний, о которых мы слышим». [91] А в газетном интервью 1902 года он предсказал, что «ни один воздушный шар и ни один самолет никогда не добьются практического успеха». [92]
Кельвину ошибочно приписывают следующее утверждение: «Сейчас в физике нельзя открыть ничего нового. Все, что остается, — это все более и более точные измерения». С 1980-х годов это широко ошибочно приписывали Кельвину, либо без цитирования, либо с указанием, что это было сделано в обращении к Британской ассоциации содействия развитию науки (1900). [93] Нет никаких доказательств того, что Кельвин сказал это, [94] [95] и вместо этого цитата представляет собой парафраз Альберта А. Майкельсона , который в 1894 году заявил: «… кажется вероятным, что большинство великих основополагающих принципов были прочно установлено… Выдающийся физик заметил, что будущие истины физической науки следует искать в шестом знаке после запятой». [95] Подобные заявления были сделаны ранее другими, такими как Филипп фон Жолли . [96] Приписывание Кельвину в 1900 году, по-видимому, является путаницей с его речью «Два облака», произнесенной в Королевском институте в 1900 году (см. выше), которая, напротив, указала на области, которые впоследствии станут свидетелями революций.
В 1898 году Кельвин предсказал, что на планете останется запас кислорода всего на 400 лет из-за скорости горения горючих материалов. [97] [98] В своих расчетах Кельвин предположил, что фотосинтез был единственным источником свободного кислорода; он не знал всех составляющих кислородного цикла . [ сомнительно ] Он даже не мог знать всех источников фотосинтеза: например, цианобактерия Prochromococcus , на долю которой приходится более половины морского фотосинтеза, не была открыта до 1986 года.
Множество физических явлений и концепций, с которыми связан Томсон, носят имя Кельвина , в том числе:
Гора Кельвин в хребте Папароа в Новой Зеландии была названа в его честь ботаником Уильямом Траунсоном. [99]
Его первой женой была Маргарет Крам, а во вторую он женился на Фрэнсис Блэнди, но детей у него не было.
британский физик-теоретик и экспериментатор
Кельвин (1824–1907) британский физик и натурфилософ.
, Лорд (1824–1907) – британский математик, физик и инженер.
шотландский учёный из Белфаста.
, Лорд (Уильям Томсон) (1824–1907) шотландский физик
Лорд Кельвин 1824–1907 британский ученый.
, Лорд (Уильям Томсон; 1824–1907) британский физик.
, Лорд (Уильям Томсон; 1824–1907) британский физик, родился в Белфасте.
