Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , OM , GCVO , PC , FRS , FRSE (26 июня 1824 г. — 17 декабря 1907 г. [7] ) — британский математик, математический физик и инженер, родившийся в Белфасте . [8] Он был профессором естественной философии в Университете Глазго в течение 53 лет, где он провел значительные исследования и математический анализ электричества, [ нужна ссылка ] сыграл важную роль в формулировке первого и второго законов термодинамики , [9] [10] и внес значительный вклад в объединение физики , которая тогда находилась в зачаточном состоянии как новая академическая дисциплина. [ нужна ссылка ] 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 . [11]
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 . [12] Эффект Джоуля -Томсона также назван в его честь.
В своей работе Кельвин тесно сотрудничал с профессором математики Хью Блэкберном . Он также сделал карьеру инженера- электротелеграфиста и изобретателя, что вывело его на публику и принесло ему богатство, славу и почести. За свою работу над проектом трансатлантического телеграфа в 1866 году королева Виктория посвятила его в рыцари , и он стал 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 , [13] [14] [15] 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 . [16] 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. [17]
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 часть 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. [18]
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 возможностей 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 . [19] 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 [20] под псевдонимом PQR , защищая Фурье, которая была отправлена в «Кембриджский математический журнал» его отцом. Вторая работа PQR последовала почти сразу. [21]
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» . [22] 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 . [23]
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. [24] 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 . [25] 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». [26]
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. [27] 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 температура 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 [28] , в которой «единица тепла, спускающаяся 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». [29] 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, [30] 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, породив идею всеобщей тепловой смерти .
Я полагаю, что в материальном мире существует тенденция к рассеиванию движения, и что в целом постепенно происходит обратная концентрация — я полагаю, 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. [31]
Компенсация потребовала бы творческого акта или акта, обладающего подобной силой , [31] 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 ). [32] 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 . [33]
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». [34] Томсон продолжил формулировать форму второго закона:
Невозможно посредством неодушевленного материального фактора получить механический эффект от какой-либо части материи, охлаждая ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. [35]
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. [36] 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 [37] 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. [38]
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, пытаясь 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. [39] 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 [40] 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 , [41] 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 , показывая, что когда линия выходит из корабля с постоянной скоростью в однородной глубине воды, она тонет под наклоном или прямым наклоном от точки, где она входит в воду, до точки, где она касается дна. [42]
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. [43]
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. [44]
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. [45] 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. [46]
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 внести изменения в свою жизнь. Уже будучи увлеченным мореплаванием, в сентябре он приобрел 126-тонную шхуну Lalla Rookh [47] [48] 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. [49] 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. [50] Электрометр с капельницей Томсона использовался для измерения атмосферного электрического поля в обсерваториях Кью и Эскдалемуир в течение многих лет, [51] и один из них все еще эксплуатировался в обсерватории Какиока в Японии [52] до начала 2021 года. Томсон, возможно, невольно наблюдал атмосферные электрические эффекты, вызванные событием Кэррингтона (значительная геомагнитная буря) в начале сентября 1859 года. [49]
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. [53] Около 60 научных работ были написаны примерно 25 учеными. Следуя примеру Томсона и Тейта, [54] 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 . [55]
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 подкреплен . 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. [56] 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 нововведения в области компаса, обычно считали это печальной сагой о недалеких морских администраторах, сопротивляющихся чудесным нововведениям 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. [57]
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. [58]
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. [59]
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. [60]
Кельвин сделал раннюю оценку возраста Земли на основе физики . Учитывая его юношеские работы о фигуре Земли и его интерес к теплопроводности, неудивительно, что он решил исследовать остывание Земли и сделать исторические выводы о возрасте Земли из своих расчетов. Томсон был креационистом в широком смысле, но он не был « геологом потопа » [61] (точка зрения, которая утратила основную научную поддержку к 1840-м годам.) [62] [63] Он утверждал, что законы термодинамики действовали с момента рождения Вселенной и предусматривали динамический процесс, который видел организацию и эволюцию Солнечной системы и других структур, за которыми последовала постепенная «тепловая смерть». Он разработал точку зрения, что Земля когда-то была слишком горячей, чтобы поддерживать жизнь, и противопоставил эту точку зрения униформизму , что условия оставались неизменными с неопределенного прошлого. Он утверждал, что «Эта Земля, определенно умеренное количество миллионов лет назад, была раскаленным шаром …». [64]
После публикации книги Чарльза Дарвина « Происхождение видов» в 1859 году Томсон увидел доказательства относительно короткого возраста обитаемости Земли как противоречащие постепенному объяснению Дарвина о медленном естественном отборе , приводящем к биологическому разнообразию . Собственные взгляды Томсона отдавали предпочтение версии теистической эволюции , ускоренной божественным руководством. [65] Его расчеты показали, что Солнце не могло существовать достаточно долго, чтобы обеспечить медленное постепеновы развитие путем эволюции — если только оно не нагревалось источником энергии, выходящим за рамки знаний науки викторианской эпохи . Вскоре он был втянут в публичное несогласие с геологами и сторонниками Дарвина Джоном Тиндаллом и Т. Х. Хаксли . В своем ответе на обращение Хаксли к Геологическому обществу Лондона (1868) он представил свое обращение «О геологической динамике» (1869) [66], в котором, среди других его трудов, оспаривалось утверждение геологов о том, что Земля должна быть очень старой, возможно, миллиарды лет. [67]
Первоначальная оценка Томсона в 1864 году возраста Земли составляла от 20 до 400 миллионов лет. Эти широкие пределы были обусловлены его неопределенностью относительно температуры плавления горных пород, к которой он приравнивал внутреннюю температуру Земли, [68] [69], а также неопределенностью в теплопроводности и удельной теплоемкости горных пород. С годами он уточнил свои аргументы и уменьшил верхнюю границу в десять раз, и в 1897 году Томсон, теперь лорд Кельвин, в конечном итоге остановился на оценке, что Земле было 20–40 миллионов лет. [64] [70] В письме, опубликованном в Scientific American Supplement 1895 года, Кельвин критиковал оценки геологов возраста горных пород и возраста Земли, включая взгляды, опубликованные Дарвином, как «смутно огромный возраст». [71]
Его исследование этой оценки можно найти в его обращении 1897 года к Институту Виктории , сделанном по просьбе президента института Джорджа Стокса , [72] как записано в журнале этого института Transactions . [73] Хотя его бывший помощник Джон Перри опубликовал статью в 1895 году, оспаривающую предположение Кельвина о низкой теплопроводности внутри Земли, и, таким образом, показывающую гораздо больший возраст, [74] это не оказало немедленного влияния. Открытие в 1903 году того, что радиоактивный распад выделяет тепло, привело к тому, что оценка Кельвина была оспорена, и Эрнест Резерфорд, как известно, высказал аргумент на лекции 1904 года, на которой присутствовал Кельвин, что это обеспечивает неизвестный источник энергии, предложенный Кельвином, но оценка не была отменена до разработки в 1907 году радиометрического датирования горных пород. [67]
Открытие радиоактивности в значительной степени обесценило оценку возраста Земли Кельвином. Хотя он в конечном итоге выиграл джентльменское пари со Стрэттом о важности радиоактивности в геологии Земли, он никогда публично не признавал этого, поскольку считал, что у него был гораздо более сильный аргумент, ограничивающий возраст Солнца не более чем 20 миллионами лет. Без солнечного света не могло быть объяснения осадочных отложений на поверхности Земли. В то время единственным известным источником солнечной энергии был гравитационный коллапс . Только когда в 1930-х годах был признан термоядерный синтез , парадокс возраста Кельвина был по-настоящему решен. [75] Однако современная космология признает период Кельвина в ранней жизни звезды, в течение которого она светится гравитационной энергией (правильно рассчитанной Кельвином) до слияния и начала главной последовательности.
.jpg/1280px-Jubilee_of_Baron_Kelvin._Photograph_by_Maclure,_Macdonald_&_Wellcome_V0028635_(cropped).jpg)
Зимой 1860–61 годов Кельвин поскользнулся на льду, играя в кёрлинг недалеко от своего дома в Незерхолле, и сломал ногу, из-за чего пропустил встречу Британской ассоциации содействия развитию науки в Манчестере в 1861 году и с тех пор хромал. [7] Он оставался своего рода знаменитостью по обе стороны Атлантики до самой смерти.
Томсон оставался ревностным христианином на протяжении всей своей жизни; посещение часовни было частью его повседневной жизни. [76] Он считал, что его христианская вера поддерживает и информирует его научную работу, как это видно из его выступления на ежегодном собрании Христианского общества доказательств [77] 23 мая 1889 года. [78]
В списке почестей коронации 1902 года , опубликованном 26 июня 1902 года (первоначальный день коронации Эдуарда VII и Александры ), [79] Кельвин был назначен тайным советником и одним из первых членов нового Ордена заслуг (OM). Он получил орден от короля 8 августа 1902 года [80] [81] и был приведен к присяге в качестве члена совета в Букингемском дворце 11 августа 1902 года. [82] В последние годы своей жизни он часто ездил в свой городской дом по адресу 15 Eaton Place, недалеко от Eaton Square в лондонском районе Белгравия . [7]
В ноябре 1907 года он простудился, и его состояние ухудшилось, пока он не умер в своем шотландском загородном поместье Незерхолл в Ларгсе 17 декабря. [83] По просьбе Вестминстерского аббатства похоронные бюро Wylie & Lochhead подготовили дубовый гроб, обшитый свинцом. В темноте зимнего вечера кортеж отправился из Незерхолла на железнодорожную станцию Ларгс , расстояние около мили. Большие толпы наблюдали за прохождением кортежа, а владельцы магазинов закрыли свои помещения и приглушили свет. Гроб был помещен в специальный вагон Midland and Glasgow and South Western Railway . Поезд отправился в 8:30 вечера в Килмарнок , где фургон был прикреплен к ночному экспрессу до железнодорожной станции Сент-Панкрас в Лондоне. [84]
Похороны Кельвина состоялись 23 декабря 1907 года. [7] Аббатство было переполнено, 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 экраном хора и недалеко от могил Исаака Ньютона , Джона Гершеля и Чарльза Дарвина . [85] Сын Дарвина, сэр Джордж Дарвин , был одним из тех, кто нёс гроб. [86]
Университет Глазго провел панихиду по Кельвину в Бьют-холле. Кельвин был членом Шотландской епископальной церкви , прикрепленным к епископальной церкви Св. Колумбы в Ларгсе, а когда был в Глазго, то к епископальной церкви Св. Марии (ныне собор Св. Марии в Глазго ). [84] Одновременно с похоронами в Вестминстерском аббатстве прошла панихида в епископальной церкви Св. Колумбы в Ларгсе, на которой присутствовало большое количество прихожан, включая сановников города. [87]
Лорд Кельвин увековечен на семейной могиле Томсонов в Некрополе Глазго . На семейной могиле есть второй современный мемориал, воздвигнутый Королевским философским обществом Глазго ; обществом, президентом которого он был в периоды 1856–58 и 1874–77. [88]
В 1884 году лорд Кельвин провел мастер-класс по «Молекулярной динамике и волновой теории света» в Университете Джонса Хопкинса . [89] Кельвин сослался на уравнение акустической волны , описывающее звук как волны давления в воздухе, и попытался также описать уравнение электромагнитной волны , предполагая, что светоносный эфир подвержен вибрации. В исследовательскую группу вошли Альберт А. Майкельсон и Эдвард У. Морли , которые впоследствии провели эксперимент Майкельсона–Морли , который не обнаружил светоносного эфира. Кельвин не предоставил текст, но А. С. Хэтэуэй делал заметки и копировал их с помощью папирографа . Поскольку предмет находился в стадии активной разработки, Кельвин внес поправки в этот текст, и в 1904 году он был набран и опубликован. Попытки Кельвина предоставить механические модели в конечном итоге потерпели неудачу в электромагнитном режиме. Начиная со своей лекции в 1884 году, он был первым ученым, сформулировавшим гипотетическую концепцию темной материи ; Затем он попытался определить и локализовать некоторые «темные тела» в Млечном Пути . [90] [91]
Он скептически отнесся к предсказанию Максвелла о давлении излучения , но признал, что оно существует, увидев экспериментальное доказательство давления излучения Петром Лебедевым . [92]
27 апреля 1900 года он прочитал широко освещаемую лекцию под названием «Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» в Королевском институте. [93] [94] Два «темных облака», на которые он намекал, были путаницей вокруг того, как материя движется через эфир (включая загадочные результаты эксперимента Майкельсона–Морли), и указаниями на то, что теорема о равнораспределении в статистической механике может нарушиться. Две основные физические теории были разработаны в 20 веке, начиная с этих проблем: для первой — теория относительности ; для второй — квантовая механика . В 1905 году Альберт Эйнштейн опубликовал так называемые работы «annus mirabilis» , одна из которых объясняла фотоэлектрический эффект на основе открытия Максом Планком квантов энергии, что стало основой квантовой механики, другая описывала специальную теорию относительности , а последняя объясняла броуновское движение с точки зрения статистической механики, приводя весомые аргументы в пользу существования атомов.
Как и многие ученые, Томсон допустил некоторые ошибки в прогнозировании будущего технологий.
Его биограф Сильванус П. Томпсон пишет, что «Когда в конце 1895 года было объявлено об открытии Рентгеном рентгеновских лучей, лорд Кельвин был настроен совершенно скептически и считал это объявление обманом. Газеты были полны чудес лучей Рентгена, к которым лорд Кельвин относился крайне скептически, пока сам Рентген не прислал ему копию своих мемуаров»; 17 января 1896 года, прочитав статью и увидев фотографии, он написал Рентгену письмо, в котором говорилось: «Мне не нужно говорить вам, что, когда я прочитал статью, я был очень удивлен и восхищен. Сейчас я могу сказать только то, что тепло поздравлю вас с великим открытием, которое вы сделали» [95]. В мае 1896 года Кельвину сделали рентгеновский снимок собственной руки. [96]
Его прогноз относительно практической авиации (т. е. летательных аппаратов тяжелее воздуха) был отрицательным. В 1896 году он отказался от приглашения вступить в Авиационное общество, написав: «У меня нет ни малейшей веры в воздушную навигацию, кроме воздухоплавания, или ожидания хороших результатов от любых испытаний, о которых мы слышим». [97] В газетном интервью 1902 года он предсказал, что «ни один воздушный шар и ни один аэроплан никогда не будут практически успешными». [98]
Утверждение, ложно приписываемое Кельвину, звучит так: «Сейчас в физике нечего открывать нового. Остается только все более и более точное измерение». Это широко ошибочно приписывалось Кельвину с 1980-х годов, либо без ссылки, либо с указанием, что это было сделано в обращении к Британской ассоциации содействия развитию науки (1900). [99] Нет никаких доказательств того, что Кельвин сказал это, [100] [101] и вместо этого цитата является парафразом Альберта А. Майкельсона, который в 1894 году заявил: «… кажется вероятным, что большинство великих основополагающих принципов твердо установлены… Один выдающийся физик заметил, что будущие истины физической науки следует искать в шестом знаке после запятой». [101] Похожие утверждения были сделаны ранее другими, такими как Филипп фон Йолли . [102] Приписывание этой теории Кельвину в 1900 году, по-видимому, является путаницей с его лекцией «Два облака», которая, напротив, указывала на области, в которых впоследствии произойдут революции.
В 1898 году Кельвин предсказал, что запасов кислорода на планете хватит только на 400 лет из-за скорости сжигания горючих веществ. [103] [104] В своих расчетах Кельвин предположил, что фотосинтез является единственным источником свободного кислорода; он не знал всех компонентов кислородного цикла . [ сомнительно – обсудить ] Он даже не мог знать всех источников фотосинтеза: например, цианобактерия Prochlorococcus , на долю которой приходится более половины морского фотосинтеза, была открыта только в 1986 году.
Множество физических явлений и концепций, с которыми связан Томсон, носят имя Кельвина , в том числе:
Гора Кельвина в хребте Папароа в Новой Зеландии была названа в его честь ботаником Уильямом Траунсоном. [105]
первой женой была Маргарет Крам, а второй раз он женился на Фрэнсис Блэнди, но детей у них не было.
британский физик-теоретик и экспериментатор
Лорд Кельвин 1824–1907 Британский физик и натурфилософ
Кельвин, Лорд (1824–1907) Британский математик, физик и инженер
шотландский ученый, родившийся в Белфасте
Кельвин, Лорд (Уильям Томсон) (1824–1907) шотландский физик
Лорд Кельвин 1824–1907 Британский ученый
Кельвин, Лорд (Уильям Томсон; 1824–1907) британский физик
Кельвин, Лорд (Уильям Томсон; 1824–1907) британский физик, родился в Белфасте
