開爾文

　　開爾文

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

　　1824年6月26日開爾文生于愛爾蘭的貝爾法斯特。他從小聰慧好學(xué)，10歲時就進(jìn)格拉斯哥大學(xué)預(yù)科學(xué)習(xí)。17歲時，曾立志：“科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息”。1845年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間曾獲蘭格勒獎金第二名，史密斯獎金第一名。畢業(yè)后他赴巴黎跟隨物理學(xué)家和化學(xué)家V.勒尼奧從事實驗工作一年，1846年受聘為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)（物理學(xué)當(dāng)時的別名）教授，任職達(dá)53年之久。由于裝設(shè)第一條大西洋海底電纜有功，英政府于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開爾文勛爵，開爾文這個名字就是從此開始的。1890～1895年任倫敦皇家學(xué)會會長。1877年被選為法國科學(xué)院院士。1904年任格拉斯哥大學(xué)校長，直到1907年12月17日在蘇格蘭的內(nèi)瑟霍爾逝世為止。

　　開爾文研究范圍廣泛，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等方面都做出了貢獻(xiàn)。他一生發(fā)表論文多達(dá)600余篇，取得70種發(fā)明專利，他在當(dāng)時科學(xué)界享有極高的名望，受到英國本國和歐美各國科學(xué)家、科學(xué)團體的推崇。他在熱學(xué)、電磁學(xué)及它們的工程應(yīng)用方面的研究最為出色。

　　開爾文是熱力學(xué)的主要奠基人之一，在熱力學(xué)的發(fā)展中作出了一系列的重大貢獻(xiàn)。他根據(jù)蓋-呂薩克、卡諾和克拉珀龍的理論于1848年創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標(biāo)。他指出：“這個溫標(biāo)的特點是它完全不依賴于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)。”這是現(xiàn)代科學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。他是熱力學(xué)第二定律的兩個主要奠基人之一（另一個是克勞修斯），1851年他提出熱力學(xué)第二定律：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ�不產(chǎn)生其他影響。”這是公認(rèn)的熱力學(xué)第二定律的標(biāo)準(zhǔn)說法。并且指出，如果此定律不成立，就必須承認(rèn)可以有一種永動機，它借助于使海水或土壤冷卻而無限制地得到機械功，即所謂的第二種永動機。他從熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。1852年他與焦耳合作進(jìn)一步研究氣體的內(nèi)能，對焦耳氣體自由膨脹實驗作了改進(jìn)，進(jìn)行氣體膨脹的多孔塞實驗，發(fā)現(xiàn)了焦耳－湯姆孫效應(yīng)，即氣體經(jīng)多孔塞絕熱膨脹后所引起的溫度的變化現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)成為獲得低溫的主要方法之一，廣泛地應(yīng)用到低溫技術(shù)中。1856年他從理論研究上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(yīng)。

　　在電學(xué)方面，湯姆孫以極高明的技巧研究過各種不同類型的問題，從靜電學(xué)到瞬變電流。他揭示了傅里葉熱傳導(dǎo)理論和勢理論之間的相似性，討論了法拉第關(guān)于電作用傳播的概念，分析了振蕩電路及由此產(chǎn)生的交變電流。他的文章影響了麥克斯韋，后者向他請教，希望能和他研究同一課題，并給了他極高的贊譽。

　　開爾文在電磁學(xué)理論和工程應(yīng)用上研究成果卓著。1848年他發(fā)明了電像法，這是計算一定形狀導(dǎo)體電荷分布所產(chǎn)生的靜電場問題的有效方法。他深人研究了萊頓瓶的放電振蕩特性，于1853年發(fā)表了《萊頓瓶的振蕩放電》的論文，推算了振蕩的頻率，為電磁振蕩理論研究作出了開拓性的貢獻(xiàn)。他曾用數(shù)學(xué)方法對電磁場的性質(zhì)作了有益的探討，試圖用數(shù)學(xué)公式把電力和磁力統(tǒng)一起來。1846年便成功地完成了電力、磁力和電流的“力的活動影像法”，這已經(jīng)是電磁場理論的雛形了（如果再前進(jìn)一步，就會深人到電磁波問題）。他曾在日記中寫道：“假使我能把物體對于電磁和電流有關(guān)的狀態(tài)重新作一番更特殊的考察，我肯定會超出我現(xiàn)在所知道的范圍，不過那當(dāng)然是以后的事了。”他的偉大之處，在于能把自己的全部研究成果，毫無保留地介紹給了麥克斯韋，并鼓勵麥克斯韋建立電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，為麥克斯韋最后完成電磁場理論奠定了基礎(chǔ)。

　　他十分重視理論聯(lián)系實際。1875年預(yù)言了城市將采用電力照明，1879年又提出了遠(yuǎn)距離輸電的可能性。他的這些設(shè)想以后都得以實現(xiàn)。1881年他對電動機進(jìn)行了改造，大大提高了電動機的實用價值。在電工儀器方面，他的主要貢獻(xiàn)是建立電磁量的精確單位標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計各種精密的測量儀器。他發(fā)明了鏡式電流計（大大提高了測量靈敏度）、雙臂電橋、虹吸記錄器（可自動記錄電報信號）等等，大大促進(jìn)了電測量儀器的發(fā)展。根據(jù)他的建議，1861年英國科學(xué)協(xié)會設(shè)立了一個電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)委員會，為近代電學(xué)量的單位標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。在工程技術(shù)中，1855年他研究了電纜中信號傳播情況，解決了長距離海底電纜通訊的一系列理論和技術(shù)問題。經(jīng)過三次失敗，歷經(jīng)兩年的多方研究與試驗，終于在1858年協(xié)助裝設(shè)了第一條大西洋海底電纜，這是開爾文相當(dāng)出名的一項工作。他善于把教學(xué)、科研、工業(yè)應(yīng)用結(jié)合在一起，在教學(xué)上注意培養(yǎng)學(xué)生的實際工作能力。在格拉斯哥大學(xué)他組建了英國第一個為學(xué)生用的課外實驗室。

　　湯姆孫還將物理學(xué)用到完全不同的領(lǐng)域。他研究過太陽熱能的起源和地球的熱平衡。他的方法可靠而有趣，但只由于他不知道太陽和地球上的能量來自核能，因而不可能得到正確的結(jié)論。他試圖用落到太陽上的隕石或用引力收縮來解釋太陽熱能的起源。約在1854年，他估算太陽的"年齡"小于5×108年，而這只是我們現(xiàn)在知道的值的十分之一。

　　從地球表面附近的溫度梯度，湯姆孫試圖推算出地球熱的歷史和年齡。他的估算仍然太低，僅為4×108年，而實際值約為5×109年。地質(zhì)學(xué)家以地質(zhì)現(xiàn)象的演變?yōu)槔碚摳鶕?jù)，很快就發(fā)現(xiàn)他的估算是錯誤的。他們不能駁倒湯姆孫的數(shù)學(xué)，但他們肯定他的假定是錯誤的。同樣，生物學(xué)家也發(fā)現(xiàn)湯姆孫給出的時間進(jìn)程與最新的進(jìn)化論的觀念相悖。這一爭論持續(xù)了多年，湯姆孫完全不理解別人的反對意見是正確的。最后，直到放射性和核反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，才證明了湯姆孫假設(shè)的前提是完全錯誤的。

　　流體力學(xué)特別是其中的渦旋理論成為湯姆孫最喜愛的學(xué)科之一，他受亥姆霍茲工作的啟示，發(fā)現(xiàn)了一些有價值的定理。他航行的收獲之一是在1876年發(fā)明了適用于鐵船的特殊羅盤，這一發(fā)明后來為英國海軍所采用，而且一直用到被現(xiàn)代回轉(zhuǎn)羅盤代替為止。湯姆孫的企業(yè)生產(chǎn)了許多磁羅盤和水深探測儀，從中大為獲利。

　　基于他的實踐經(jīng)驗和理論知識，湯姆孫感到迫切需要統(tǒng)一電學(xué)單位，公制的引入使法國革命向前跨了一大步，但是電學(xué)測量卻產(chǎn)生了全新的問題。高斯和韋伯奠定了絕對單位制的理論基礎(chǔ)，"絕對"意味著它們與特定的物質(zhì)或標(biāo)準(zhǔn)無關(guān)，僅取決于普適的物理定律。在絕對單位制中如何確定刻度，如何選擇合適的倍數(shù)因子使它能方便地應(yīng)用于工業(yè)，如何勸說科技界共同接受這一單位制，所有這一切都是重要并且困難的任務(wù)。1861年英國科學(xué)協(xié)會任命一個委員會開始這項工作，湯姆孫是其中的一員。他們努力工作了許多年，一直到1881年，由湯姆孫和亥姆霍茲起主導(dǎo)作用的在巴黎召開的一次國際代表大會，和1893年，在芝加哥召開的另一次代表大會，才正式接受這一新的單位制，并采用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學(xué)單位，從此它們被普遍使用。然而，單位制的問題并未就此解決，后來的一些會議又改變了其中某些標(biāo)準(zhǔn)量的定義，它們的實際值也相應(yīng)變動了，雖然這種變動是非常小的。

　　開爾文一生謙虛勤奮，意志堅強，不怕失敗，百折不撓。在對待困難問題上他講：“我們都感到，對困難必須正視，不能回避；應(yīng)當(dāng)把它放在心里，希望能夠解決它。無論如何，每個困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒有能找到。”他這種終生不懈地為科學(xué)事業(yè)奮斗的精神，永遠(yuǎn)為后人敬仰。1896年在格拉斯哥大學(xué)慶祝他50周年教授生涯大會上，他說：“有兩個字最能代表我50年內(nèi)在科學(xué)研究上的奮斗，就是‘失敗’兩字。”這足以說明他的謙虛品德。為了紀(jì)念他在科學(xué)上的功績，國際計量大會把熱力學(xué)溫標(biāo)（即絕對溫標(biāo)）稱為開爾文（開氏）溫標(biāo)，熱力學(xué)溫度以開爾文為單位，是現(xiàn)在國際單位制中七個基本單位之一。

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