عندما تتمكن من قياس ما تتحدث عنه والتعبير عنه بالأرقام، فأنت تعرف شيئاً عنه، وعندما لا تتمكن من التعبير عنه بالأرقام، فإن معرفتك تكون من نوع بائس وغير مرضٍ؛ قد تكون بداية المعرفة، لكنك بالكاد تكون قد تقدمت في أفكارك إلى مرحلة العلم.
William Thomson, 1st Baron Kelvin، كان عالماً بريطانياً في الفيزياء الرياضية ومهندساً وُلد في Belfast. كان أستاذاً للفلسفة الطبيعية في جامعة Glasgow لمدة 53 سنة، وقد قام بعمل مهم في التحليل الرياضي للكهرباء وصياغة القانون الأول والثاني للديناميكا الحرارية، وقام بالكثير لتوحيد فرع الفيزياء الناشئ في شكله الحديث. تلقى وسام Copley من الجمعية الملكية عام 1883، وكان رئيساً لها من 1890 إلى 1895، وفي عام 1892 كان أول عالم بريطاني يتم رفعه إلى مجلس اللوردات.
يتم التعبير عن درجات الحرارة المطلقة بوحدات kelvin تكريماً له. على الرغم من أن وجود حد أدنى لدرجة الحرارة الصفر المطلق كان معروفاً قبل عمله، فإن Kelvin اشتهر بتحديده للقيمة الصحيحة تقريباً −273.15 درجة مئوية أو −459.67 درجة فهرنهايت. تُنسب تأثير Joule–Thomson أيضاً إليه.
عمل بشكل وثيق مع أستاذ الرياضيات Hugh Blackburn في عمله. كان له أيضاً مسار وظيفي كمهندس وخراع برقيات كهربائية، مما دفعه إلى دائرة الأضواء وضمن ثروته وشهرته وتكريمه. لعمله على مشروع التلغراف عبر الأطلسي تم تكريمه بلقب فارس عام 1866 من قبل Queen Victoria، ليصبح Sir William Thomson. كان لديه اهتمامات بحرية واسعة وكان الأكثر شهرة لعمله على بوصلة البحار، التي كانت تتمتع بموثوقية محدودة في السابق.
تم منحه لقباً نبيلاً عام 1892 تقديراً لإنجازاته في الديناميكا الحرارية، وللمعارضة له للاستقلال الأيرلندي، ليصبح Baron Kelvin، of Largs في مقاطعة Ayr. يشير اللقب إلى نهر Kelvin، التي تتدفق بالقرب من معمله في جامعة Glasgow في منزل Gilmorehill بـ Hillhead. على الرغم من عروض لمناصب مرموقة من عدة جامعات مشهورة عالمياً، رفض Kelvin مغادرة Glasgow، وبقي فيها حتى تقاعده من هذا المنصب عام 1899. كان نشيطاً في البحث والتطوير الصناعي، وتم تجنيده حوالي عام 1899 من قبل George Eastman ليكون نائب رئيس مجلس الإدارة في شركة Kodak Limited البريطانية، التابعة لـ Eastman Kodak. في عام 1904 أصبح مستشاراً لجامعة Glasgow.
كان منزله عبارة عن قصر رملي أحمر اللون يدعى Netherhall، في Largs، والذي بناه في سبعينيات القرن التاسع عشر وحيث توفي. يحتوي Hunterian Museum في جامعة Glasgow على معرض دائم عن أعمال Kelvin يتضمن الكثير من أوراقه الأصلية والأدوات والقطع الأثرية الأخرى، مثل غليون التدخين الخاص به.
الحياة المبكرة والعمل
العائلة
كان والد William Thomson، James Thomson، مدرساً للرياضيات والهندسة في Royal Belfast Academical Institution وكان ابن مزارع. تزوج James Thomson بـ Margaret Gardner عام 1817 ومن أطفالهما نجا أربعة أولاد وفتاتان من مرحلة الطفولة. توفيت Margaret Thomson عام 1830 عندما كان William في السادسة من عمره.
تم تعليم William وأخيه الأكبر James في المنزل من قبل والدهما بينما تم تعليم الأولاد الأصغر من قبل أخواتهم الأكبر. كان James معداً للاستفادة من الحصة الأكبر من تشجيع والده وعاطفته ودعمه المالي وتم تحضيره لمهنة في الهندسة.
عام 1832، تم تعيين والده أستاذاً للرياضيات في Glasgow وانتقلت العائلة هناك في أكتوبر 1833. تم تعريض أطفال Thomson لتجربة أكثر كونية وعالمية من الخلفية الريفية لوالدهم، حيث قضوا منتصف عام 1839 في London وتم تعليم الأولاد الفرنسية في Paris. تم قضاء الكثير من حياة Thomson خلال منتصف الأربعينات من القرن التاسع عشر في Germany و Netherlands. تم إعطاء دراسة اللغات أولوية عالية.
كانت أخته، Anna Thomson، والدة James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
الشباب
عانى Thomson من مشاكل في القلب وكاد أن يموت عندما كان في التاسعة من عمره. التحق بـ Royal Belfast Academical Institution، حيث كان والده أستاذاً في قسم الجامعة، قبل أن يبدأ الدراسة في Glasgow University عام 1834 في سن العاشرة، وليس بسبب أي موهبة مبكرة؛ كانت الجامعة توفر الكثير من مرافق المدرسة الابتدائية للطلاب الموهوبين، وهذا كان عمراً نموذجياً للبدء.
في المدرسة، أظهر Thomson اهتماماً حاداً بالكلاسيكيات إلى جانب اهتمامه الطبيعي بالعلوم. في سن الثانية عشرة فاز بجائزة لترجمة Dialogues of the Gods من Lucian of Samosata من اللاتينية إلى الإنجليزية.
في العام الأكاديمي 1839/1840، فاز Thomson بجائزة فصله في علم الفلك لمقاله Essay on the figure of the Earth الذي أظهر مهارة مبكرة في التحليل الرياضي والإبداع. كان معلمه في الفيزياء في هذا الوقت نظيره، David Thomson.
طوال حياته، كان يعمل على المشاكل المثارة في المقالة كاستراتيجية للتأقلم مع أوقات الضغط الشخصي. كتب Thomson على صفحة العنوان لهذا المقالة الأسطر التالية من Essay on Man لـ Alexander Pope. ألهمت هذه الأسطر Thomson لفهم العالم الطبيعي باستخدام قوة وطريقة العلم:
Go, wondrous creature! mount where Science guides;
Go measure earth, weigh air, and state the tides;
Instruct the planets in what orbs to run.
Correct old Time, and regulate the sun;
أصبح Thomson مفتوناً بـ Théorie analytique de la chaleur لـ Fourier وألزم نفسه بدراسة رياضيات "القارة" التي كانت تقاومها المؤسسة البريطانية التي كانت لا تزال تعمل في ظل Sir Isaac Newton. وليس من المستغرب أن يتم مهاجمة عمل Fourier من قبل علماء الرياضيات المحليين، حيث قام Philip Kelland بتأليف كتاب نقدي. حفز الكتاب Thomson على كتابة أول بحث علمي منشور تحت الاسم المستعار P.Q.R.، يدافع عن Fourier، وقدمه والده إلى Cambridge Mathematical Journal. تابع بحث P.Q.R. ثانٍ تقريباً فوراً.
أثناء قضاء العطلة مع عائلته في Lamlash عام 1841، كتب ورقة P.Q.R. ثالثة وأكثر جوهراً بعنوان On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. في الورقة، قام بإنشاء روابط رائعة بين النظريات الرياضية لتوصيل الحرارة والكهربائية الساكنة، وهو تشابه وصفه James Clerk Maxwell في النهاية بأنه أحد أقيم أفكار تشكيل العلم.
Cambridge
كان بإمكان والد William أن يوفر توفيراً سخياً لتعليم ابنه المفضل، وفي عام 1841، ضمه، مع رسائل تقديم واسعة ومسكن وفير، في Peterhouse، Cambridge. أثناء وجوده في Cambridge، كان Thomson نشطاً في الرياضة والألعاب الرياضية والتجديف، حيث فاز بـ Colquhoun Sculls عام 1843. اهتم أيضاً بشكل حي بالكلاسيكيات والموسيقى والأدب؛ لكن الحب الحقيقي لحياته الفكرية كان السعي وراء العلم. استحوذت دراسة الرياضيات والفيزياء وبشكل خاص الكهرباء على خياله. في عام 1845 تخرج Thomson كـ Second Wrangler. فاز أيضاً بـ First Smith's Prize، وهي، على عكس tripos، اختبار للبحث الأصلي. يُقال إن Robert Leslie Ellis، أحد الفاحصين، صرح لفاحص آخر "أنت وأنا مناسبون تماماً لإصلاح أقلامه."
في عام 1845، قدم أول تطوير رياضي لفكرة Michael Faraday بأن الحث الكهربائي يتم من خلال وسيط متداخل، أو "عازل كهربائي"، وليس بعض "التأثير عن بعد" الذي لا يمكن فهمه. ابتكر أيضاً تقنية رياضية للصور الكهربائية، التي أصبحت عاملاً قوياً في حل مشاكل الكهربائية الساكنة، العلم الذي يتعامل مع القوى بين الأجسام المشحونة كهربائياً في حالة السكون. كان ذلك جزئياً استجابة لتشجيعه أن Faraday بدأ البحث في سبتمبر 1845 الذي أدى إلى اكتشاف Faraday effect، الذي أثبت أن الضوء والظواهر المغناطيسية وبالتالي الكهربائية كانت مرتبطة.
تم انتخابه زميلاً لـ St. Peter's وهو ما كان يُطلق عليه غالباً Peterhouse في ذلك الوقت في يونيو 1845. عند الحصول على الزمالة، قضى بعض الوقت في معمل المحتفى به Henri Victor Regnault، بـ Paris؛ لكن في عام 1846 تم تعيينه في كرسي الفلسفة الطبيعية في جامعة Glasgow. في سن اثنين وعشرين وجد نفسه يرتدي ملابس الأستاذ في إحدى أقدم الجامعات في البلاد، ومحاضراً لفصل كان طالباً من السنة الأولى فيه قبل سنوات قليلة.
الديناميكا الحرارية
بحلول عام 1847، كان Thomson قد اكتسب بالفعل سمعة كعالم موهوب وغير تقليدي عندما حضر اجتماع British Association for the Advancement of Science السنوي في Oxford. في ذلك الاجتماع، سمع James Prescott Joule يقوم بمحاولة أخرى منه، حتى الآن غير فعالة، لزعزعة نظرية السعرات الحرارية للحرارة ونظرية المحرك الحراري المبنية عليها بواسطة Sadi Carnot و Émile Clapeyron. جادل Joule بالقابلية المتبادلة للحرارة والعمل الميكانيكي والمكافئ الميكانيكي لهما.
كان Thomson مفتوناً لكن متشككاً. على الرغم من شعوره بأن نتائج Joule تتطلب تفسيراً نظرياً، انسحب إلى التزام أعمق بمدرسة Carnot–Clapeyron. توقع أن نقطة انصهار الجليد يجب أن تنخفض مع الضغط، وإلا فإن تمدده عند التجميد يمكن استغلاله في آلة perpetuum mobile. قام التأكيد التجريبي في معمله بالكثير لتعزيز معتقداته.
في عام 1848، قام بتوسيع نظرية Carnot–Clapeyron بشكل إضافي من خلال عدم رضاه بأن مقياس الغاز الحراري يوفر فقط تعريفاً تشغيلياً لدرجة الحرارة. اقترح مقياس درجة حرارة مطلقة حيث ستنتقل وحدة من الحرارة من جسم A بدرجة حرارة T° من هذا المقياس إلى جسم B بدرجة حرارة T−1°، مما ينتج نفس التأثير الميكانيكي ، مهما كان الرقم T. سيكون مثل هذا المقياس مستقلاً تماماً عن الخصائص الفيزيائية لأي مادة معينة. باستخدام مثل هذا "الشلال"، افترض Thomson أنه سيتم الوصول إلى نقطة لا يمكن فيها تحويل أي حرارة سعراتية أخرى، نقطة الصفر المطلق التي كان Guillaume Amontons قد تكهن بها عام 1702. استخدمت "Reflections on the Motive Power of Heat"، التي نشرها Carnot باللغة الفرنسية عام 1824، سنة ميلاد Lord Kelvin، −267 كتقدير لدرجة حرارة الصفر المطلق. استخدم Thomson البيانات المنشورة بواسطة Regnault لمعايرة مقياسه مقابل القياسات المعروفة.
في منشوره، كتب Thomson:
تحويل الحرارة (أو السعرات الحرارية) إلى تأثير ميكانيكي من المحتمل أن يكون مستحيلاً، وبالتأكيد لم يتم اكتشافه
—لكن حاشية تشير إلى شكوكه الأولى حول نظرية السعرات الحرارية، مشيرة إلى الاكتشافات المثيرة للغاية لـ Joule. بشكل مثير للدهشة، لم يرسل Thomson نسخة من ورقته إلى Joule، لكن عندما قرأها Joule أخيراً كتب إلى Thomson في 6 أكتوبر، يؤكد أن دراساته أثبتت تحويل الحرارة إلى عمل لكنه كان يخطط لمزيد من التجارب. رد Thomson في 27 أكتوبر، كاشفاً أنه كان يخطط لإجراء تجاربه الخاصة ويأمل في تصالح بين وجهتي نظرهما.
عاد Thomson للنقد على منشور Carnot الأصلي وقراءة تحليله أمام Royal Society of Edinburgh في يناير 1849، لا يزال مقتنعاً بأن النظرية كانت سليمة بشكل أساسي. ومع ذلك، على الرغم من عدم إجراء Thomson لأي تجارب جديدة، أصبح مع مرور السنتين التاليتين غير راضٍ بشكل متزايد عن نظرية Carnot ومقتنعاً بـ Joule. في فبراير 1851 جلس ليعبر عن تفكيره الجديد. كان غير متأكد من كيفية إطار نظريته ومرت الورقة بعدة مسودات قبل أن يستقر على محاولة المصالحة بين Carnot و Joule. أثناء إعادة كتابته، يبدو أنه تصور أفكاراً من شأنها أن تؤدي لاحقاً إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية. في نظرية Carnot، كانت الحرارة المفقودة مفقودة تماماً لكن Thomson جادل بأنها كانت
