당신이 말하고 있는 것을 측정할 수 있고 숫자로 표현할 수 있을 때, 당신은 그것에 대해 뭔가 알고 있습니다. 숫자로 표현할 수 없을 때, 당신의 지식은 부실하고 만족스럽지 못한 종류입니다. 그것은 지식의 시작일 수 있지만, 당신은 당신의 생각에서 과학의 단계로 거의 진전하지 못했습니다.
William Thomson, 1st Baron Kelvin는 Belfast에서 태어난 영국의 수학 물리학자이자 공학자였습니다. Glasgow 대학교의 자연철학 교수로 53년간 재직했으며, 전기의 수학적 분석과 열역학의 제1, 제2 법칙 공식화에서 중요한 업적을 이뤘고, 현대 물리학 분야를 통일하는 데 크게 기여했습니다. 그는 1883년 왕립학회의 Copley Medal을 수상했고, 1890-1895년 회장을 역임했으며, 1892년 영국 과학자로서 처음으로 상원에 입성했습니다.
절대 온도는 그의 영예를 위해 켈빈 단위로 표시됩니다. 절대영도의 하한이 그의 업적 이전에 알려져 있었지만, Kelvin은 그것의 올바른 값을 약 −273.15도 섭씨 또는 −459.67도 화씨로 결정한 것으로 알려져 있습니다. Joule–Thomson 효과도 그의 이름을 따서 명명되었습니다.
그는 자신의 업적에서 수학 교수 Hugh Blackburn과 긴밀히 협력했습니다. 그는 또한 전기 전신 공학자이자 발명가로서의 경력을 가졌는데, 이는 그를 대중의 관심을 끌게 했고 그의 부와 명성, 그리고 명예를 보장했습니다. 대서양 횡단 전신 프로젝트에서의 업적으로 그는 1866년 Queen Victoria에 의해 기사작위를 받아 Sir William Thomson이 되었습니다. 그는 광범위한 해양 관심사를 가지고 있었으며 이전에 신뢰성이 제한적이었던 나침반에 대한 업적으로 가장 유명합니다.
그는 열역학에서의 성취와 아일랜드 자치를 반대한 업적으로 1892년에 귀족 작위를 받아 Ayr 카운티의 Largs 지역의 Baron Kelvin이 되었습니다. 이 작위는 Glasgow 대학교의 Gilmorehill 캠퍼스의 Hillhead에 있는 그의 연구실 근처를 흐르는 River Kelvin을 가리킵니다. 여러 세계적으로 유명한 대학의 높은 직책 제의에도 불구하고, Kelvin은 Glasgow를 떠나기를 거부했으며 1899년 최종적으로 그 직책에서 은퇴할 때까지 머물렀습니다. 산업 연구 개발에 적극적이었던 그는 약 1899년경 George Eastman에 의해 Eastman Kodak과 제휴된 영국 회사 Kodak Limited 이사회의 부의장으로 복무하도록 모집되었습니다. 1904년 그는 Glasgow 대학교의 총장이 되었습니다.
그의 집은 Largs의 빨간 사암 저택 Netherhall이었으며, 1870년대에 지었고 그곳에서 사망했습니다. Glasgow 대학교의 Hunterian Museum에는 많은 원본 논문, 기구 및 그의 담뱃대 같은 다른 유물을 포함한 Kelvin의 업적에 관한 상설 전시회가 있습니다.
초기 생활과 업적
가족
William Thomson의 아버지 James Thomson은 Royal Belfast Academical Institution에서 수학 및 공학 교사였으며 농부의 아들이었습니다. James Thomson은 1817년에 Margaret Gardner와 결혼했고, 그들의 자녀 중 4명의 남자아이와 2명의 여자아이가 유아기를 넘겼습니다. Margaret Thomson은 William이 6세일 때 1830년에 사망했습니다.
William과 그의 형 James는 아버지에 의해 집에서 개인교사를 받았고 더 어린 남자아이들은 나이 많은 누나들에 의해 개인교사를 받았습니다. James는 아버지의 주요 격려, 애정 및 재정 지원의 혜택을 받고 공학 분야의 경력을 위해 준비되도록 의도되었습니다.
1832년에 그의 아버지는 Glasgow에서 수학 교수로 임명되었고 가족은 1833년 10월에 그곳으로 이주했습니다. Thomson 아이들은 아버지의 시골 성장보다 더 광범위한 국제적 경험에 노출되었으며, 1839년 중반 런던에서 시간을 보냈고 남자아이들은 파리에서 프랑스어를 개인교사로 받았습니다. Thomson의 1840년대 중반 생활의 대부분은 독일과 네덜란드에서 보냈습니다. 언어 연구는 높은 우선순위를 부여받았습니다.
그의 누나 Anna Thomson은 James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926의 어머니였습니다.
청년 시절
Thomson은 심장 문제가 있었고 9세일 때 거의 죽을 뻔했습니다. 그는 아버지가 대학 부문의 교수였던 Royal Belfast Academical Institution에 다녔고, 1834년에 Glasgow 대학교에서 공부를 시작했습니다. 당시 나이는 10세였으며, 이것은 뛰어난 능력이 아니었고 대학교는 유능한 학생들을 위한 초등학교의 많은 시설을 제공했으며 이것은 전형적인 시작 나이였습니다.
학교에서 Thomson은 자연과학에 대한 타고난 관심과 함께 고전에 대한 깊은 관심을 보였습니다. 12세일 때 그는 Lucian of Samosata의 Dialogues of the Gods를 라틴어에서 영어로 번역한 것으로 상을 받았습니다.
1839/1840 학년도에 Thomson은 지구의 형태에 관한 Essay로 천문학에서 수석상을 받았으며, 이는 수학적 분석과 창의성에 대한 초기 능력을 보였습니다. 당시 그의 물리학 튜터는 그와 같은 이름의 David Thomson이었습니다.
그의 평생 동안 그는 개인적 스트레스 시간 동안 대처 전략으로 이 essay에서 제기된 문제에 대해 작업했습니다. 이 essay의 제목 페이지에서 Thomson은 Alexander Pope의 Essay on Man에서 다음 줄을 썼습니다. 이 줄들은 Thomson이 과학의 힘과 방법을 사용하여 자연 세계를 이해하도록 영감을 주었습니다:
가거라, 놀라운 피조물이여! 과학이 인도하는 곳으로 올라가거라;
가거라 땅을 측정하고, 공기를 달고, 조수를 표현하거라;
행성들에게 어떤 궤도에서 달려야 하는지 가르쳐 주거라.
오래된 시간을 바로잡고, 태양을 조절하거라;
Thomson은 Fourier의 Théorie analytique de la chaleur에 매력을 느꼈고 Sir Isaac Newton의 그림자에서 일하고 있던 영국 기관에 의해 저항을 받았던 "대륙" 수학을 공부하기로 결심했습니다. 당연히 Fourier의 업적은 국내 수학자들에 의해 공격받았으며, Philip Kelland는 비판적인 책을 저술했습니다. 이 책은 Thomson이 가명 P.Q.R. 아래에서 그의 첫 번째 출판된 과학 논문을 쓰도록 동기를 부여했으며, Fourier를 옹호하고 아버지에 의해 Cambridge Mathematical Journal에 제출되었습니다. 두 번째 P.Q.R. 논문이 거의 즉시 뒤따랐습니다.
1841년 Lamlash에서 가족과 휴가 중에 그는 세 번째로 더 실질적인 P.Q.R. 논문 On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity를 썼습니다. 이 논문에서 그는 열 전도와 정전기학의 수학적 이론 사이에서 놀라운 연결을 만들었으며, 이 유추는 James Clerk Maxwell이 궁극적으로 가장 가치 있는 과학 형성 아이디어 중 하나로 설명할 유추입니다.
Cambridge
William의 아버지는 자신의 최고의 아들 교육을 위해 넉넉한 지원을 할 수 있었고, 1841년에 광범위한 소개장과 충분한 숙소를 가지고 Peterhouse, Cambridge에 배치했습니다. Cambridge에 있는 동안 Thomson은 스포츠, 육상 경기 및 노젓기에 활발했으며, 1843년 Colquhoun Sculls를 우승했습니다. 그는 또한 고전, 음악 및 문학에 깊은 관심을 가졌습니다. 하지만 그의 지적 생활의 진정한 사랑은 과학의 추구였습니다. 수학, 물리학 및 특히 전기 연구는 그의 상상력을 사로잡았습니다. 1845년 Thomson은 Second Wrangler로 졸업했습니다. 그는 또한 First Smith's Prize를 우승했는데, tripos와 달리 이것은 원본 연구의 시험입니다. 심사자 중 한 명인 Robert Leslie Ellis는 다른 심사자에게 "당신과 나는 단지 그의 펜을 수리할 정도만 적합합니다"라고 말한 것으로 알려져 있습니다.
1845년에 그는 Michael Faraday의 전기 유도가 중개 매질 또는 "유전체"를 통해 발생하며 어떤 불가사의한 "원거리 작용"에 의해서가 아니라는 개념의 첫 번째 수학적 발전을 제시했습니다. 그는 또한 정전기학 문제를 해결하는 데 강력한 도구가 된 전기상 수학적 기법을 고안했습니다. 정전기학은 정지된 전하를 띤 물체 사이의 힘을 다루는 과학입니다. 부분적으로 그의 권장에 응하여 Faraday는 1845년 9월 연구를 수행했으며, 이는 Faraday 효과의 발견으로 이어졌고, 빛과 자기 그리고 따라서 전기 현상이 관련되어 있다는 것을 확립했습니다.
그는 당시 Peterhouse를 종종 St. Peter's라고 불렸으며 1845년 6월 펠로우로 선출되었습니다. 펠로우십을 얻은 후, 그는 파리에서 유명한 Henri Victor Regnault의 실험실에서 시간을 보냈습니다. 하지만 1846년에 그는 Glasgow 대학교의 자연철학 의장으로 임명되었습니다. 22세에 그는 이 나라에서 가장 오래된 대학 중 하나의 교수 가운을 입게 되었고, 몇 년 전 그가 1학년 학생이었던 그 반에 강의를 했습니다.
열역학
1847년까지 Thomson은 이미 그가 Oxford에서 영국 과학 진흥 협회 연례 회의에 참석했을 때 조숙하고 특이주의적인 과학자로서의 평판을 얻었습니다. 그 회의에서 그는 James Prescott Joule이 지금까지 효과가 없었던 열의 칼로릭 이론과 Sadi Carnot과 Émile Clapeyron에 의해 구축된 열 엔진 이론을 폄하하려는 또 다른 시도를 했다는 것을 들었습니다. Joule은 열과 기계적 작업의 상호 변환성과 그들의 기계적 동등성을 주장했습니다.
Thomson은 흥미로워했지만 회의적이었습니다. 비록 Joule의 결과가 이론적 설명을 요구한다고 느꼈지만, 그는 Carnot–Clapeyron 학파에 대한 더욱 깊은 헌신으로 물러났습니다. 그는 얼음의 융점이 압력에 따라 떨어져야 한다고 예측했으며, 그렇지 않으면 얼어붙을 때의 팽창이 perpetuum mobile에서 착취될 수 있었습니다. 그의 실험실에서의 실험적 확인은 그의 믿음을 강화하는 데 많은 도움이 되었습니다.
1848년에 그는 Carnot–Clapeyron 이론을 더욱 확장했는데, 기체 온도계가 온도의 조작적 정의만을 제공했다는 불만족으로부터였습니다. 그는 온도 T°의 물체 A에서 온도 T−1°의 물체 B로 내려가는 단위 열이 숫자 T가 무엇이든 같은 기계적 효과를 낼 것이라는 절대 온도 눈금을 제안했습니다. 그러한 척도는 어떤 특정 물질의 물리적 성질과도 완전히 무관할 것입니다. Thomson은 그러한 "폭포"를 채용함으로써 더 이상 열 칼로릭을 전달할 수 없는 지점인 Guillaume Amontons가 1702년에 추측했던 절대영도 지점에 도달할 것이라고 가정했습니다. Carnot에 의해 1824년 프랑스어로 출판된 "Reflections on the Motive Power of Heat"는 Lord Kelvin의 탄생 연도에 절대영도 온도의 추정치로 −267을 사용했습니다. Thomson은 Regnault에 의해 출판된 데이터를 사용하여 확립된 측정에 대해 그의 척도를 보정했습니다.
그의 출판물에서 Thomson은 다음과 같이 썼습니다:
열(또는 칼로릭)의 기계적 효과로의 변환은 아마도 불가능하며, 확실히 발견되지 않았습니다
—하지만 각주는 Joule의 매우 놀라운 발견을 언급하면서 칼로릭 이론에 대한 그의 첫 의심을 신호했습니다. 놀랍게도 Thomson은 Joule에게 자신의 논문 사본을 보내지 않았지만, Joule이 결국 읽었을 때 그는 10월 6일에 Thomson에게 편지를 써서 자신의 연구가 열의 작업으로의 변환을 입증했지만 추가 실험을 계획하고 있다고 주장했습니다. Thomson은 10월 27일에 응답했으며, 자신도 실험을 계획하고 있으며 그들의 두 가지 견해의 화해를 희망한다고 밝혔습니다.
Thomson은 Carnot의 원래 출판물을 비평하기 위해 돌아왔고 1849년 1월 Edinburgh의 Royal Society에 자신의 분석을 읽었으며, 여전히 이론이 근본적으로 건전하다고 확신했습니다. 그러나 Thomson이 새로운 실험을 수행하지 않았지만, 다음 2년에 걸쳐 그는 Carnot의 이론에 점점 더 불만족하게 되었고 Joule의 이론을 확신하게 되었습니다. 1851년 2월에 그는 자신의 새로운 생각을 표현하기 위해 앉았습니다. 그는 자신의 이론을 어떻게 프레임할지 확실하지 않았고 논문은 Carnot과 Joule을 화해시키려는 시도로 정착하기 전에 여러 초안을 거쳤습니다. 그의 재작성 중에, 그는 궁극적으로 열역학의 제2 법칙을 야기할 아이디어를 고려한 것으로 보입니다. Carnot의 이론에서 잃어버린 열은 절대적으로 손실되었지만 Thomson은 그것이 "인간에게 회복 불가능하게 손실되었지만, 물질 세계에서는 손실되지 않았다"고 주장했습니다. 더욱이, 그의 신학적 신념은 우주의 열사(heat death)에 대한 추측으로 이어졌습니다.
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