Когда вы можете измерить то, о чём вы говорите, и выразить это числами, вы что-то знаете об этом, когда вы не можете выразить это числами, ваше знание имеет скудный и неудовлетворительный характер; это может быть началом знания, но вы едва ли, в ваших мыслях продвинулись на стадию науки.
William Thomson, 1st Baron Kelvin, был британским математическим физиком и инженером, родившимся в Belfast. Профессор Натуральной философии в Университете Glasgow в течение 53 лет, он проделал важную работу в математическом анализе электричества и формулировке первого и второго законов термодинамики и много способствовал объединению формирующейся дисциплины физики в её современном виде. Он получил медаль Copley Королевского общества в 1883 году, был его президентом в 1890–1895 годах и в 1892 году был первым британским учёным, возведённым в Палату лордов.
Абсолютные температуры выражаются в единицах kelvin в его честь. Хотя существование нижнего предела температуры абсолютного нуля было известно до его работ, Kelvin известен определением его правильного значения как приблизительно −273,15 градусов Цельсия или −459,67 градусов Фаренгейта. Эффект Joule–Thomson также назван в его честь.
Он тесно сотрудничал с профессором математики Hugh Blackburn в своей работе. Он также имел карьеру электрического телеграфного инженера и изобретателя, что выдвинул его в центр внимания общественности и обеспечил его богатство, славу и честь. За его работу над трансатлантическим телеграфным проектом он был возведён в рыцари королевой Victoria в 1866 году, став сэром William Thomson. Он имел обширные морские интересы и наиболее известен своей работой над судовым компасом, который ранее имел ограниченную надёжность.
Он был возведён в дворянство в 1892 году в признание его достижений в термодинамике и его противодействия ирландскому Home Rule, став Baron Kelvin of Largs в графстве Ayr. Название относится к реке Kelvin, которая протекает рядом с его лабораторией в доме Gilmorehill Университета Glasgow в Hillhead. Несмотря на предложения возвышенных постов от нескольких всемирно известных университетов, Kelvin отказался покидать Glasgow, оставаясь там до его окончательного выхода на пенсию с этой должности в 1899 году. Активный в промышленных исследованиях и разработках, он был привлечён около 1899 года George Eastman для служения в качестве вице-председателя совета директоров британской компании Kodak Limited, аффилированной с Eastman Kodak. В 1904 году он стал канцлером Университета Glasgow.
Его дом был красным песчаниковым особняком Netherhall в Largs, который он построил в 1870-х годах и где он скончался. Hunterian Museum в Университете Glasgow имеет постоянную выставку работ Kelvin, включая многие его оригинальные статьи, приборы и другие артефакты, такие как его трубка для курения.
Ранняя жизнь и работа
Семья
Отец William Thomson, James Thomson, был преподавателем математики и инженерии в Royal Belfast Academical Institution и сыном фермера. James Thomson женился на Margaret Gardner в 1817 году и, из их детей, четыре мальчика и две девочки пережили раннее детство. Margaret Thomson умерла в 1830 году, когда William было шесть лет.
William и его старший брат James были обучены дома их отцом, в то время как младшие мальчики были обучены их старшими сёстрами. James был предназначен для получения основной доли поддержки, привязанности и финансовой поддержки своего отца и был подготовлен к карьере в инженерии.
В 1832 году его отец был назначен профессором математики в Glasgow, и семья переехала туда в октябре 1833 года. Дети Thomson были введены в более широкий космополитический опыт, чем сельское воспитание их отца, проведя середину 1839 года в London, и мальчики были обучены французскому языку в Paris. Большая часть жизни Thomson в середине 1840-х годов была проведена в Germany и Netherlands. Языковому обучению уделялось высокое внимание.
Его сестра, Anna Thomson, была матерью James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926.
Юность
Thomson имел проблемы с сердцем и чуть не умер, когда ему было 9 лет. Он посещал Royal Belfast Academical Institution, где его отец был профессором в университетском отделении, прежде чем начать обучение в Glasgow University в 1834 году в возрасте 10 лет, не из-за какого-либо превосходства; Университет предоставил многие из удобств начальной школы для способных учеников, и это был типичный возраст для начала.
В школе Thomson проявлял живой интерес к классике наряду со своим естественным интересом к наукам. В возрасте 12 лет он выиграл приз за перевод Lucian of Samosata's Dialogues of the Gods с латыни на английский.
В учебном году 1839/1840 Thomson выиграл приз класса по астрономии за свой Essay on the figure of the Earth, который показал раннюю способность к математическому анализу и творчеству. Его преподавателем физики в то время был его тёзка, David Thomson.
На протяжении своей жизни он работал над проблемами, поднятыми в эссе, как стратегия преодоления во времена личного стресса. На титульной странице этого эссе Thomson написал следующие строки из Essay on Man Александра Pope. Эти строки вдохновили Thomson понять естественный мир, используя мощь и метод науки:
Иди, чудесное существо! взойди туда, где Science ведёт;
Иди, измеряй землю, взвешивай воздух, и определяй приливы;
Обучай планеты, по каким орбитам бегать.
Исправляй старое Time, и регулируй солнце;
Thomson увлёкся Théorie analytique de la chaleur Fourier и посвятил себя изучению «Continental» математики, которой сопротивлялась британская научная школа, всё ещё находящаяся в тени Sir Isaac Newton. Неудивительно, что работа Fourier была атакована отечественными математиками, Philip Kelland написав критическую книгу. Книга побудила Thomson написать его первую опубликованную научную статью под псевдонимом P.Q.R., защищая Fourier, и представленную в Cambridge Mathematical Journal его отцом. Вторая статья P.Q.R. последовала почти сразу же.
Находясь в отпуске с семьёй в Lamlash в 1841 году, он написал третью, более существенную статью P.Q.R. On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. В этой статье он сделал замечательные связи между математическими теориями теплопроводности и электростатики, аналогию, которую James Clerk Maxwell в конечном итоге описал как одну из наиболее ценных идей, формирующих науку.
Cambridge
Отец William смог сделать щедрое пособие на образование своего любимого сына и в 1841 году поместил его, с обширными рекомендательными письмами и достаточным жильём, в Peterhouse, Cambridge. В Cambridge Thomson был активен в спорте, атлетике и гребле, выиграв Colquhoun Sculls в 1843 году. Он также проявлял живой интерес к классике, музыке и литературе; но истинной любовью его интеллектуальной жизни было стремление к науке. Изучение математики, физики и, в частности, электричества, пленило его воображение. В 1845 году Thomson окончил как Second Wrangler. Он также выиграл First Smith's Prize, который, в отличие от tripos, является тестом оригинального исследования. Robert Leslie Ellis, один из экзаменаторов, как говорят, заявил другому экзаменатору «Вы и я просто более или менее подходим для того, чтобы чинить его ручки».
В 1845 году он дал первое математическое развитие идеи Michael Faraday о том, что электрическая индукция происходит через окружающую среду, или «диэлектрик», а не через какое-то непостижимое «действие на расстояние». Он также разработал математическую технику электрических образов, которая стала мощным инструментом в решении проблем электростатики, науки, занимающейся силами между электрически заряженными телами в покое. Отчасти в ответ на его поощрение Faraday предпринял исследования в сентябре 1845 года, которые привели к открытию эффекта Faraday, установившего, что свет и магнитные, а таким образом электрические явления были связаны.
Он был избран fellow of St. Peter's, как часто называли Peterhouse в то время, в июне 1845 года. Получив fellowship, он некоторое время провёл в лаборатории знаменитого Henri Victor Regnault в Paris; но в 1846 году он был назначен на кафедру натуральной философии в Университете Glasgow. В двадцать два года он нашёл себя одетым в мантию профессора в одном из старейших университетов страны и читал лекции классу, студентом которого он был несколько лет назад.
Термодинамика
К 1847 году Thomson уже получил репутацию преждевременного и нетрадиционного учёного, когда он посетил ежегодное собрание British Association for the Advancement of Science в Oxford. На этом собрании он услышал, как James Prescott Joule делал ещё одну из своих, до сих пор неудачных попыток дискредитировать калорическую теорию тепла и теорию тепловой машины, построенную на её основе Sadi Carnot и Émile Clapeyron. Joule утверждал о взаимной превращаемости тепла и механической работы и об их механической эквивалентности.
Thomson был заинтригован, но скептичен. Хотя он чувствовал, что результаты Joule требовали теоретического объяснения, он отступил в ещё более глубокую привверженность школе Carnot–Clapeyron. Он предсказал, что точка плавления льда должна падать с давлением, в противном случае его расширение при замерзании могло бы быть использовано в perpetuum mobile. Экспериментальное подтверждение в его лаборатории много способствовало укреплению его убеждений.
В 1848 году он расширил теорию Carnot–Clapeyron дальше через своё недовольство тем, что газовый термометр обеспечивал только операциональное определение температуры. Он предложил абсолютную температурную шкалу, в которой единица тепла, спускающаяся от тела A при температуре T° этой шкалы к телу B при температуре T−1°, дала бы одинаковый механический эффект, независимо от числа T. Такая шкала была бы совершенно независима от физических свойств любого конкретного вещества. Используя такой «водопад», Thomson постулировал, что была бы достигнута точка, в которой дальше не могло быть передано калорическое тепло, точка абсолютного нуля, о которой Guillaume Amontons размышлял в 1702 году. «Reflections on the Motive Power of Heat», опубликованный Carnot на французском языке в 1824 году, году рождения Lord Kelvin, использовал −267 в качестве оценки температуры абсолютного нуля. Thomson использовал данные, опубликованные Regnault, для калибровки своей шкалы в соответствии с установленными измерениями.
В своей публикации Thomson написал:
Преобразование тепла (или калорической материи) в механический эффект вероятно невозможно, определённо не открыто
—Но сноска сигнализировала его первые сомнения в отношении калорической теории, ссылаясь на весьма примечательные открытия Joule. Удивительно, что Thomson не отправил Joule копию своей статьи, но когда Joule в конце концов её прочитал, он написал Thomson 6 октября, утверждая, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планировал дальнейшие эксперименты. Thomson ответил 27 октября, раскрыв, что он планировал свои собственные эксперименты и надеялся на примирение их двух точек зрения.
Thomson вернулся, чтобы критиковать оригинальную публикацию Carnot, и прочитал свой анализ Royal Society of Edinburgh в январе 1849 года, всё ещё убеждённый, что теория была принципиально верна. Однако, хотя Thomson не провёл новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился всё более недовольным теорией Carnot и убеждённым в теории Joule. В феврале 1851 года он сел, чтобы выразить свои новые мысли. Он был неуверен в том, как сформулировать свою теорию, и статья прошла через несколько черновиков, прежде чем он остановился на попытке примирения Carnot и Joule. Во время переписывания он, похоже, рассмотрел идеи, которые впоследствии дали начало второму закону термодинамики. В теории Carnot потерянное тепло было абсолютно потеряно, но Thomson утверждал, что оно было «потеряно для человека безвозвратно; но не потеряно в материальном мире». Более того, его теологические убеждения привели к предположениям о тепловой смерти вселенной.
Я верю, что тенденция в материальном мире заключается в рассеивании движения, и что в целом обратное концентрации постепенно происходит – Я верю, что никакое физическое действие никогда не сможет восстановить тепло, излучаемое от солнца, и что этот источник не бесконечен; также что движения Земли и других планет теряют vis viva, которая преобразуется в тепло; и хотя некоторая vis viva может быть восстановлена, например для земли за счёт тепла, полученного от солнца, или другими средствами, что потеря не может быть точно компенсирована и я думаю, что вероятно, что она недокомпенсирована.
Компенсация потребовала бы творческого акта или акта, обладающего аналогичной силой.
В окончательной публикации Thomson отступил от радикального отступления и объявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на ... двух ... предложениях, принадлежащих соответственно Joule и Carnot и Clausius». Thomson продолжил, излагая форму второго закона:
Невозможно посредством неживого материального агентства получить механический эффект из
