Konuştuğunuz şeyler hakkında ölçüm yapabildiğinizde ve bunu sayılarla ifade edebildiğinizde, onun hakkında bir şeyler biliyorsunuz demektir; ifade edemediğinizde, bilginiz yetersiz ve tatmin edici olmayan türdendir; bu bilginin başlangıcı olabilir, ancak düşüncelerinizde pek de bilim aşamasına ulaşmamışsınız demektir.
William Thomson, 1st Baron Kelvin, Belfast'ta doğan İngiliz matematiksel fizikçi ve mühendisdi. Glasgow Üniversitesi'nde 53 yıl boyunca Doğa Felsefesi Profesörü olarak görev yaptı; elektriğin matematiksel analizi ve termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının formüle edilmesi alanlarında önemli çalışmalar yaptı ve fiziği modern biçiminde birleştirmek için çok çalışmıştır. 1883'te Royal Society'nin Copley Madalyası'nı aldı, 1890-1895 yılları arasında başkanlığını yaptı ve 1892'de Avam Kamarası'na yükseltilen ilk İngiliz bilim insanı olmuştur.
Mutlak sıcaklıklar onun onuruna kelvin biriminde ifade edilir. Sıcaklığın alt sınırı olan mutlak sıfır onun çalışmasından önce biliniyordu, ancak Kelvin, bunun doğru değerini yaklaşık −273,15 derece Celsius veya −459,67 derece Fahrenheit olarak belirlemesiyle bilinir. Joule–Thomson etkisi de onun adıyla anılır.
Matematikçi Hugh Blackburn ile çalışmasında yakından çalıştı. Ayrıca elektrik telgrafı mühendisi ve mucit olarak bir kariyer yaptı; bu da onu halkın ilgisine çekti ve zenginliğini, şöhretini ve onurunu sağladı. Transatlantik telgraf projesi üzerindeki çalışmaları nedeniyle 1866'da Kraliçe Victoria tarafından fahri unvanla (knighted) adlandırıldı ve Sir William Thomson oldu. Geniş denizcilik ilgilerine sahip olup, denizcinin pusulası üzerindeki çalışmasıyla en çok tanındı; bu pusula daha önce sınırlı güvenilirliğe sahipti.
1892'de termodinamikteki başarıları ve İrlanda Ev Yönetimi'ne muhalefeti nedeniyle soyluluğa yükseltildi ve Ayr İlçesinin Largs'ı olan Baron Kelvin oldu. Unvan, laboratuvarının yakınından akan River Kelvin'e atıfta bulunur; laboratuvarı Glasgow Üniversitesi'nin Gilmorehill evinde, Hillhead'de yer alır. Dünyanın birçok ünlü üniversitesinden yüksek görevler sunulmasına rağmen Kelvin Glasgow'u terk etmeyi reddetti ve 1899'da emekli olana kadar orada kaldı. Endüstriyel araştırma ve geliştirmede aktif olarak çalışan Kelvin, 1899 civarında George Eastman tarafından Eastman Kodak ile bağlantılı İngiliz şirketi Kodak Limited'in yönetim kurulu başkan yardımcılığı görevine atandı. 1904'te Glasgow Üniversitesi'nin Şansölyesi oldu.
Evi Largs'daki kırmızı kumtaş binası Netherhall'du; bunu 1870'lerde inşa etti ve burada öldü. Glasgow Üniversitesi'ndeki Hunterian Museum, Kelvin'in çalışmaları hakkında kalıcı bir sergi sunmaktadır; bu sergide onun orijinal makaleleri, enstrümanları ve sigara pibisi gibi diğer eserler yer almaktadır.
Erken yaşam ve çalışma
Aile
William Thomson'ın babası James Thomson, Royal Belfast Academical Institution'da matematik ve mühendislik öğretmeni ve bir çiftçinin oğluydu. James Thomson, 1817'de Margaret Gardner ile evlendi ve çocuklarından dört oğlan ve iki kız bebeklikleri geçti. Margaret Thomson, William altı yaşındayken 1830'da öldü.
William ve abisi James, babalarının rehberliğinde evde ders aldı; daha küçük oğlanlar, ablalarının rehberliğinde ders aldı. James, babasının desteklerinin, sevgisinin ve finansal yardımının büyük payından yararlanması için hazırlandı ve mühendislik kariyerine hazırlandı.
1832'de, babası Glasgow'da matematik profesörü olarak atandı ve aile Ekim 1833'te oraya taşındı. Thomson çocuklarının, babasının kırsal arka planından daha geniş ve evrensel bir deneyime maruz kaldı; 1839'un ortasını Londra'da geçirdiler ve erkekler Paris'te Fransızca dersine katıldılar. Thomson'ın 1840'ların ortasında hayatının çoğu Almanya ve Hollanda'da geçti. Dil öğrenimine yüksek öncelik verildi.
Kız kardeşi Anna Thomson, James Thomson Bottomley FRSE 1845–1926'nın annesi idi.
Gençlik
Thomson'ın kalp sorunları vardı ve 9 yaşındayken neredeyse öldü. Babasının üniversite bölümünde profesör olduğu Royal Belfast Academical Institution'a gitti; 1834'te 10 yaşında Glasgow Üniversitesi'nde eğitim almaya başladı; bu, çok üstün zekâ nedeniyle değildi; üniversite yetenekli öğrenciler için birçok ilkokul olanağı sağladı ve bu tipik bir başlangıç yaşıydı.
Okulda Thomson, klasiklere karşı doğal ilgisinin yanı sıra bilime de gösterdi. 12 yaşında, Samosata'lı Lucian'ın Tanrıların Diyalogları'nı Latince'den İngilizce'ye çevirirken ödül kazandı.
1839/1840 öğretim yılında Thomson, Dünya'nın şekli hakkındaki deneme için astronomi sınıf ödülü kazandı; bu deneme matematiksel analiz ve yaratıcılık için erken bir yeteneği gösterdi. Bu dönemde fizik hocası, isminde ortaklaştığı David Thomson'du.
Hayatı boyunca, kişisel stres dönemlerinde başa çıkma stratejisi olarak denemede ortaya konan sorunlar üzerinde çalıştı. Bu denemenin başlık sayfasında Thomson, Alexander Pope'nin Essay on Man'dan şu satırları yazdı. Bu satırlar Thomson'ı doğal dünyayı bilimin gücü ve yöntemiyle anlamaya ilham verdi:
Git, harika yaratık! Bilimin rehberliği altında kalk;
Git, dünyayı ölç, havayı tartı ve gel
Gezegenleri hangi yörüngede çalışacağını öğret.
Eski Zamanı düzelt, Güneşi düzenle;
Thomson, Fourier'nin Théorie analytique de la chaleur'üne ilgi duydu ve kendini "Kıta" matematiklerini Sir Isaac Newton'ın gölgesinde çalışan İngiliz kurumu tarafından reddettiği şekilde çalışmaya adamıştır. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, Fourier'nin çalışması yerli matematikçiler tarafından saldırıya uğramışken, Philip Kelland eleştirel bir kitap yazmıştır. Kitap Thomson'u, Fourier'yi savunan ilk yayınlanan bilimsel makalesini P.Q.R. takma adı altında yazması ve babasının Cambridge Mathematical Journal'e göndermesi için motive etti. Hemen ardından ikinci bir P.Q.R. makalesi yayımlandı.
1841'de ailesinin Lamlash'ta yaptığı tatilde, üçüncü, daha esaslı bir P.Q.R. makalesi yazdı: "Homojen katı cisimlerde ısının tekdüze hareketi ve bunu elektriğin matematiksel teorisiyle ilişkisinde." Bu makalede ısı iletimi ve elektrostatik matematiksel teorileri arasında dikkat çekici bağlantılar kurdu; James Clerk Maxwell sonraları bu benzerliliği en değerli bilim oluşturan fikirlerden biri olarak tanımlayacaktı.
Cambridge
William'ın babası, sevdiği oğlunun eğitimi için cömert bir imkân sağlayabildiler ve 1841'de onu, kapsamlı tavsiye mektupları ve geniş konaklama imkanlarıyla Peterhouse, Cambridge'e yerleştirdiler. Cambridge'de Thomson, spor, atletizm ve kürek sporlarında aktifti ve 1843'te Colquhoun Kürek Yarışması'nı kazandı. Ayrıca klasikler, müzik ve edebiyata canlı bir ilgi gösterdi; ancak entelektüel hayatının gerçek sevgisi bilim peşinde koşmaktı. Matematik, fizik ve özellikle elektrik çalışması hayal gücünü ele geçirmişti. 1845'te Thomson, İkinci Wrangler olarak mezun oldu. Ayrıca First Smith's Prize'ı kazandı; bu, tripos'un aksine, orijinal araştırmanın bir sınavıydı. Sınav yapan kişilerden biri olan Robert Leslie Ellis, diğer bir sınav yapanına şunları söylemiş olarak söylenilmektedir: "Sen ve ben sadece onun kalemlerini tamir etmeye uygun durumdayız."
1845'te, Michael Faraday'ın elektrik indüksiyonunun bir ara ortam veya "dielektrik" vasıtasıyla gerçekleştiğine ve bazı anlaşılmaz "uzaktan etki" yoluyla değil, ilk matematiksel gelişimini yaptı. Ayrıca elektrik görüntüleri matematiksel tekniğini geliştirdi; bu, elektrostatik problemleri çözmede güçlü bir araç haline geldi; elektrostatik, dinlenmiş elektrik yüklü cisimler arasındaki kuvvetleri inceleyen bilimdir. Faraday'ın, Eylül 1845'te, Faraday etkisinin keşfine yol açan araştırmaları yürütmesine kısmen onun teşviki nedeniyle oldu; bu keşif, ışık ve manyetik ve böylece elektrik fenomenlerinin ilişkili olduğunu belirledi.
Haziran 1845'te Peterhouse'un o zamanlar sıkça St. Peter's olarak adlandırıldığı St. Peter's üyesi olarak seçildi. Öğretmenliği elde ettikten sonra, Paris'te ünlü Henri Victor Regnault'un laboratuvarında biraz zaman geçirdi; ancak 1846'da Glasgow Üniversitesi'nde doğa felsefesi profesörlüğüne atandı. Yirmi iki yaşında, ülkenin en eski üniversitelerinden birinin profesör cüppesini giyerek kendini buldu ve birkaç yıl önce birinci sınıf öğrenci olduğu sınıfa ders verdi.
Termodinamik
1847'ye kadar Thomson, Oxford'ta British Association for the Advancement of Science'ın yıllık toplantısına katıldığında, dönem dönem hırçın ve farklı bir bilim insanı olarak zaten bir itibarı kazanmıştı. O toplantıda, James Prescott Joule'nin kalori ısı teorisini ve bunun üzerine kurulan ısı motoru teorisini (Sadi Carnot ve Émile Clapeyron tarafından geliştirilen) inandırmaya çalışan şimdiye kadar etkisiz başka bir girişimini işitti. Joule, ısı ve mekanik işin karşılıklı dönüştürülebilirliğini ve mekanik eşdeğerliliklerini savundu.
Thomson ilgi duydu ancak şüpheciydi. Joule'nin sonuçlarının teorik açıklamaya ihtiyaç duyduğunu hissetti; ancak Carnot–Clapeyron okuluna daha da derinlemesine bağlı kaldı. Buz erimesinin basınç altında düşmesi gerektiğini öngördü; aksi takdirde donmuş suyun genişlemesi kalıcı bir harekette kullanılabilir. Laboratuvarındaki deneysel doğrulama, inanışlarını desteklemeye çok yardımcı oldu.
1848'de, gaz termometresinin sıcaklığın sadece operasyonel bir tanımını sağlamasından duyduğu hoşnutsuzluk nedeniyle Carnot–Clapeyron teorisini daha da geliştirdi. Mutlak sıcaklık ölçeği önerdi; bu ölçekte, A sıcaklığında bir cisimden T° bu ölçeğin sıcaklığında inen bir birim ısı, T−1° sıcaklığındaki B cismine aynı mekanik etkiyi verecektir; T sayısı ne olursa olsun. Böyle bir ölçek, herhangi bir belirli maddenin fiziksel özelliklerinden tamamen bağımsız olacaktır. Böyle bir "şelale" kullanarak Thomson, herhangi bir ısı kalorinin transfer edilemeyeceği bir noktaya ulaşılacağını ve Guillaume Amontons'un 1702'de spekülasyonda bulunduğu mutlak sıfır noktasını postüle etti. Carnot tarafından Fransızca yayımlanan "Reflections on the Motive Power of Heat", Lord Kelvin'in doğum yılı olan 1824'te, mutlak sıfır sıcaklığının tahmini olarak −267 kullandı. Thomson, ölçeğini kurulu ölçümler karşısında kalibre etmek için Regnault tarafından yayımlanan verileri kullandı.
Yayınında Thomson şunları yazdı:
Isının (veya kalorisinin) mekanik etkiye dönüştürülmesi muhtemelen imkânsız, kesinlikle keşfedilmemiştir
—Ancak bir dipnot kalori teorisi hakkında ilk şüphelerini işaret etti; Joule'nin çok dikkat çekici keşiflerine atıfta bulundu. Şaşırtıcı bir şekilde Thomson, Joule'ye makalesi kopyasını göndermedi; ancak Joule sonunda onu okuduğunda, 6 Ekim'de Thomson'a yazdı ve çalışmalarının ısının işe dönüştürülmesini gösterdiğini ama daha fazla deney planlıyor olduğunu iddia etti. Thomson, 27 Ekim'de yanıt verdi; kendi deneyleri planladığını ve iki görüşlerinin uzlaştırılması için umut gösterdiğini ortaya koydü.
Thomson, Carnot'nun orijinal yayınını incelemeye döndü ve analizi Ocak 1849'da Edinburgh Kraliyet Cemiyeti'ne sundu; halen teorinin temel olarak sağlam olduğuna ikna olmuştu. Ancak, Thomson hiçbir yeni deney yapmasa da, sonraki iki yıl içinde Carnot'nun teorisinden gittikçe daha hoşnut olmayan ve Joule'nin görüşlerine ikna oldu. Şubat 1851'de yeni düşüncesini açıklamak için oturdu. Teorisini nasıl çerçeveleyeceği konusunda belirsizdi ve makale, Carnot ve Joule'yi uzlaştırma girişimine başlamadan önce birkaç taslak geçti. Yeniden yazarken, daha sonra termodinamiğin ikinci yasasını doğuracak fikirler değerlendirmiş görünüyor. Carnot'nun teorisinde, kayıp ısı kesinlikle kaybolmuş iken Thomson, bunun "insana geri dönüşümsüz bir şekilde kaybolmuş; ancak maddi dünyada kaybolmamış" olduğunu savundu. Ayrıca, teolojik inançları, evrenin ısı ölümü hakkında spekülasyon yapmaya yol açtı.
Maddi dünyada hareketlerin dağılmaya eğilimli olduğuna ve bütün olarak konsantrasyonun tersinin kademeli olarak ilerlemekte olduğuna inanıyorum — Güneş'ten yayılan ısıyı geri getirebilecek hiçbir fiziksel eylemin olamayacağına inanıyorum ve bu kaynağın sonsuz olmadığına; ayrıca Dünya ve diğer gezegenlerin hareketleri, ısıya dönüştürülen vis viva'yı kaybediyor ve bazı vis viva Güneş'ten alınan ısı tarafından örneğin Dünya'ya veya diğer yollarla geri yüklense de, kayıp tam olarak telafi edilemez ve bunun yetersiz telafi edildiğini sanıyorum.
Telafi bir yaratıcı hareket veya buna benzer güce sahip bir hareket gerektirecektir.
Son yayınında, Thomson radikal bir ayrılıştan geri çekildi ve "bütün ısının motiv gücü teorisi kurulan ... iki ... önerme, sırasıyla Joule'ye ve Carnot ile Clausius'a aittir" dedi. Thomson daha sonra ikinci yasanın bir biçimini belirtti:
Cansız materyal ajanı aracılığıyla, mekanik etkiyi türetmek imkânsızdır
