第一代开尔文男爵威廉·汤姆森

William Thomson, 1st Baron Kelvin

生卒: 1825 年 6 月 26 日—1907 年 12 月 17 日
出生地: 贝尔法斯特
去世地: 拉格斯
国籍 / 所属: 大不列颠及爱尔兰联合王国
身份: 天文学家、作家、工程师、政治人物、物理学家、数学家、化学家、大学教师
职位: 格拉斯哥大学校监、英国上议院议员、英国枢密院委员、President of the Royal Society、President of the Royal Society of Edinburgh
父亲: 詹姆斯·汤姆森 (数学家)
母亲: Margaret Gardiner
配偶: Margaret Crum、Frances Anna Blandy
代表作: 电流天平、开尔文探针力显微镜、Kelvin–Varley divider、开尔文-沃伊特材料、自动控制传感器、Lunar
原文名: William Thomson
宗教: 基督教
就读: 剑桥大学、格拉斯哥大学、剑桥大学彼得学院、皇家贝尔法斯特学术学院
任职机构: 格拉斯哥大学、剑桥大学彼得学院
所属组织: 俄罗斯科学院、爱丁堡皇家学会、英国皇家学会、瑞典皇家科学院、荷兰皇家学会、匈牙利科学院等 17 项
领域: 物理学、热力学、力学
简述: 英国科学家（1824年—1907年）

第一代开尔文男爵威廉·汤姆森（William Thomson, 1st Baron Kelvin，1824年6月26日—1907年12月17日），即开尔文勋爵（Lord Kelvin），在北爱尔兰出生的英国数学物理学家、工程师，也是热力学温标（绝对温标）的发明人，被称为热力学之父。他在格拉斯哥大学时与休·布来克本进行了密切的合作，研究了电学的数学分析、将第一和第二热力学定律公式化，和把各门新兴物理学科统一成现代形式。他因认识到了温度的下限（即绝对零度）而广为人知。

他因对电报机所作出的贡献而出名，并获得财富和荣誉。他先因在横跨大西洋的电报工程中所作出的贡献，于1866年获得爵士头衔。到1892年，由于他在热力学方面的工作，以及反对爱尔兰自治的作为，他被封为拉格斯的开尔文男爵（Baron Kelvin, of Largs in the County of Ayr），所以他通常被称为开尔文男爵，这个头衔来自于流经他在苏格兰格拉斯哥大学实验室的开尔文河。受爵后，他因而成为首位进入英国上议院的科学家。

他的住宅是位于克莱德湾拉格斯的Netherhall，这是一座雄伟的红色砂岩大厦。

为表彰和纪念他对热力学所作出的贡献，人们将热力学温标的单位定为开尔文。

详细介绍

生平

家庭

威廉·汤姆森的父亲詹姆斯·汤姆森，是皇家贝尔法斯特学术学院的一名数学和工程学教师，是一个农民的儿子。1817年，詹姆斯·汤姆森和玛格丽特·加德纳（Margaret Gardner）结婚，所生子女中共有6人存活，依次是两个姐姐和四个兄弟；长子詹姆斯（重名）出生于1822年，次子威廉出生于1824年。1830年，母亲玛格丽特·汤姆逊去世，当时威廉才六岁。

幼年时，威廉和他的哥哥詹姆斯由父亲在家辅导，而更年幼的弟弟们由姐姐们辅导。作为长子，哥哥詹姆斯接受着父亲的主要关注和资助，并为踏上工程师之事业做准备。

1832年，父亲被任命为格拉斯哥大学数学系教授，并在1833年10月举家搬迁到那里。比起父亲的农村成长背景，孩子们可谓是见多识广，四海为家：他们在伦敦度过了1839年中，男孩们还在巴黎接受了法语辅导；1840年中又在德国和荷兰度过，语言学习被高度重视。

青年

汤姆森9岁时，心脏有问题，险些丧命。他先是入读了英国皇家贝尔法斯特学术学院，随后在1834年10岁时，开始在格拉斯哥大学学习；大学对于学有余力的小学生提供了许多小学阶段的便利设施，10岁是一个典型的入学年龄，并不算是早熟。

在校期间，除了他与生俱来的对科学的兴趣，汤姆森对古典学的兴趣也很浓厚。在12岁时，他将萨莫萨塔的琉善的《Dialogues of the Gods》从拉丁语翻译为英语，并且得了奖。

在1839~40学年，汤姆逊写了一篇散文《Essay on the figure of the Earth》，获得了天文学课的一等奖，展现出数学分析的资质和创造性。终其一生，在个人压力大时，他便转而研究在此文中提出的问题，作为应对策略。在这篇散文的标题页，汤姆森从亚历山大·蒲柏的《An Essay on Man》摘抄了下面的诗句。这些诗句启发汤姆森用科学的力量和方法来理解自然世界：

去，奇妙的生物！向着科学引领之处攀登；

去测量大地，称重空气，并注明潮汐；

给运行的行星指明轨道，

更正老旧的时间，调节太阳的光芒；

汤姆逊开始对傅立叶的《Théorie analytique de la chaleur》着迷，并开始致力于研究被仍然在艾萨克·牛顿阴影之下发展的英国传统所抵制的“大陆”数学。不出所料，傅立叶的理论已经被国内的数学家攻击；菲利普·凯兰还专门著述了一本书进行批判。……

剑桥

威廉的父亲给他最喜欢的儿子的教育十分慷慨地提供资源；在1841年将他安顿在剑桥大学的彼得学院，并提供了大量的书信介绍和充足的食宿资金。……

跨大西洋电报电缆

数据速率的计算

虽然在学术领域已经是名声显赫，汤姆森尚未被广大公众所知。1852年9月，他娶了沃尔特·克拉姆的女儿，青梅竹马的玛格丽特·克拉姆，但在他们度蜜月时她的身体垮了，并在接下来的17年里，汤姆森一直在分心担忧她的病疾。1854年10月16日，乔治·加布里埃尔·斯托克斯写信给汤姆森试图让他重新对工作提起兴趣，问他对拟议跨大西洋电报电缆之事和迈克尔·法拉第的一些相关实验的看法。

法拉第曾演示了电缆的建造方式将限制消息发送的速度（也即现代所说的传输速率之“带宽”）。汤姆森抓住了这个问题，并且在当月发表了他的回应，不仅预测了可以实现的数据传输速率，而且还评估了跨大西洋计划的潜在收益和经济效益。在1855年进一步的分析中汤姆森强调，电缆的设计将对其收益性有很大影响。

汤姆森认为，信号通过缆线的速度与芯部的长度的平方成反比。该结果在1856年英国协会会议上被大西洋电报公司的电气工程师怀尔德曼·怀特豪斯驳斥。怀特豪斯可能曲解了他自己的实验结果，但无疑是感到财政上的压力，因为电缆计划已经有条不紊地进行。他认为，汤姆森的计算暗示电缆必须“被抛弃，因为实用上和商业上都不现实”。

汤姆森在与著名杂志《Athenaeum》的通信中批判了怀特豪斯的论点，使得自己进入公众视线。汤姆森推荐一个较大的导体与绝缘的更大的横截面。不过，他认为怀特豪斯不是傻瓜，并觉得他可能有足够的实践技能，实现现有的设计。然而，汤姆森的研究已经吸引了项目的承担者的眼球；在1856年12月，他当选为大西洋电报公司的董事会成员。

从科学家到工程师

汤姆森成为了团队的科学顾问，怀特豪斯担任首席电工，查尔斯·蒂尔斯顿·布莱特爵士担任首席工程师。但怀特豪斯在设计规格上有他的想法，法拉第和莫尔斯也支持他。

1857年8月，汤姆森登上了电缆敷设船阿伽门农号，开始航行，怀特豪斯则因病留在岸上，但航行380英里（610 km）后电缆不幸断开了。对此，汤姆森在《Engineer》发表了铺设海底电缆所涉及到的应力的完整理论，并表明，当缆线以恒定的速度离开船体，进入到深度均匀的水中时，它会保持倾斜的直线的形状下沉，该直线从入水点延伸到触及底部的点。

汤姆森开发了一个完整操作海底电报的系统，能够每3.5秒发送一个字母。1858年，他给他的系统中的关键部分，也即反射镜检流计（镜式检流计）和虹吸记录器，申请了专利。

灾难和胜利

汤姆森担忧的事情终于发生了：怀特豪斯的设备被证明不够敏感，必须由汤姆森的反射镜检流计所取代。……

其他贡献和琐事

汤姆森和泰特：《自然哲学论文》

1855至1867年间，汤姆逊与彼得·格思里·泰特合作写了一本教科书，首次将力学研究基于运动学（对质点/刚体运动的描述，不考虑力和质量的作用）的数学之上。该书在各种领域对动力学展开讨论，但一直都以能量作为统一普适的衡量标准。

第二版于1879年发行，扩展为两个分开的卷目。该书为早期的数学物理教学设定了一个标准。

开尔文的原子涡理论

1870至1890年间，有一种理论在英国的物理学界和数学界非常流行，声称原子即是在以太中的漩涡；前后有25位科学家，撰写了大约60篇科学论文。在汤姆森和泰特的领导下，学界发展了称作纽结理论的拓扑学分支。开尔文对这个复杂的研究的倡导，持续启发了新的数学，使得这个课题在科学史上一直得以进行。

海洋

汤姆森是一位热心的帆船运动员；他对所有有关海的事情的兴趣或许是产生于他在阿伽门农号和大东方号上的经历。

汤姆森引入了一种深海探测方法，用钢琴丝代替普通的手线。这种线滑到底部是如此容易，以至于船舶全速度航行的“飞行测深”成为可能。汤姆森还添加了记录测深锤深度的压力计。

大约同一时间他复兴了萨姆纳的寻找海上船舶的方法，并计算得出的一组表，可以直接对照使用。他还研发了一种预测潮汐的机器。

在1880年代，汤姆森致力于完善可调节指南针，以便纠正由于船舶制造中大量使用铁而产生的磁偏差。汤姆森的设计是对原有仪器的一个很大的改进，更加稳定，更少受摩擦力影响，船舶自身磁场导致的偏差被罗经座中可移动调节的铁块所纠正抵消。汤姆森的创新涉及了很多在乔治·比德尔·艾里和其他人已经建立的理论原理之基础上的细节工作，但并没有贡献太多新颖的物理思考。汤姆森有力的游说和人脉关系，成功地使海军部接受了他的仪器。

撰写汤姆森传记的作者，如果对他的指南针的创新稍有了解，一般都会把这件事情当成一个遗憾的传奇，愚钝的海军领导层拒绝一个顶尖科学头脑的奇思妙想。另一方面，同情海军的作者则把汤姆森描绘成一个毫无疑问的具有天才和热情的人，有一些真正的海洋知识，但设法将一小撮罗盘设计的平庸的想法变成了有利于他自己的生产制造的商业垄断，在法庭上利用自己的声誉作为威胁，击溃别人的每一点哪怕小小的独创性声明，说服海军部和法律部门忽视自己的设计缺陷和竞争对手的优点。

而事实真相则是处于在两个极端之间。

电气标准

汤姆森在引入用于测量电力的准确方法和装置方面，比他同时期的任何其他电学家做得都多。早在1845年他就指出，威廉·斯诺·哈里斯的实验结果是符合的库伦定律的。……

晚年和逝世

在1860-1861年的冬天，汤姆森在在冰上滑倒，他的腿骨折了，导致他自此一直都跛行。直到去世，他在大西洋两岸都保持着相当的声誉。

在公布于1902年6月26日（爱德华七世原定的加冕日）的1902年加冕礼的荣誉名单中，开尔文勋爵被任命为枢密院顾问和新的功绩勋章（OM）的第一批受勋者。他于1902年8月8日收到了国王颁发的勋章，并于1902年8月11日在白金汉宫宣誓就职为枢密院顾问。

在1907年11月，他得了一场感冒，随后他的健康状况恶化，直到他于12月17日在苏格兰的住所（拉格斯的Netherhall）去世。

多年来，开尔文勋爵是拉格斯的圣高隆教区教堂（苏格兰教会）的一个长老。1907年12月17日他在拉格斯辞世后，他的遗体就是被带到这个教堂。在殡葬仪式后，遗体被带到他心爱的格拉斯哥大学的布特厅，以缅怀他的贡献，然后，遗体被带到伦敦，安葬在威斯敏斯特教堂，艾萨克·牛顿爵士的最后安息之地附近。西尔瓦努斯·汤普森的开尔文传记没有提到他在圣高隆教堂是长老的事实，或殡葬仪式是在该教堂举行，而是“只要他在拉格斯，他都会参加那里的[苏格兰]自由教堂的主事，其妻子的姐/妹夫查尔斯·沃特森是牧师。”

威廉的墓碑位于格拉斯哥大墓地的汤姆森家族的区域。家族墓碑旁是一个现代的纪念碑，由格拉斯哥皇家哲学学会竖立。

身后影响和遗产

经典物理学的局限

1884年，汤姆森在约翰·霍普金斯大学做了一系列特别讲座，“光的分子动力学和波动理论”。开尔文指出，声波方程将声音描述为空气的压力波，因此他试图在电磁波方程式中寻找相似性，假定以太也容易受到振动的影响。研究小组包括迈克耳孙和莫雷，二人后来进行了迈克耳孙-莫雷实验，削弱了以太理论。汤姆没有提供课本，但亚瑟·斯塔福德·海瑟薇记了笔记，并做了油印。由于这个课题正在积极发展，汤姆森修订了课本，并于1904年将其排版和出版。汤姆森的提供力学模型的努力，最终在电磁学范畴还是失败了。

1900年4月27日，他给英国皇家研究院做了一个广为人知的演讲，题为《覆盖热量和光线的动力学理论的十九世纪的乌云》（Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light）。他所说的“乌云”是指：物质如何穿过以太而运动（例如迈克耳孙-莫雷实验令人费解的结果）的难题；以及统计力学中的能量均分原理可能会被打破的担忧。而在二十世纪，针对这两个问题，产生了两个主要的物理理论：针对前者产生了相对论；针对后者产生了量子力学。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表了所谓的"奇迹年论文"，其中一篇解释了光电效应（量子力学的前奏），另一篇则描述了狭义相对论。

后来被证明是错的论断

和许多科学家一样，汤姆森对未来技术的预测有不少错误。

他的传记作者西尔瓦努斯·汤普森写道，“在1895年年底伦琴宣布发现X-射线时，开尔文勋爵完全是持怀疑态度，并认为这是一个恶作剧。多篇文章都称赞伦琴射线的奇迹，而开尔文勋爵对此抱有强烈的怀疑态度，直到伦琴自己给他发了一份回忆录”。1896年1月17日，在读到论文和看到（X光）照片之后，他给伦琴写信说，“我都不用说当我阅读报纸我有多惊讶和高兴。我只能说，衷心祝贺你的伟大的发现。”1896年5月，他还给他自己的手做了X光检查。（参见N射线）

他对实用航空的预测（即重于空气的飞机）是否定的。1896年，他拒绝了加入航空学会的邀请，回复道：“对于热气球以外的航空，我还没有最小‘微粒’的信心，或期待我们听说的任何试验会有良好结果。”在1902年的一个报纸采访中，他预测道：“热气球和飞机将永远不会在实用层面上成功。”