Уильям Томсон, первый барон Кельвин - William Thomson, 1st Baron Kelvin

Лорд Кельвин
Lord Kelvin photograph.jpg
Президент Королевского общества
В офисе
1 декабря 1890 г. - 30 ноября 1895 г.
Предшествует Сэр Джордж Стоукс
Преемник Лорд Листер
Личная информация
Родился (1824-06-26)26 июня 1824 г.,
Белфаст , Ирландия.
Умер 17 декабря 1907 г. (1907-12-17)(83 года)
Ларгс , Эйршир , Шотландия
Национальность Британский
Политическая партия Либерал (1865–1886)
Либеральный юнионист (с 1886)
Супруг (а)
Маргарет Крам
( М.  Одна тысяча восемьсот пятьдесят-дв, умерли 1870)

Фрэнсис Бленди
( М.  1874⁠-⁠1907)
Дети Никто
Резиденция Белфаст ; Глазго ; Кембридж ; Лондон
Подпись
Альма-матер
Известен
Награды
Научная карьера
Учреждения Университет Глазго
Академические консультанты Уильям Хопкинс
Известные студенты Уильям Эдвард Айртон
Влияния
Под влиянием Эндрю Грей
Считается, что «PNP» в его подписи означает «профессор естественной философии». Обратите внимание, что Кельвин также писал под псевдонимом «PQR»

Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин , OM , GCVO , PC , PRS , FRSE (26 июня 1824-17 декабря 1907), был британским математиком , математическим физиком и инженером, родившимся в Белфасте . Профессор естественной философии в Университете Глазго в течение 53 лет, он проделал важную работу по математическому анализу электричества и формулировке первого и второго законов термодинамики , а также много сделал для объединения возникающей дисциплины физики в ее современной форме. Он получил Королевское общество «s медаль Копли в 1883 году, был его президентом 1890-1895, а в 1892 году был первым британским ученым будут возведены в Палату лордов .

В его честь указаны абсолютные температуры в единицах кельвина . Хотя о существовании нижнего предела температуры ( абсолютного нуля ) было известно до его работы, Кельвин известен тем, что определил его правильное значение примерно как -273,15 градусов Цельсия или -459,67 градусов по Фаренгейту . Эффект Джоуля – Томсона также назван в его честь.

В своей работе он тесно сотрудничал с профессором математики Хью Блэкберном . Он также сделал карьеру инженера- электротелеграфа и изобретателя, что привлекло к нему внимание общественности и обеспечило ему богатство, славу и честь. За свою работу над проектом трансатлантического телеграфа в 1866 году королевой Викторией он был посвящен в рыцари , став сэром Уильямом Томсоном. Он имел обширные морские интересы и был наиболее известен своей работой над морским компасом , который ранее имел ограниченную надежность.

В 1892 году он был удостоен награды в знак признания его достижений в термодинамике и его противодействия ирландскому самоуправлению , став бароном Кельвином из Ларгса в графстве Эр . Название относится к реке Кельвину , которая протекает рядом с его лабораторией в Университете Глазго Gilmorehill дома в Hillhead . Несмотря на предложения о повышенных должностях из нескольких всемирно известных университетов, Кельвин отказался покинуть Глазго, оставаясь до своего окончательного ухода с этой должности в 1899 году. Активно занимался промышленными исследованиями и разработками, он был принят на работу около 1899 года Джорджем Истманом на должность заместителя председателя. из совета директоров британской компании Kodak Limited, аффилированной с Eastman Kodak . В 1904 году он стал ректором Университета Глазго .

Его домом был особняк Нетерхолл из красного песчаника в Ларгсе, который он построил в 1870-х годах и где он умер. В Хантерианском музее Университета Глазго есть постоянная выставка работ Кельвина, включая многие его оригинальные документы, инструменты и другие артефакты, такие как его курительная трубка.

Ранняя жизнь и работа

Семья

Генеалогическое древо Томсонов: Джеймс Томсон (математик) , Джеймс Томсон (инженер) и Уильям Томсон были профессорами Университета Глазго ; два последних, благодаря сотрудничеству с Уильямом Рэнкином , еще одним профессором из Глазго, сформировали одну из основополагающих школ термодинамики .

Отец Уильяма Томсона, Джеймс Томсон , был учителем математики и инженерии в Королевском академическом институте Белфаста и был сыном фермера. Джеймс Томсон женился на Маргарет Гарднер в 1817 году, и из их детей четыре мальчика и две девочки пережили младенчество. Маргарет Томсон умерла в 1830 году, когда Уильяму было шесть лет.

Уильяма и его старшего брата Джеймса наставляли дома их отец, а младших мальчиков - старшие сестры. Джеймс должен был получить большую часть поддержки, любви и финансовой поддержки своего отца и был готов к карьере инженера.

В 1832 году его отец был назначен профессором математики в Глазго, и семья переехала туда в октябре 1833 года. Дети Томсона познакомились с более широким космополитическим опытом, чем сельское воспитание их отца, проведя середину 1839 года в Лондоне, а мальчики обучались французскому языку. в Париже. Большая часть жизни Томсона в середине 1840-х годов прошла в Германии и Нидерландах . Изучение языков было уделено первоочередное внимание.

Его сестра, Анна Томсон, была матерью Джеймса Томсона Боттомли FRSE (1845–1926).

Молодость

У Томсона были проблемы с сердцем, и он чуть не умер, когда ему было 9 лет. Он учился в Королевском академическом институте Белфаста , где его отец был профессором университетского факультета, прежде чем начать обучение в университете Глазго в 1834 году в возрасте 10 лет, не по причине раннего детства; Университет предоставил много возможностей начальной школы для способных учеников, и это был типичный начальный возраст.

В школе Томсон проявлял живой интерес к классике наряду с естественным интересом к наукам. В возрасте 12 лет он получил приз за перевод Lucian Самосатского «s Диалоги Богов от латинского на английский язык.

В 1839/1840 учебном году Томсон получил приз класса по астрономии за свой « Очерк о фигуре Земли», который показал раннюю способность к математическому анализу и творчеству. Его учителем физики в то время был его тезка Дэвид Томсон .

На протяжении всей своей жизни он работал над проблемами, поднятыми в эссе, как стратегию выживания в периоды личного стресса . На титульном листе этого эссе Томсон написал следующие строки из « Эссе Александра Поупа о человеке» . Эти строки вдохновили Томсона на то, чтобы понять мир природы, используя силу и методы науки:

Вперед, чудное создание! гора, куда направляет наука;
Измерьте землю, взвесьте воздух и назовите приливы и отливы;
Укажите планетам, в каких сферах бежать,

Исправьте старое время и отрегулируйте солнце;

Томсона заинтриговала « Аналитическая теория де ля шалер» Фурье, и он посвятил себя изучению «континентальной» математики, против которой сопротивлялся британский истеблишмент, все еще работающий в тени сэра Исаака Ньютона . Неудивительно, что работа Фурье подверглась критике со стороны отечественных математиков - Филиппа Келланда, написавшего критическую книгу. Книга побудила Томсона написать свою первую опубликованную научную статью под псевдонимом PQR , защищающую Фурье, и отправила его отцом в Кембриджский математический журнал . Почти сразу же последовал второй документ PQR.

Во время отпуска со своей семьей в Ламлаше в 1841 году он написал третью, более содержательную статью PQR « О равномерном движении тепла в однородных твердых телах и его связи с математической теорией электричества» . В своей статье он провел замечательную связь между математическими теориями теплопроводности и электростатикой , аналогию, которую Джеймс Клерк Максвелл в конечном итоге назвал одной из самых ценных идей, формирующих науку.

Уильям Томсон, 22 года.
Меандр от реки Кельвин , содержащей неоготическом кампус Gilmorehill из Университета Глазго , разработанные Джордж Гилберт Скотт , к которому университет переехал в 1870 - е годы (фотография 1890 - х годов)

Кембридж

Отец Уильяма смог щедро оплатить образование своего любимого сына и в 1841 году поселил его с обширными рекомендательными письмами и просторными помещениями в Петерхаусе, Кембридж . Во время учебы в Кембридже Томсон активно занимался спортом, атлетикой и парной греблей , выиграв в 1843 году соревнования Colquhoun Sculls. Он также проявлял живой интерес к классике, музыке и литературе; но настоящей любовью его интеллектуальной жизни было стремление к науке. Изучение математики , физики и, в частности, электричества захватило его воображение. В 1845 году Томсон получил высшее образование как Второй Спорщик . Он также получил Первую премию Смита , которая, в отличие от трипоса , является проверкой оригинального исследования. Говорят, что Роберт Лесли Эллис , один из экзаменаторов, заявил другому экзаменатору: «Мы с вами почти готовы починить его ручки».

В 1845 году он дал первое математическое развитие идеи Майкла Фарадея о том, что электрическая индукция происходит через промежуточную среду или «диэлектрик», а не за счет какого-то непонятного «действия на расстоянии». Он также разработал математическую технику электрических изображений, которая стала мощным средством в решении задач электростатики, науки, которая имеет дело с силами между электрически заряженными телами в состоянии покоя. Частично в ответ на его поддержку Фарадей в сентябре 1845 года предпринял исследование, которое привело к открытию эффекта Фарадея , который установил связь между световыми и магнитными (и, следовательно, электрическими) явлениями.

В июне 1845 года он был избран членом церкви Св. Петра (так в то время часто называли Петерхауса). Получив стипендию, он провел некоторое время в лаборатории знаменитого Анри Виктора Рено в Париже; но в 1846 году он был назначен на кафедру естественной философии в университете Глазго . В двадцать два года он оказался в мантии профессора одного из старейших университетов страны и читал лекции в классе, в котором он был студентом первого курса несколько лет назад.

Термодинамика

К 1847 году Томсон уже заработал репутацию не по годам развитого и нестандартного ученого, когда он посетил ежегодное собрание Британской ассоциации содействия развитию науки в Оксфорде . На этой встрече он услышал, как Джеймс Прескотт Джоуль делает еще одну свою пока что неэффективную попытку дискредитировать калорийную теорию тепла и теорию теплового двигателя, построенную на ней Сади Карно и Эмилем Клапейроном . Джоуль выступал за взаимную конвертируемость тепла и механической работы и за их механическую эквивалентность.

Томсон был заинтригован, но настроен скептически. Хотя он чувствовал, что результаты Джоуля требуют теоретического объяснения, он отступил к еще более глубокой приверженности школе Карно-Клапейрона. Он предсказал, что точка плавления льда должна падать с давлением , иначе его расширение при замерзании можно было бы использовать в вечном двигателе . Экспериментальное подтверждение в его лаборатории во многом укрепило его убеждения.

В 1848 году он расширил теорию Карно-Клапейрона, будучи недовольным тем, что газовый термометр обеспечивает только рабочее определение температуры. Он предложил шкалу абсолютных температур, в которой единица тепла, спускающаяся от тела A с температурой T ° этой шкалы к телу B с температурой ( T −1) °, будет давать такой же механический эффект [работа] , какова бы ни число Т . Такая шкала будет совершенно независимой от физических свойств какого-либо конкретного вещества. Используя такой «водопад», Томсон постулировал, что будет достигнута точка, в которой больше не может передаваться тепло (калорийность), точка абсолютного нуля, о которой Гийом Амонтон размышлял в 1702 году. «Размышления о движущей силе тепла». ", опубликованная Карно на французском языке в 1824 году, в год рождения лорда Кельвина, использовала −267 в качестве оценки абсолютного нуля температуры. Томсон использовал данные, опубликованные Рено, для калибровки своей шкалы по установленным измерениям.

В своей публикации Томсон писал:

... Превращение тепла (или калорий ) в механический эффект, вероятно, невозможно, уж точно не обнаружено

- Но сноска сигнализировала о его первых сомнениях в теории калорийности, относящихся к очень замечательным открытиям Джоуля . Удивительно, но Томсон не отправил Джоулю копию своей статьи, но когда Джоуль в конце концов прочитал ее, он написал Томсону 6 октября, заявив, что его исследования продемонстрировали преобразование тепла в работу, но что он планирует дальнейшие эксперименты. Томсон ответил 27 октября, сказав, что он планирует свои собственные эксперименты и надеется на примирение их двух взглядов.

Томсон вернулся к критике оригинальной публикации Карно и прочитал его анализ Королевскому обществу Эдинбурга в январе 1849 года, все еще будучи убежденным, что теория в основе своей верна. Однако, хотя Томсон не проводил новых экспериментов, в течение следующих двух лет он становился все более неудовлетворенным теорией Карно и убеждался в теории Джоуля. В феврале 1851 года он сел, чтобы сформулировать свое новое мышление. Он не знал, как сформулировать свою теорию, и статья прошла через несколько проектов, прежде чем он остановился на попытке примирить Карно и Джоуля. Во время своего переписывания он, кажется, рассматривал идеи, которые впоследствии привели к появлению второго закона термодинамики . Согласно теории Карно, потерянное тепло было полностью потеряно, но Томсон утверждал, что оно « потеряно для человека безвозвратно; но не потеряно в материальном мире». Более того, его богословские убеждения привели к предположениям о тепловой смерти Вселенной .

Я считаю, что в материальном мире существует тенденция к рассеиванию движения, и что в целом постепенно происходит обратное сосредоточение - я считаю, что никакое физическое действие никогда не сможет восстановить тепло, излучаемое Солнцем, и что этот источник не неиссякаемый; также что движения Земли и других планет теряют vis viva, которая превращается в тепло; и что хотя некоторая часть vis viva может быть восстановлена, например, на Земле за счет тепла, полученного от Солнца, или другими средствами, эта потеря не может быть точно компенсирована, и я думаю, что она, вероятно, недостаточно компенсирована.

Для компенсации потребуется творческий акт или действие, обладающее аналогичной силой .

В окончательной публикации Томсон отказался от радикального отклонения и заявил, что «вся теория движущей силы тепла основана на ... двух ... положениях, принадлежащих соответственно Джоуля, Карно и Клаузиусу». Томсон сформулировал форму второго закона:

Невозможно с помощью неодушевленных материалов вызвать механический эффект от какой-либо части материи, охладив ее ниже температуры самого холодного из окружающих объектов.

В этой статье Томсон поддержал теорию о том, что тепло является формой движения, но признал, что на него повлияли только мысли сэра Хамфри Дэви и эксперименты Джоуля и Юлиуса Роберта фон Майеров , поддерживая эту экспериментальную демонстрацию преобразования тепла. в работу все еще оставалось невыполненным.

Как только Джоуль прочитал статью, он написал Томсону свои комментарии и вопросы. Так началось плодотворное, хотя и во многом эпистолярное, сотрудничество между двумя мужчинами: Джоуль проводил эксперименты, Томсон анализировал результаты и предлагал дальнейшие эксперименты. Сотрудничество длилось с 1852 по 1856 год, его открытия включали эффект Джоуля-Томсона , иногда называемый эффектом Кельвина-Джоуля, а опубликованные результаты во многом способствовали всеобщему признанию работы Джоуля и кинетической теории .

Томсон опубликовал более 650 научных работ и подал заявку на получение 70 патентов (не все были выданы). Что касается науки, Томсон написал следующее:

В физической науке первым важным шагом в направлении изучения любого предмета является поиск принципов численного счета и практических методов измерения некоторого качества, связанного с этим. Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это числами, вы кое-что об этом знаете; но когда вы не можете измерить это, когда вы не можете выразить это в числах, ваши знания скудны и неудовлетворительны: это может быть начало знания, но вы вряд ли в своих мыслях продвинулись до уровня науки , что бы то ни было. дело может быть.

Трансатлантический кабель

Расчеты по скорости передачи данных

Хотя сейчас Томсон был выдающимся ученым, он оставался малоизвестным для широкой публики. В сентябре 1852 года он женился на возлюбленной детства Маргарет Крам, дочери Уолтера Крам ; но ее здоровье пошатнулось во время их медового месяца, и следующие семнадцать лет Томсон отвлекался на ее страдания. 16 октября 1854 года Джордж Габриэль Стоукс написал Томсону, чтобы попытаться вновь заинтересовать его работой, спрашивая его мнение о некоторых экспериментах Майкла Фарадея с предлагаемым трансатлантическим телеграфным кабелем .

Фарадей продемонстрировал, как строительство кабеля ограничивает скорость отправки сообщений - говоря современным языком, полосу пропускания . Томсон ухватился за проблему и в том же месяце опубликовал свой ответ. Он выразил свои результаты с точки зрения достижимой скорости передачи данных и экономических последствий с точки зрения потенциального дохода от трансатлантического предприятия. В дальнейшем анализе 1855 года Томсон подчеркнул влияние конструкции кабеля на его прибыльность .

Томсон утверждал, что скорость передачи сигналов по данному кабелю обратно пропорциональна квадрату длины кабеля. Результаты Томсона были оспорены на заседании Британской ассоциации в 1856 году по Wildman Уайтхаус , в электрике в Атлантической телеграфной компании . Уайтхаус, возможно, неверно истолковал результаты своих экспериментов, но, несомненно, чувствовал финансовое давление, поскольку планы по прокладке кабеля уже были в стадии реализации. Он считал, что расчеты Томсона подразумевают, что кабель должен быть «оставлен как практически и коммерчески невозможный».

Томсон подверг критике утверждение Уайтхауса в письме в популярный журнал Athenaeum , выставив себя на всеобщее обозрение. Томсон рекомендуется большим проводник с большим поперечным сечением в изоляции . Он считал Уайтхаус дураком и подозревал, что у него есть практические навыки, чтобы заставить существующий дизайн работать. Работа Томсона привлекла внимание похоронных бюро проекта. В декабре 1856 года он был избран в совет директоров Атлантической телеграфной компании.

Ученый инженеру

Томсон стал научным консультантом группы, в которой Уайтхаус был главным электриком, а сэр Чарльз Тилстон Брайт - главным инженером, но Уайтхаус добился своего со спецификацией при поддержке Фарадея и Сэмюэля Ф. Б. Морса .

Телеграфный сифонный самописец Уильяма Томсона на выставке в Телеграфном музее Порткурно в январе 2019 года.

Томсон плыл на борту кабелеукладчика HMS  Agamemnon в августе 1857 года, когда Уайтхаус был ограничен сушей из-за болезни, но путешествие закончилось через 380 миль (610 км), когда кабель разорвался. Томсон внес свой вклад в эту работу, опубликовав в « Инженере» всю теорию напряжений, возникающих при прокладке подводного кабеля , и показал, что, когда линия выходит за пределы корабля с постоянной скоростью и на одинаковой глубине воды, он опускается под наклоном или по прямой от точки входа в воду до точки соприкосновения со дном.

Томсон разработал полную систему управления подводным телеграфом, которая могла отправлять символы каждые 3,5 секунды. В 1858 году он запатентовал ключевые элементы своей системы, зеркальный гальванометр и сифонный самописец .

Уайтхаус все еще чувствовал себя способным игнорировать многие предложения и предложения Томсона. Только когда Томсон убедил плату в том, что использование более чистой меди для замены потерянного участка кабеля улучшит пропускную способность данных, он впервые повлиял на выполнение проекта.

Правление настояло на том, чтобы Томсон присоединился к экспедиции по прокладке кабеля 1858 года без какой-либо финансовой компенсации и принял активное участие в проекте. В свою очередь, Томсон вместе с оборудованием Уайтхауса провел испытание своего зеркального гальванометра, к которому совет директоров не проявлял особого энтузиазма. Томсон счел предоставленный ему доступ неудовлетворительным, и « Агамемнон» был вынужден вернуться домой после катастрофического шторма в июне 1858 года. В Лондоне правление собиралось отказаться от проекта и уменьшить свои убытки, продав кабель. Томсон, Сайрус Вест Филд и Кертис М. Лэмпсон выступили за еще одну попытку и победили, Томсон настаивал на том, что технические проблемы можно разрешить. Несмотря на то, что Томсон работал в качестве консультанта, во время плаваний он развил настоящие инженерные инстинкты и навыки практического решения проблем под давлением, часто руководя действиями в чрезвычайных ситуациях и не боясь помогать в ручной работе. Кабель был завершен 5 августа.

Катастрофа и торжество

Опасения Томсона оправдались, когда аппарат Уайтхауса оказался недостаточно чувствительным, и его пришлось заменить зеркальным гальванометром Томсона. Уайтхаус продолжал утверждать, что именно его оборудование предоставляет услуги, и начал принимать отчаянные меры для решения некоторых проблем. Ему удалось смертельно повредить кабель, применяя 2000  V . Когда кабель полностью вышел из строя, Уайтхаус был уволен, хотя Томсон возражал, и совет директоров объявил ему выговор за свое вмешательство. Впоследствии Томсон сожалел, что он слишком охотно согласился со многими предложениями Уайтхауса, и не бросил ему вызов с достаточной энергией.

Совместная комиссия по расследованию была создана Советом по торговле и Atlantic Telegraph Company. Было установлено, что большая часть вины за отказ кабеля лежит на Уайтхаусе. Комитет обнаружил, что, хотя подводные кабели были печально известны своей ненадежностью , большинство проблем возникло по известным причинам, которых можно было избежать. Томсон был назначен одним из пяти членов комитета, который рекомендовал спецификацию для нового кабеля. Комитет отчитался в октябре 1863 года.

В июле 1865 года Томсон отправился в экспедицию по прокладке кабеля « СС  Грейт Истерн», но путешествие было пресечено техническими проблемами. Кабель был утерян после того, как было проложено 1 900 миль (1 900 км), и проект был заброшен. Следующая попытка в 1866 году проложила новый кабель за две недели, а затем восстановила и завершила кабель 1865 года. Теперь публика приветствовала это предприятие как триумф, и Томсон пользовался большой долей лести. Томсон, наряду с другими руководителями проекта, был посвящен в рыцари 10 ноября 1866 года.

Чтобы использовать свои изобретения для передачи сигналов по длинным подводным кабелям, Томсон вступил в партнерство с К.Ф. Варли и Флимингом Дженкином . Вместе с последним он также разработал автоматический отправитель , своего рода телеграфный ключ для отправки сообщений по кабелю.

Поздние экспедиции

Томсон принимал участие в прокладке французского подводного коммуникационного кабеля в Атлантическом океане в 1869 году, и вместе с Дженкином был инженером западного, бразильского и платино-бразильского кабеля, которому помогал студент каникул Джеймс Альфред Юинг . Он присутствовал на закладке Pará в Пернамбуку части побережья Бразилии кабелей в 1873 году.

Жена Томсона умерла 17 июня 1870 года, и он решил изменить свою жизнь. Уже пристрастился к мореплаванию, в сентябре он приобрел 126-тонную шхуну , на Лалл Rookh и использовал его в качестве базы для развлечения друзей и научных коллег. Его морские интересы продолжились в 1871 году, когда он был назначен в комиссию по расследованию гибели корабля HMS  Captain .

В июне 1873 года Томсон и Дженкин были на борту « Хупера» , направлявшегося в Лиссабон с 4 020 км кабеля, когда на нем возникла неисправность. Затем последовала незапланированная 16-дневная остановка на Мадейре, и Томсон подружился с Чарльзом Р. Бланди и его тремя дочерьми. 2 мая 1874 года он отплыл на Мадейру на Лалла Рук . Приближаясь к гавани, он подал знак резиденции Блэнди: «Ты выйдешь за меня замуж?» и Фанни ответила "Да". 24 июня 1874 года Томсон женился на Фанни, на 13 лет младше его.

Лорд Кельвин - Хуберт фон Херкомер

Прочие взносы

Томсон и Тейт: Трактат по естественной философии

За период с 1855 по 1867, Томсон сотрудничал с Питером Гатри Тэт на текст книги , который основан изучение механики первого по математике кинематики , описание движения без учета силы . Текст развивал динамику в различных областях, но с постоянным вниманием к энергии как объединяющему принципу.

Второе издание появилось в 1879 году и было дополнено двумя отдельными переплетенными частями. Учебник устанавливает стандарт раннего обучения математической физике .

Атмосферное электричество

Кельвин внес значительный вклад в атмосферное электричество в течение относительно короткого времени, в течение которого он работал над этим предметом, около 1859 года. Он разработал несколько инструментов для измерения атмосферного электрического поля, используя некоторые из электрометров, которые он первоначально разработал для работы с телеграфом, которые он испытал. в Глазго и во время отпуска на Арране. Его измерения на Арране были достаточно точными и хорошо откалиброванными, чтобы их можно было использовать для определения загрязнения воздуха в районе Глазго через его влияние на атмосферное электрическое поле. Вода капельница электрометр Кельвина был использован для измерения атмосферного электрического поля в обсерватории Кью и Eskdalemuir обсерватории в течение многих лет, и никто не был до сих пор используется в оперативном в Kakioka обсерватории в Японии до начала 2021 Кельвин может невольно наблюдал атмосферные электрические эффекты , вызванные Carrington событие (значительная солнечная буря) в начале сентября 1859 г.

Вихревая теория атома Кельвина

Между 1870 и 1890 годами теория вихревого атома, которая предполагала, что атом представляет собой вихрь в эфире , была популярна среди британских физиков и математиков. Томсон был пионером теории, которая отличалась от вихревой теории Декарта семнадцатого века тем, что Томсон мыслил в терминах теории унитарного континуума, тогда как Декарт мыслил в терминах трех различных типов материи, каждый из которых относился соответственно к излучению, передаче, и отражение света. Около 60 научных работ написано примерно 25 учеными. Следуя примеру Томсона и Тейта, была разработана ветвь топологии, называемая теорией узлов . Инициатива Кельвина в этом комплексном исследовании, которое продолжает вдохновлять новую математику, привела к сохранению этой темы в истории науки .

морской

Томсон был энтузиастом-яхтсменом, его интерес ко всему, что касалось моря, возможно, возник в результате его опыта на « Агамемноне» и « Грейт-Истерн» .

Томсон представил метод глубоководного зондирования , в котором стальная струна заменяет обычную ручную струну . Проволока так легко скользит ко дну, что можно проводить «летающие зондирования», пока судно движется на полной скорости. Манометр для измерения глубины погружения грузила был добавлен Томсоном.

Примерно в то же время он возродил метод Самнера для определения местоположения корабля и рассчитал набор таблиц для его готового приложения.

В течение 1880-х годов Томсон работал над усовершенствованием регулируемого компаса для исправления ошибок, возникающих из-за магнитного отклонения из-за более широкого использования железа в военно-морской архитектуре . Конструкция Томсона была большим улучшением по сравнению с более старыми инструментами, будучи более устойчивой и менее подверженной трению. Отклонение из-за магнетизма корабля было исправлено подвижными железными массами на нактоузе . Инновации Томсона включали в себя очень детальную работу по разработке принципов, определенных Джорджем Бидделлом Эйри и другими, но мало что сделали с точки зрения нового физического мышления. Энергичное лоббирование и налаживание связей Томсона оказалось эффективным в получении одобрения его инструмента Адмиралтейством .

Компас Кельвина Маринера

Научные биографы Томсона, если они хоть сколько-нибудь обращали внимание на его компасные инновации, обычно воспринимали этот вопрос как печальную сагу о тупоумных флотских администраторах, сопротивляющихся чудесным нововведениям, исходящим от превосходного научного ума. С другой стороны, сочувствующие флоту писатели изображают Томсона человеком несомненного таланта и энтузиазма, обладающего некоторыми подлинными знаниями моря, которому удалось превратить горстку скромных идей в дизайне компаса в коммерческую монополию на собственное производство. беспокойство, используя свою репутацию дубинки в судах, чтобы опровергнуть даже небольшие претензии на оригинальность со стороны других, и убедить Адмиралтейство и закон не обращать внимания как на недостатки своего собственного дизайна, так и на достоинства его конкурентов.


Истина неизбежно, кажется, находится где-то между двумя крайностями.

Чарльз Бэббидж был одним из первых, кто предположил, что маяк может сигнализировать об отличительном числе за счет затенения его света, но Томсон указал на достоинства кода Морзе для этой цели и настаивал на том, чтобы сигналы состояли из коротких и коротких сигналов. длинные вспышки света, обозначающие точки и тире.

Электрические стандарты

Томсон сделал больше, чем любой другой электрик до своего времени, представив точные методы и устройства для измерения электричества. Еще в 1845 году он указал, что экспериментальные результаты Уильяма Сноу Харриса соответствуют законам Кулона . В мемуарах Римской академии наук за 1857 г. он опубликовал описание своего нового электрометра с разделенными кольцами , основанного на старом электроскопе Иоганна Готлиба Фридриха фон Боненбергера, и представил цепочку или серию эффективных инструментов, включая квадрантный электрометр, который покрывают всю область электростатических измерений. Он изобрел текущий баланс , также известный как баланс Кельвина или Ампер баланс ( SiC ), для точной спецификации ампера , в стандартной единицы от электрического тока . Примерно с 1880 года ему помогал инженер-электрик Магнус Маклин FRSE в его электрических экспериментах.

В 1893 году Томсон возглавил международную комиссию, которая приняла решение по проекту электростанции Ниагарского водопада . Несмотря на свою веру в превосходство передачи электроэнергии постоянным током , он поддержал систему переменного тока Westinghouse, которая была продемонстрирована на Всемирной выставке в Чикаго в том же году. Даже после Ниагарского водопада Томсон по-прежнему считал, что постоянный ток - лучшая система.

Признавая его вклад в электрическую стандартизацию, Международная электротехническая комиссия избрала Томсона своим первым президентом на своем предварительном заседании, состоявшемся в Лондоне 26–27 июня 1906 года. «По предложению президента [г-на Александра Сименса, Великобритания] было одобрено [ sic] г-ном Майлу [Институт инженеров-электриков США] Достопочтенный лорд Кельвин, GCVO , OM , был единогласно избран первым президентом Комиссии », - говорится в протоколе предварительного отчета о заседании.

Возраст Земли: геология

Кельвин в карикатурном изображении Шпиона для Vanity Fair , 1897 г.

Кельвин оценил возраст Земли . Учитывая его юношеские работы над фигурой Земли и его интерес к теплопроводности, неудивительно, что он решил исследовать охлаждение Земли и сделать исторические выводы о возрасте Земли из своих расчетов. Томсон был креационистом в широком смысле слова, но он не был « геологом потопа » (точка зрения, утратившая основную научную поддержку к 1840-м годам). Он утверждал, что законы термодинамики действовали с момента рождения Вселенной и предусматривали динамический процесс, который видел организацию и эволюцию Солнечной системы и других структур, за которыми следует постепенная «тепловая смерть». Он развил точку зрения, согласно которой Земля когда-то была слишком горячей, чтобы поддерживать жизнь, и противопоставил эту точку зрения точке зрения униформизма , что условия оставались постоянными с неопределенного прошлого. Он утверждал, что «Эта Земля, определенно умеренное количество миллионов лет назад, была раскаленным шаром…».

После публикации книги Чарльза Дарвина « О происхождении видов» в 1859 году Томсон увидел свидетельства относительно короткого пригодного для жизни возраста Земли как тенденцию противоречить постепенному объяснению Дарвина медленного естественного отбора, приводящего к биологическому разнообразию . Собственные взгляды Томсона поддерживали версию теистической эволюции, ускоренной божественным руководством. Его расчеты показали, что Солнце не могло существовать достаточно долго, чтобы допустить медленное постепенное развитие путем эволюции - если только не будет найден какой-либо источник энергии, превышающий то, о котором знал он или любой другой человек викторианской эпохи . Вскоре он был вовлечен в публичное несогласие с геологами и сторонниками Дарвина Джоном Тиндаллом и Т.Х. Хаксли . В своем ответе на обращение Хаксли к Лондонскому геологическому обществу (1868 г.) он представил свою речь «О геологической динамике» (1869 г.), в которой, среди других своих работ, оспаривается признание геологов того, что Земля должна иметь неопределенный возраст.

Первоначальная оценка Томсона 1864 года возраста Земли составляла от 20 до 400 миллионов лет. Эти широкие пределы были связаны с его неуверенностью в температуре плавления горных пород, к которой он приравнял внутреннюю температуру Земли, а также с неопределенностью теплопроводности и удельной теплоемкости горных пород. С годами он уточнил свои аргументы и уменьшил верхнюю границу в десять раз, и в 1897 году Томсон, ныне лорд Кельвин, в конечном итоге пришел к оценке, согласно которой Земле 20-40 миллионов лет. В письме, опубликованном в Scientific American Supplement 1895, Кельвин раскритиковал оценки геологов возраста горных пород и земли, включая взгляды, опубликованные Чарльзом Дарвином , как «неопределенно большой возраст».

Его исследование этой оценки можно найти в его обращении к Институту Виктории в 1897 году , сделанном по просьбе президента Института Джорджа Стоукса , как это записано в журнале этого института « Транзакции» . Хотя его бывший помощник Джон Перри опубликовал в 1895 году статью, оспаривающую предположение Кельвина о низкой теплопроводности внутри Земли и, таким образом, показав гораздо больший возраст, это не оказало немедленного воздействия. Открытие в 1903 году того факта, что радиоактивный распад выделяет тепло, привело к тому, что оценка Кельвина была подвергнута сомнению, и Эрнест Резерфорд в своей лекции 1904 года, которую посетил Кельвин, как известно, выдвинул аргумент, что это обеспечивает неизвестный источник энергии, предложенный Кельвином, но оценка не была отменена до тех пор, пока не появились новые разработки. в 1907 г. радиометрического датирования горных пород.

Было широко распространено мнение, что открытие радиоактивности опровергло оценку Томсоном возраста Земли. Сам Томсон никогда публично не признавал этого, потому что считал, что у него есть гораздо более веский аргумент, ограничивающий возраст Солнца не более чем 20 миллионами лет. Без солнечного света не могло быть объяснения записи отложений на поверхности Земли. В то время единственным известным источником солнечной энергии был гравитационный коллапс . Только тогда, когда в 1930-х годах был признан термоядерный синтез , парадокс возраста Томсона был полностью разрешен.

Кельвин в круизе по реке Клайд на пароходе « Глен Саннокс» в связи с его « юбилеем » 17 июня 1896 года в качестве профессора естественной философии в Глазго.
Лорд Кельвин и леди Кельвин в гостях у норвежцев Фритьофа Нансена и Евы Нансен в их доме в феврале 1897 года.

Позже жизнь и смерть

Могила семьи Томсонов, Некрополь Глазго

Зимой 1860–1861 годов Кельвин поскользнулся на льду во время керлинга возле своего дома в Незерхолле и сломал ногу, в результате чего он пропустил собрание Британской ассоциации содействия развитию науки в Манчестере 1861 года и после этого хромал. Он оставался знаменитостью по обе стороны Атлантики до самой своей смерти.

Томсон оставался ревностным сторонником христианства на протяжении всей своей жизни; посещение часовни было частью его распорядка дня. Он считал, что его христианская вера поддерживает его научную работу и дает ей информацию, как видно из его выступления на ежегодном собрании Христианского общества доказательств 23 мая 1889 года.

В списке почестей коронации 1902 года, опубликованном 26 июня 1902 года (первоначальный день коронации Эдуарда VII и Александры ), Кельвин был назначен тайным советником и одним из первых членов нового Ордена за заслуги (OM). Он получил приказ от короля 8 августа 1902 года и был приведен к присяге членом совета Букингемского дворца 11 августа 1902 года. В последние годы своей жизни он часто ездил в свой особняк на Итон-плейс, 15, недалеко от Итон-сквер в лондонском районе Белгравия. .

В ноябре 1907 года он простудился, и его состояние ухудшалось, пока он не умер 17 декабря в своей загородной резиденции в Шотландии, Нетерхолл, в Ларгсе.

По просьбе Вестминстерского аббатства гробовщики Wylie & Lochhead изготовили дубовый гроб, облицованный свинцом. Темным зимним вечером кортеж отправился из Незерхолла на железнодорожную станцию ​​Ларгс , расстояние около мили. Большие толпы стали свидетелями прохождения кортежа, владельцы магазинов закрыли свои помещения и приглушили свет. Гроб был помещен в специальный Midland и Глазго и Юго - Западной железной дороги фургона. Поезд отправился в 20:30 в Килмарнок , где фургон был прикреплен к ночному экспрессу, идущему на вокзал Сент-Панкрас в Лондоне.

Похороны Кельвина должны были состояться 23 декабря 1907 года. Гроб был доставлен из Сент-Панкрас на катафалке в Вестминстерское аббатство, где он остановился на ночь в часовне Святой Веры. На следующий день аббатство было переполнено на похороны, в том числе представители Университета Глазго и Кембриджского университета , а также представители Франции , Италии , Германии , Австрии , России , США, Канады , Австралии , Японии и Монако. . Могила Кельвина находится в нефе , рядом с ширмой хора и рядом с могилами Исаака Ньютона , Джона Гершеля и Чарльза Дарвина . Среди носителей гроба был сын Дарвина, сэр Джордж Дарвин .

Вернувшись в Шотландию, Университет Глазго провел поминальную службу по Кельвину в Бьют-холле. Кельвин был членом шотландской епископальной церкви , прикрепленной к епископальной церкви святого Колумбы в Ларгсе, а когда в Глазго - епископальной церкви святой Марии (ныне собор Святой Марии, Глазго ). Одновременно с похоронами в Вестминстерском аббатстве в епископальной церкви Св. Колумбы, Ларгс, прошла служба, на которой присутствовало большое количество людей, включая высокопоставленных гостей города.

Уильям Томсон также увековечен на могиле семьи Томсонов в Некрополе Глазго . Рядом с семейной могилой находится второй современный памятник Уильяму, воздвигнутый Королевским философским обществом Глазго ; общество, президентом которого он был в периоды 1856–1858 гг. и 1874–1877 гг.

Последствия и наследие

Пределы классической физики

В 1884 году Томсон провел мастер-класс по «Молекулярной динамике и волновой теории света» в Университете Джона Хопкинса . Кельвин упомянул уравнение акустической волны, описывающее звук как волны давления в воздухе, и попытался описать также уравнение электромагнитной волны , предполагая, что светоносный эфир подвержен вибрации. В исследовательскую группу входили Майкельсон и Морли, которые впоследствии выполнили эксперимент Майкельсона-Морли , опровергающий теорию эфира. Томсон не предоставил текст, но А.С. Хэтэуэй делал заметки и дублировал их с помощью папирографа . Поскольку тема находилась в стадии активной разработки, Томсон внес поправки в этот текст, и в 1904 году он был набран и опубликован. Попытки Томсона предоставить механические модели в электромагнитном режиме в конечном итоге потерпели неудачу.

27 апреля 1900 года он прочитал в Королевском институте широко известную лекцию под названием « Облака девятнадцатого века над динамической теорией тепла и света» . Два «темных облака», на которые он намекал, были путаницей в отношении того, как материя движется в эфире (включая загадочные результаты эксперимента Майкельсона – Морли ), и указаниями на то, что Закон Равнораспределения в статистической механике может нарушиться. На основе этих вопросов в двадцатом веке были разработаны две основные физические теории: первая - теория относительности ; для второго - квантовая механика . Альберт Эйнштейн , в 1905 году, были опубликованы так называемые « Annus Mirabilis документы », один из которых поясняются фотоэлектрический эффект , основанный на Макса Планка открытия «s квантов энергии , которая была основой квантовой механики, другой из которых описывались специальной теории относительности , и последний из них объяснил броуновское движение с точки зрения статистической механики , предоставив веский аргумент в пользу существования атомов.

Заявления, которые позже оказались ложными

Как и многие ученые, Томсон сделал несколько ошибок в предсказании будущего технологий.

Его биограф Силуан П. Томпсон пишет , что «Когда Рентген открытие«сек рентгеновских лучей было объявлено в конце 1895 года , лорд Кельвин был полностью скептически, и рассматривать это заявление как обман. Бумаги были полны чудес Лучи Рентгена, к которым лорд Кельвин относился крайне скептически, пока сам Рентген не прислал ему копию своих Мемуаров "; 17 января 1896 года, прочитав газету и увидев фотографии, он написал Рентгену письмо, в котором говорилось, что «мне не нужно говорить вам, что, когда я прочитал газету, я был очень удивлен и обрадован. Теперь я не могу сказать больше, чем поздравить тепло отзываюсь о том великом открытии, которое вы сделали. «В мае 1896 года ему сделали бы рентгеновский снимок своей руки (см. также N-лучи ).

Его прогноз относительно практической авиации (т. Е. Самолетов тяжелее воздуха ) был отрицательным. В 1896 году он отказался от приглашения присоединиться к Авиационному обществу, написав, что «у меня нет ни малейшей доли веры в воздушную навигацию, кроме полета на воздушном шаре или ожидания хороших результатов от любых испытаний, о которых мы слышим». А в газетном интервью 1902 года он предсказал, что «ни один воздушный шар и ни один самолет никогда не будут практически успешными».

Утверждение «Ничего нового в физике сейчас не обнаружено. Все, что остается - это все более и более точные измерения», с 1980-х годов широко ошибочно приписывалось Кельвину, либо без цитирования, либо без указания, что оно было сделано в обращении к Британской ассоциации. для развития науки (1900). Нет никаких доказательств того, что Кельвин сказал это, и эта цитата является перефразированием Альберта А. Майкельсона , который в 1894 году заявил: «… кажется вероятным, что большинство великих основополагающих принципов были твердо установлены… Выдающийся физик заметил, что будущие истины физической науки следует искать в шестом десятичном разряде ". Подобные заявления ранее были сделаны другими, такими как Филипп фон Джолли . Ссылка на то, что Кельвин выступил с речью в 1900 году, по-видимому, является путаницей с его речью «Два облака», произнесенной в Королевском институте в 1900 году (см. Выше), и которая, напротив, указала на области, в которых впоследствии будут революции.

В 1898 году Кельвин предсказал, что запасы кислорода на планете остались только на 400 лет из-за скорости горения горючих веществ. В своих расчетах Кельвин предположил, что фотосинтез был единственным источником свободного кислорода; он не знал всех компонентов кислородного цикла . Он не мог даже знать все источники фотосинтеза: например, цианобактерия Prochlorococcus , на долю которой приходится более половины морского фотосинтеза, не была открыта до 1986 года.

Эпонимы

Множество физических явлений и концепций, с которыми связан Томсон, называются Кельвином :

Почести

Статуя Кельвина; Ботанический сад Белфаста

Руки

Герб Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина
William Thomson Arms.svg
Примечания
Герб лорда Кельвина состоит из:
Crest
Вытянутая локоть руки, облаченная в лазурь, наручники из серебра, рука сжимает пять колосьев собственно ржи.
Розетка
Аргент, голова оленя, покрытая капюшоном красного цвета, на главном лазурном - собственно молния, крылатая или, между двумя шпорами, пирушка первой.
Сторонники
На правой стороне сидел студент Университета Глазго, держа в правой руке морской вольтметр. На зловещей стороне обитал моряк, держащий в правой руке катушку, веревку, проходящую через зловещее, и подвешенное к ней грузило зондирующей машины, тоже вполне подходящее.
Девиз
Честность без страха.

Смотрите также

использованная литература

Кельвина

Биография, история идей и критики

внешние ссылки

Профессиональные и академические ассоциации
Предшествует
36-й президент Королевского общества
1890–1895 гг.
Преемник
Академические офисы
Предшествует
Канцлер Университета Глазго
1904–1907 гг.
Преемник
Пэра Соединенного Королевства
Новое творение Барон Кельвин
1892–1907
Вымерший