"Если вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это в цифрах – значит, вы что-то об этом предмете знаете. Но если вы не можете выразить это количественно, ваши знания крайне ограничены и неудовлетворительны. Может это начальный этап, но это не уровень подлинного научного знания…"
Ученый, чье имя носит абсолютная термодинамическая шкала температур, лорд Кельвин, был разносторонним человеком, в круг научных интересов которого известным термодинамика (в частности, ему принадлежат две формулировки второго принципа термодинамики), гидродинамика, динамическая геология, электромагнетизм, теория упругости, механика и математика. Известны исследования ученого по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения. Но он был не просто учёным-теоретиком. “Человек науки отделяется от производительного рабочего целой пропастью, и наука вместо того, чтобы служить в руках рабочего средством для увеличения его собственной производительной силы, почти везде противопоставляет себя ему." - говорил ученый. Его вклад в развитие практических применений разных разделов науки трудно переоценить. В 1850-х годах ученый, интересовавшийся вопросами телеграфии, был главным научным консультантом при прокладке первых кабелей телеграфной связи через Атлантический океан. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» зеркальный гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, ондулятора-отметчик для приема телеграфных сигналов с сифонной подачей чернил, ампер-весы, применяемые для выверки электрических приборов, и многое другое, а так же предложил использовать многожильные провода из медной проволоки. Учёный создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрёл эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Между множеством патентов, взятых этим гениальным конструктором, встречаются таковые и на чисто практические приспособления (как, например, на водопроводные краны). Поистине талантливый человек талантлив во всём.
Уильям Томсон (именно такова настоящая фамилия этого знаменитого ученого), появился на свет ровно 190 лет назад, 26 июня 1824 года, в Белфасте (Северная Ирландия) в семье преподавателя математики в Королевском академическом институте Белфаста, автора ряда учебников, выдержавших десятки изданий, Джемса Томсона, предками которого были ирландские фермеры. В 1817 году он женился на Маргарет Гарднер. Их брак был многодетным (четверо мальчиков и две девочки). Старший сын, Джеймс, и Уильям воспитывались в доме отца, а младшие мальчики были отданы на воспитание старшим сестрам. Неудивительно, что Томсон-старший позаботился о достойном образовании своих сыновей. Поначалу он больше внимания уделял Джеймсу, но скоро стало ясно, что слабое здоровье старшего сына не позволит ему получить хорошее образование, и отец сосредоточился на воспитании Уильяма.br />
Когда Уильяму было 7 лет, семья переехала в Глазго (Шотландия), где отец получил кафедру математики и должность профессора. Глазго стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал студентом колледжа в Глазго, где учился вместе со своим старшим братом Джемсом. Большую роль в формировании у юноши научных интересов сыграл Джон Никол, известный шотландский астроном и популяризатор науки, работавший в университете с 1839 года. Он следил за передовыми достижениями науки и старался знакомить с ними своих учеников. В возрасте шестнадцати лет Уильям прочёл книгу Фурье «Аналитическая теория теплоты», которая, по существу, на всю жизнь определила программу его исследований.
Окончив колледж, Томсон поступил на учебу в St. Peter College в Кембридже, где опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении Земли. В одном из ранних писем к отцу Томсон пишет, как он планирует свое время: встать в 5 ч утра и разжечь камин; читать до 8 ч 15 мин; посетить ежедневную лекцию; читать до 1 ч дня; делать упражнения до 4 ч вечера; посетить церковь до 7 ч вечера; читать до 8 ч 30 мин; отправиться в постель в 9 ч. Такое расписание иллюстрирует сохранившееся на всю жизнь желание минимизировать бесплодную трату времени. Надо сказать, что Уильям Томсон был всесторонне развитым молодым человеком, он занимался спортом, даже входил в команду Кембриджа по академической гребле и вместе со своими товарищами одержал победу над студентами Оксфорда в знаменитой гонке, проводящейся с 1829 года. Также Томсон хорошо разбирался в музыке и литературе. Но всем этим увлечениям он предпочитал занятия наукой, и здесь его интересы также отличались разнообразием.
В 1845 году, после окончания Кембриджа, получив диплом второго ранглера и премию Смита, Уильям по совету отца отправился в Париж стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Тогда же в журнале Жозефа Лиувилля Томсон публикует ряд статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, впоследствии названный "методом зеркальных изображений", давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.
Пока Томсон учился в Кембридже, в Глазго происходили события, определившие его будущую карьеру. Когда Томсон в 1841 г. заканчивал первый курс Кембриджа, тяжело заболел профессор натуральной философии университета Глазго Уильям Мейклхем. Было ясно, что он не сможет вернуться на работу. Прошел и 1842 год, но никакого очевидного кандидата на свободное место в Глазго не нашлось, и тут Томсон-старший понял, что его сын Уильям, которому только что исполнилось 18 лет, вполне может поучаствовать в соревновании за это место. 11 сентября 1846 г. 22-летний Томсон тайным голосованием был избран на должность профессора натуральной философии в университете Глазго. Он сохранял свой пост до 1899 г., не соблазнившись даже должностью заведующего кавендишевской кафедрой в Кембридже, которая предлагалась ему трижды в 1870- и 1880-х гг. Первую лекцию в качестве профессора университета в Глазго Томсон прочел 4 ноября 1846 г. В ней он дал вводный обзор всех разделов физики для студентов, записавшихся на курс натуральной философии. В письме к Стоксу Томсон признавался, что первая лекция была провалом. Он заранее полностью записал ее и все время беспокоился, что читал слишком быстро. Но это не помешало использовать ту же запись в следующем году и далее каждый год в течение пятидесяти лет, с разными вставками, поправками и улучшениями. Студенты обожали своего знаменитого профессора, хотя его способность мгновенно соображать, видеть связи и аналогии, ставила многих в тупик, особенно когда Томсон экспромтом вставлял такие рассуждения в лекции.
В 1847 г. на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей в Оксфорде Томсон встретился с Джеймсом Джоулем. В течение предыдущих четырех лет Джоуль заявлял на этих ежегодных собраниях, что теплота не является, как тогда полагали, некоторой субстанцией (теплородом), распространяющейся от одного тела к другому. Джоуль высказывал убеждение, что теплота есть на самом деле результат колебаний составляющих вещества атомов. Изучив то, как газ сжимается при охлаждении, Джоуль предположил, что ни одно вещество не может быть охлаждено ниже температуры 284 °С (позднее, как мы знаем, эта цифра была уточнена Томсоном ). Кроме того, Джоуль продемонстрировал эквивалентность работы и теплоты, проведя эксперименты по определению эквивалентного количества механической работы, необходимой для нагревания одного фунта воды на 1°F. Он даже утверждал, что температура воды у основания водопада выше, чем наверху. Выступления Джоуля на собраниях Британской ассоциации воспринимались со скукой и недоверием. Но все изменилось на собрании в Оксфорде в 1847 г. ведь в зале сидел Томсон . Он был восхищен тем, что говорил Джоуль, стал задавать много вопросов и спровоцировал жаркие дебаты. Правда, Томсон предположил, что Джоуль может быть неправ. В письме к брату после собрания Томсон писал: "Я посылаю работы Джоуля, которые тебя поразят. У меня было мало времени, чтобы подробно в них разобраться. Мне кажется, что сейчас в них есть еще много изъянов". Но Джоуль не ошибался, и Томсон после долгих раздумий с ним согласился. Более того, он сумел связать идеи Джоуля с работой Сади Карно по тепловым машинам. При этом ему удалось найти более общий способ определения абсолютного нуля температуры, не зависящий от конкретного вещества. Именно поэтому фундаментальная базовая единица температуры получила позднее название кельвин. Кроме того, Томсон осознал, что закон сохранения энергии является великим объединяющим принципом науки, и ввел понятия "статической" и "динамической" энергии, которые мы сейчас соответственно называем кинетической и потенциальной энергиями.
В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как -273 °С".
С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (1824), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит одну из первых формулировок второго закона термодинамики.
Начиная с 1851 г. Томсон публикует цикл научных статей под общим названием "О динамической теории теплоты", в которых он рассматривает (независимо от Р. Клаузиуса) первый и второй законы термодинамики. При этом он еще раз возвращается к проблеме абсолютной температуры, отмечая, что "температуры двух тел пропорциональны количеству теплоты, соответственно взятой и отданной материальной системой в двух местах, имеющих эти температуры, когда система совершает полный цикл идеальных обратимых процессов и защищена от потери или прибавления теплоты при какой-либо другой температуре". В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу». Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты». Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе её в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части её движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счёт заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника». Это положение Томсон возводит к С. Карно и Р. Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода. Исходя из открытого закона термодинамики и применяя его ко Вселенной как к целому, пришел (1852) к ошибочному выводу о неизбежности «тепловой смерти Вселенной» (гипотеза тепловой смерти Вселенной). Неправомерность такого подхода и ошибочность гипотезы доказал Л. Больцман.
В этом же году, в возрасте 27 лет, Томсон стал членом Лондонского королевского общества - английской Академии наук. В 1852 году Томсон совместно с английским физиком Джеймсом Джоулем проводит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории идеальных газов к теории реальных газов. Они установили, что при адиабатическом (без притока энергии извне) прохождении газа через пористую перегородку его температура понижается. Это явление получило название "эффект Джоуля-Томсона". Примерно в то же время Томсон разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений.
В 1852 году ученый женился на Маргарет Крам, в которую он был влюблен с детства. Он был счастлив, но счастье, к сожалению, длилось недолго. Уже во время медового месяца здоровье Маргарет резко ухудшилось. Следующие 17 лет жизни Томсона были омрачены постоянными тревогами за здоровье супруги, и практически все свободное время ученый посвящал уходу за ней.
Кроме работ по термодинамике, Томсон занимался изучением электромагнитных явлений. Так, в 1853 г. он опубликовал статью "О преходящих электрических токах", заложив основы теории электромагнитных колебаний. Рассматривая изменение по времени электрического заряда сферического тела при соединении его тонким проводником (проволокой) с Землей, Томсон установил, что при этом возникают затухающие колебания с определенными характеристиками, зависящими от электроемкости тела, сопротивления проводника и электродинамической емкости. Впоследствии формулу, отражающую зависимость периода свободных колебаний в контуре без сопротивления от указанных величин назвали "формулой Томсона" (хотя сам он эту формулу не выводил).
Наконец, в 1855 году ученый совместил две сферы своих научных интересов и стал исследовать термоэлектрические процессы. Он разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений. Многие такие явления уже были известны, некоторые открыл сам Томсон. В 1856 г. открыл третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т.н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры. Самое удивительное, что Томсон не экспериментально осуществил это открытие, а предсказал его исходя из своей теории. И это в то время, когда ученые еще не имели даже более-менее правильных представлений о природе электрического тока! Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 г. он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости.
Томсон был тесно связан с другим физиком ирландского происхождения Джорджем Габриэлем Стоксом. Они встретились в Кембридже и оставались близкими друзьями до конца жизни, обменявшись более чем 650 письмами. Значительная часть их корреспонденции касается исследований по математике и физике. Их умы дополняли друг друга, и в некоторых случаях мысли так объединялись, что ни один не мог сказать (да и не заботился об этом), кто первым высказал какую-то идею. Возможно, самым знаменитым примером является теорема Стокса из векторного анализа, позволяющая преобразовывать интегралы по замкнутому контуру в интегралы по натянутой на этот контур поверхности, и наоборот. Эта теорема была на самом деле сформулирована в письме от Томсона к Стоксу, так что ее надо было бы называть "теоремой Томсона".
В пятидесятых годах Томсон заинтересовался и вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Томсон теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно Томсон выводит условия существования колебательного электрического разряда (1853), вновь найденные позже Кирхгофом (1864) и лёгшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Томсона с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию лота и компаса (1872—1876). Он создал и запатентовал новый компас, более стабильный, чем существовавшие в то время, и устранявший девиацию, связанную со стальными корпусами кораблей. Сначала Адмиралтейство отнеслось к изобретению скептически. По заключению одной из комиссий, «компас слишком нежный и наверняка очень хрупкий». В ответ Томсон швырнул компас в комнату, где заседала комиссия и компас не повредился. Флотское начальство было окончательно убеждено в прочности нового компаса, и в 1888 году он был принят на вооружение всего флота. Томсон также изобрел механический предсказатель времени приливов и создал новый эхолот, с помощью которого можно было быстро определять глубину под судном и, что еще важнее, делать это на ходу корабля.
Не менее известными стали взгляды Уильяма Томсона на тепловую историю Земли. Его интерес к этому вопросу пробудился в 1844 году, когда он был еще студентом младшего курса в Кембридже. Позднее он неоднократно к нему возвращался, что в конце концов привело его к конфликту с другими известными учеными, в том числе с Джоном Тиндаллом, Томасом Хаксли и Чарльзом Дарвином. Это можно увидеть из отзыва Дарвина о Томсоне, как о «гнусном призраке», и проповеднический пыл Хаксли, выдвигавшего эволюционную теорию как альтернативу религиозным верованиям. Томсон был христианином, но его не заботила защита буквального толкования подробностей Творения, он, например, с удовольствием рассуждал на тему о том, что жизнь на Землю занес метеорит. Однако Томсон всегда защищал и всю жизнь продвигал хорошую науку. Он считал, что геология и эволюционная биология были слабо развиты по сравнению с физикой, основанной на строгой математике. На самом деле многие физики того времени не считали, что геология и биология являются науками вообще. Для оценки возраста Земли Уильям Томсон использовал методы любимого им Фурье. Он рассчитал сколько времени потребовалось для охлаждения расплавленного земного шара до состояния с теперешней температурой. В 1862 году Уильям Томсон оценил возраст Земли в 100 млн. лет, но в 1899 г. пересмотрел расчеты и снизил цифру до 20–40 млн. лет. Биологам и геологам требовалась в сто раз большая цифра. Расхождение между теориями разрешилось только в начале ХХ века, когда Эрнест Резерфорд понял, что радиоактивность пород обеспечивает внутренний механизм разогрева Земли, замедляющий охлаждение. Этот процесс приводит к увеличению возраста Земли по сравнению с предсказанным Томсоном. Современные оценки дают значение не менее 4600 млн. лет. Открытие в 1903 году закона, связывающего с радиоактивным распадом высвобождение тепловой энергии, не побудили его изменить собственные оценки возраста Солнца. Но, поскольку радиоактивность была открыта, когда Томсон перешагнул 70-летний рубеж, его можно извинить за то, что он не учитывал ее роль в исследованиях, которые начал в 20-летнем возрасте.
У. Томсон обладал и большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое обучение с практическим. Его лекции по физике сопровождались демонстрациями, к проведению которых Томсон широко привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей. В университете Глазго У. Томсон создал первую в Великобритании физическую лабораторию, в которой было сделано много оригинальных научных исследований, и которая сыграла большую роль в развитии физической науки. Вначале лаборатория ютилась в бывших лекционных комнатах, старом заброшенном винном подвале и части старого профессорского дома. В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для лаборатории. Кафедра и дом Томсона первыми в Британии осветились электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта, в которых изготавливались физические приборы, действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую филиалом лаборатории.
Рассказывают, что однажды лорд Кельвин вынужден был отменить свою лекцию и написал на доске “Professor Tomson will not meet his classes today” (“Профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими учениками”). Студенты решили подшутить над профессором и стерли букву “с” в слове “classes”. На следующий день, увидев надпись, Томсон не растерялся, стерев еще одну букву в том же слове, молча ушел. (Игра слов: classes - классы, ученики; lasses - любовницы, asses - ослы.)
17 июня 1870 года умерла Маргарет. После этого ученый решил изменить свою жизнь, больше времени посвящать отдыху, он даже купил шхуну, на которой совершал прогулки с друзьями и коллегами. Летом 1873 года Томсон возглавлял очередную экспедицию по прокладке кабеля. Из-за повреждения кабеля экипаж был вынужден сделать 16-дневную остановку на Мадейре, где ученый подружился с семьей Чарлза Бланди, особенно с Фанни – одной из его дочерей, на которой женился летом следующего года.
Помимо научной, преподавательской и инженерной деятельности, Уильям Томсон выполнял и многие почетные обязанности. Трижды (1873–1878, 1886–1890, 1895–1907) он избирался президентом Королевского общества Эдинбурга, с 1890 по 1895 год возглавлял Лондонское королевское общество. В 1884 году совершил поездку в США, где прочел серию лекций. Необыкновенные заслуги Томсона в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками. В 1866 году Уильям получил дворянский титул, а в 1892 году королева Виктория за его научные заслуги пожаловала ему пэрство с титулом «барон Кельвин» (по названию речки Кельвин, протекающей в г. Глазго). К сожалению, Уильям стал не только первым, но и последним бароном Кельвином – его второй брак, так же как и первый, оказался бездетным. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г. отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители разных стран, в том числе русский физик Н. А. Умов; в 1896 г. Томсон был избран почётным членом Санкт-Петербургской Академии наук. В 1899 году Кельвин оставил кафедру в Глазго, хотя и не перестал заниматься наукой.
В самом конце XIX в., 27 апреля 1900 г., лорд Кельвин прочел ставшую знаменитой лекцию в Королевском институте о кризисе динамической теории света и тепла, озаглавленную "Тучи девятнадцатого века над динамической теорией теплоты и света". В ней он сказал: "Красота и ясность динамической теории, согласно которой теплота и свет являются формами движения, в настоящее время омрачены двумя тучами. Первая из них... это вопрос: как может Земля двигаться сквозь упругую среду, какой по существу является светоносный эфир? Вторая — это доктрина Максвелла—Больцмана о распределении энергии". Обсуждение первого вопроса лорд Кельвин завершил словами: "Боюсь, что первую тучу мы пока что должны рассматривать как очень темную". Большая часть лекции была посвящена трудностям, связанным с предположением о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Этот вопрос широко обсуждался в те годы в связи с непреодолимыми противоречиями в вопросе о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела. Подводя итог бесплодным поискам пути преодоления противоречий, лорд Кельвин достаточно пессимистично заключает, что простейший путь состоит просто в том, чтобы не обращать внимания на существование этой тучи. Проницательность маститого физика была удивительной: он точно нащупал две болевые точки современной ему науки. Через несколько месяцев, в последние дни XIX в., М.Планк опубликовал свое решение проблемы излучения абсолютно черного тела, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет, в 1905 г., А.Эйнштейн опубликовал работу "К электродинамике движущихся тел", в которой сформулировал частную теорию относительности и дал отрицательный ответ на вопрос о существовании эфира. Таким образом, за двумя тучками на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика — фундаментальные основы сегодняшней физики.
Последние годы жизни лорда Кельвина были временем появления в физике многого принципиально нового. Эра классической физики, одним из ярчайших деятелей которой он был, близилась к завершению. Уже недалека была квантовая и релятивистская эра, и он делал шаги по направлению к ней: его живо интересовали рентгеновские лучи и радиоактивность, он выполнил расчеты по определению размеров молекул, выдвинул гипотезу о строении атомов и активно поддерживал исследования Дж. Дж. Томсона в этом направлении. Однако, не обошлось и без казусов. Еще в 1896 году он скептически воспринял новость об открытии Вильгельмом Конрадом Рентгеном особых лучей, позволяющих видеть внутреннее строение человеческого тела, назвав это известие преувеличенным, похожим на хорошо спланированную мистификацию и требующим тщательной проверки. А за год до этого заявил: «Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны». В 1897 году Кельвин отметил, что у радио нет никаких перспектив.
Скончался лорд Уильям Кельвин 17 декабря 1907 года в возрасте 83 лет в Ларгсе (Шотландия), недалеко от Глазго. Заслуги перед наукой этого короля физики викторианской эпохи неоспоримо велики, и его прах по праву покоится в Вестминстерском аббатстве рядом с прахом Исаака Ньютона. После него осталось 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений. В «Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa» (1896) приведён список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Томсону.
У. Томсон (лорд Кельвин)
Ученый, чье имя носит абсолютная термодинамическая шкала температур, лорд Кельвин, был разносторонним человеком, в круг научных интересов которого известным термодинамика (в частности, ему принадлежат две формулировки второго принципа термодинамики), гидродинамика, динамическая геология, электромагнетизм, теория упругости, механика и математика. Известны исследования ученого по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения. Но он был не просто учёным-теоретиком. “Человек науки отделяется от производительного рабочего целой пропастью, и наука вместо того, чтобы служить в руках рабочего средством для увеличения его собственной производительной силы, почти везде противопоставляет себя ему." - говорил ученый. Его вклад в развитие практических применений разных разделов науки трудно переоценить. В 1850-х годах ученый, интересовавшийся вопросами телеграфии, был главным научным консультантом при прокладке первых кабелей телеграфной связи через Атлантический океан. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» зеркальный гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, ондулятора-отметчик для приема телеграфных сигналов с сифонной подачей чернил, ампер-весы, применяемые для выверки электрических приборов, и многое другое, а так же предложил использовать многожильные провода из медной проволоки. Учёный создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрёл эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Между множеством патентов, взятых этим гениальным конструктором, встречаются таковые и на чисто практические приспособления (как, например, на водопроводные краны). Поистине талантливый человек талантлив во всём.
Уильям Томсон (именно такова настоящая фамилия этого знаменитого ученого), появился на свет ровно 190 лет назад, 26 июня 1824 года, в Белфасте (Северная Ирландия) в семье преподавателя математики в Королевском академическом институте Белфаста, автора ряда учебников, выдержавших десятки изданий, Джемса Томсона, предками которого были ирландские фермеры. В 1817 году он женился на Маргарет Гарднер. Их брак был многодетным (четверо мальчиков и две девочки). Старший сын, Джеймс, и Уильям воспитывались в доме отца, а младшие мальчики были отданы на воспитание старшим сестрам. Неудивительно, что Томсон-старший позаботился о достойном образовании своих сыновей. Поначалу он больше внимания уделял Джеймсу, но скоро стало ясно, что слабое здоровье старшего сына не позволит ему получить хорошее образование, и отец сосредоточился на воспитании Уильяма.br />
Когда Уильяму было 7 лет, семья переехала в Глазго (Шотландия), где отец получил кафедру математики и должность профессора. Глазго стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал студентом колледжа в Глазго, где учился вместе со своим старшим братом Джемсом. Большую роль в формировании у юноши научных интересов сыграл Джон Никол, известный шотландский астроном и популяризатор науки, работавший в университете с 1839 года. Он следил за передовыми достижениями науки и старался знакомить с ними своих учеников. В возрасте шестнадцати лет Уильям прочёл книгу Фурье «Аналитическая теория теплоты», которая, по существу, на всю жизнь определила программу его исследований.
Окончив колледж, Томсон поступил на учебу в St. Peter College в Кембридже, где опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики и в замечательном исследовании «The uniform motion of heat in homogeneous solid and its connection with the mathematical theory of electricity» («The Cambridge math. Journ.», 1842) провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. В другом исследовании «The Linear Motion of Heat» (1842, ibid.) Томсон развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении Земли. В одном из ранних писем к отцу Томсон пишет, как он планирует свое время: встать в 5 ч утра и разжечь камин; читать до 8 ч 15 мин; посетить ежедневную лекцию; читать до 1 ч дня; делать упражнения до 4 ч вечера; посетить церковь до 7 ч вечера; читать до 8 ч 30 мин; отправиться в постель в 9 ч. Такое расписание иллюстрирует сохранившееся на всю жизнь желание минимизировать бесплодную трату времени. Надо сказать, что Уильям Томсон был всесторонне развитым молодым человеком, он занимался спортом, даже входил в команду Кембриджа по академической гребле и вместе со своими товарищами одержал победу над студентами Оксфорда в знаменитой гонке, проводящейся с 1829 года. Также Томсон хорошо разбирался в музыке и литературе. Но всем этим увлечениям он предпочитал занятия наукой, и здесь его интересы также отличались разнообразием.
В 1845 году, после окончания Кембриджа, получив диплом второго ранглера и премию Смита, Уильям по совету отца отправился в Париж стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Тогда же в журнале Жозефа Лиувилля Томсон публикует ряд статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, впоследствии названный "методом зеркальных изображений", давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.
Пока Томсон учился в Кембридже, в Глазго происходили события, определившие его будущую карьеру. Когда Томсон в 1841 г. заканчивал первый курс Кембриджа, тяжело заболел профессор натуральной философии университета Глазго Уильям Мейклхем. Было ясно, что он не сможет вернуться на работу. Прошел и 1842 год, но никакого очевидного кандидата на свободное место в Глазго не нашлось, и тут Томсон-старший понял, что его сын Уильям, которому только что исполнилось 18 лет, вполне может поучаствовать в соревновании за это место. 11 сентября 1846 г. 22-летний Томсон тайным голосованием был избран на должность профессора натуральной философии в университете Глазго. Он сохранял свой пост до 1899 г., не соблазнившись даже должностью заведующего кавендишевской кафедрой в Кембридже, которая предлагалась ему трижды в 1870- и 1880-х гг. Первую лекцию в качестве профессора университета в Глазго Томсон прочел 4 ноября 1846 г. В ней он дал вводный обзор всех разделов физики для студентов, записавшихся на курс натуральной философии. В письме к Стоксу Томсон признавался, что первая лекция была провалом. Он заранее полностью записал ее и все время беспокоился, что читал слишком быстро. Но это не помешало использовать ту же запись в следующем году и далее каждый год в течение пятидесяти лет, с разными вставками, поправками и улучшениями. Студенты обожали своего знаменитого профессора, хотя его способность мгновенно соображать, видеть связи и аналогии, ставила многих в тупик, особенно когда Томсон экспромтом вставлял такие рассуждения в лекции.
В 1847 г. на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей в Оксфорде Томсон встретился с Джеймсом Джоулем. В течение предыдущих четырех лет Джоуль заявлял на этих ежегодных собраниях, что теплота не является, как тогда полагали, некоторой субстанцией (теплородом), распространяющейся от одного тела к другому. Джоуль высказывал убеждение, что теплота есть на самом деле результат колебаний составляющих вещества атомов. Изучив то, как газ сжимается при охлаждении, Джоуль предположил, что ни одно вещество не может быть охлаждено ниже температуры 284 °С (позднее, как мы знаем, эта цифра была уточнена Томсоном ). Кроме того, Джоуль продемонстрировал эквивалентность работы и теплоты, проведя эксперименты по определению эквивалентного количества механической работы, необходимой для нагревания одного фунта воды на 1°F. Он даже утверждал, что температура воды у основания водопада выше, чем наверху. Выступления Джоуля на собраниях Британской ассоциации воспринимались со скукой и недоверием. Но все изменилось на собрании в Оксфорде в 1847 г. ведь в зале сидел Томсон . Он был восхищен тем, что говорил Джоуль, стал задавать много вопросов и спровоцировал жаркие дебаты. Правда, Томсон предположил, что Джоуль может быть неправ. В письме к брату после собрания Томсон писал: "Я посылаю работы Джоуля, которые тебя поразят. У меня было мало времени, чтобы подробно в них разобраться. Мне кажется, что сейчас в них есть еще много изъянов". Но Джоуль не ошибался, и Томсон после долгих раздумий с ним согласился. Более того, он сумел связать идеи Джоуля с работой Сади Карно по тепловым машинам. При этом ему удалось найти более общий способ определения абсолютного нуля температуры, не зависящий от конкретного вещества. Именно поэтому фундаментальная базовая единица температуры получила позднее название кельвин. Кроме того, Томсон осознал, что закон сохранения энергии является великим объединяющим принципом науки, и ввел понятия "статической" и "динамической" энергии, которые мы сейчас соответственно называем кинетической и потенциальной энергиями.
В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как -273 °С".
С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance» (1824), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит одну из первых формулировок второго закона термодинамики.
Начиная с 1851 г. Томсон публикует цикл научных статей под общим названием "О динамической теории теплоты", в которых он рассматривает (независимо от Р. Клаузиуса) первый и второй законы термодинамики. При этом он еще раз возвращается к проблеме абсолютной температуры, отмечая, что "температуры двух тел пропорциональны количеству теплоты, соответственно взятой и отданной материальной системой в двух местах, имеющих эти температуры, когда система совершает полный цикл идеальных обратимых процессов и защищена от потери или прибавления теплоты при какой-либо другой температуре". В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу». Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты». Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе её в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части её движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счёт заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника». Это положение Томсон возводит к С. Карно и Р. Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода. Исходя из открытого закона термодинамики и применяя его ко Вселенной как к целому, пришел (1852) к ошибочному выводу о неизбежности «тепловой смерти Вселенной» (гипотеза тепловой смерти Вселенной). Неправомерность такого подхода и ошибочность гипотезы доказал Л. Больцман.
В этом же году, в возрасте 27 лет, Томсон стал членом Лондонского королевского общества - английской Академии наук. В 1852 году Томсон совместно с английским физиком Джеймсом Джоулем проводит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории идеальных газов к теории реальных газов. Они установили, что при адиабатическом (без притока энергии извне) прохождении газа через пористую перегородку его температура понижается. Это явление получило название "эффект Джоуля-Томсона". Примерно в то же время Томсон разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений.
В 1852 году ученый женился на Маргарет Крам, в которую он был влюблен с детства. Он был счастлив, но счастье, к сожалению, длилось недолго. Уже во время медового месяца здоровье Маргарет резко ухудшилось. Следующие 17 лет жизни Томсона были омрачены постоянными тревогами за здоровье супруги, и практически все свободное время ученый посвящал уходу за ней.
Кроме работ по термодинамике, Томсон занимался изучением электромагнитных явлений. Так, в 1853 г. он опубликовал статью "О преходящих электрических токах", заложив основы теории электромагнитных колебаний. Рассматривая изменение по времени электрического заряда сферического тела при соединении его тонким проводником (проволокой) с Землей, Томсон установил, что при этом возникают затухающие колебания с определенными характеристиками, зависящими от электроемкости тела, сопротивления проводника и электродинамической емкости. Впоследствии формулу, отражающую зависимость периода свободных колебаний в контуре без сопротивления от указанных величин назвали "формулой Томсона" (хотя сам он эту формулу не выводил).
Наконец, в 1855 году ученый совместил две сферы своих научных интересов и стал исследовать термоэлектрические процессы. Он разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений. Многие такие явления уже были известны, некоторые открыл сам Томсон. В 1856 г. открыл третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т.н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры. Самое удивительное, что Томсон не экспериментально осуществил это открытие, а предсказал его исходя из своей теории. И это в то время, когда ученые еще не имели даже более-менее правильных представлений о природе электрического тока! Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 г. он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости.
Томсон был тесно связан с другим физиком ирландского происхождения Джорджем Габриэлем Стоксом. Они встретились в Кембридже и оставались близкими друзьями до конца жизни, обменявшись более чем 650 письмами. Значительная часть их корреспонденции касается исследований по математике и физике. Их умы дополняли друг друга, и в некоторых случаях мысли так объединялись, что ни один не мог сказать (да и не заботился об этом), кто первым высказал какую-то идею. Возможно, самым знаменитым примером является теорема Стокса из векторного анализа, позволяющая преобразовывать интегралы по замкнутому контуру в интегралы по натянутой на этот контур поверхности, и наоборот. Эта теорема была на самом деле сформулирована в письме от Томсона к Стоксу, так что ее надо было бы называть "теоремой Томсона".
 |
| машина Томсона для прогнозирования приливов |
Не менее известными стали взгляды Уильяма Томсона на тепловую историю Земли. Его интерес к этому вопросу пробудился в 1844 году, когда он был еще студентом младшего курса в Кембридже. Позднее он неоднократно к нему возвращался, что в конце концов привело его к конфликту с другими известными учеными, в том числе с Джоном Тиндаллом, Томасом Хаксли и Чарльзом Дарвином. Это можно увидеть из отзыва Дарвина о Томсоне, как о «гнусном призраке», и проповеднический пыл Хаксли, выдвигавшего эволюционную теорию как альтернативу религиозным верованиям. Томсон был христианином, но его не заботила защита буквального толкования подробностей Творения, он, например, с удовольствием рассуждал на тему о том, что жизнь на Землю занес метеорит. Однако Томсон всегда защищал и всю жизнь продвигал хорошую науку. Он считал, что геология и эволюционная биология были слабо развиты по сравнению с физикой, основанной на строгой математике. На самом деле многие физики того времени не считали, что геология и биология являются науками вообще. Для оценки возраста Земли Уильям Томсон использовал методы любимого им Фурье. Он рассчитал сколько времени потребовалось для охлаждения расплавленного земного шара до состояния с теперешней температурой. В 1862 году Уильям Томсон оценил возраст Земли в 100 млн. лет, но в 1899 г. пересмотрел расчеты и снизил цифру до 20–40 млн. лет. Биологам и геологам требовалась в сто раз большая цифра. Расхождение между теориями разрешилось только в начале ХХ века, когда Эрнест Резерфорд понял, что радиоактивность пород обеспечивает внутренний механизм разогрева Земли, замедляющий охлаждение. Этот процесс приводит к увеличению возраста Земли по сравнению с предсказанным Томсоном. Современные оценки дают значение не менее 4600 млн. лет. Открытие в 1903 году закона, связывающего с радиоактивным распадом высвобождение тепловой энергии, не побудили его изменить собственные оценки возраста Солнца. Но, поскольку радиоактивность была открыта, когда Томсон перешагнул 70-летний рубеж, его можно извинить за то, что он не учитывал ее роль в исследованиях, которые начал в 20-летнем возрасте.
У. Томсон обладал и большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое обучение с практическим. Его лекции по физике сопровождались демонстрациями, к проведению которых Томсон широко привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей. В университете Глазго У. Томсон создал первую в Великобритании физическую лабораторию, в которой было сделано много оригинальных научных исследований, и которая сыграла большую роль в развитии физической науки. Вначале лаборатория ютилась в бывших лекционных комнатах, старом заброшенном винном подвале и части старого профессорского дома. В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для лаборатории. Кафедра и дом Томсона первыми в Британии осветились электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта, в которых изготавливались физические приборы, действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую филиалом лаборатории.
Рассказывают, что однажды лорд Кельвин вынужден был отменить свою лекцию и написал на доске “Professor Tomson will not meet his classes today” (“Профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими учениками”). Студенты решили подшутить над профессором и стерли букву “с” в слове “classes”. На следующий день, увидев надпись, Томсон не растерялся, стерев еще одну букву в том же слове, молча ушел. (Игра слов: classes - классы, ученики; lasses - любовницы, asses - ослы.)
17 июня 1870 года умерла Маргарет. После этого ученый решил изменить свою жизнь, больше времени посвящать отдыху, он даже купил шхуну, на которой совершал прогулки с друзьями и коллегами. Летом 1873 года Томсон возглавлял очередную экспедицию по прокладке кабеля. Из-за повреждения кабеля экипаж был вынужден сделать 16-дневную остановку на Мадейре, где ученый подружился с семьей Чарлза Бланди, особенно с Фанни – одной из его дочерей, на которой женился летом следующего года.
 |
| Герб барона Кельвина |
В самом конце XIX в., 27 апреля 1900 г., лорд Кельвин прочел ставшую знаменитой лекцию в Королевском институте о кризисе динамической теории света и тепла, озаглавленную "Тучи девятнадцатого века над динамической теорией теплоты и света". В ней он сказал: "Красота и ясность динамической теории, согласно которой теплота и свет являются формами движения, в настоящее время омрачены двумя тучами. Первая из них... это вопрос: как может Земля двигаться сквозь упругую среду, какой по существу является светоносный эфир? Вторая — это доктрина Максвелла—Больцмана о распределении энергии". Обсуждение первого вопроса лорд Кельвин завершил словами: "Боюсь, что первую тучу мы пока что должны рассматривать как очень темную". Большая часть лекции была посвящена трудностям, связанным с предположением о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Этот вопрос широко обсуждался в те годы в связи с непреодолимыми противоречиями в вопросе о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела. Подводя итог бесплодным поискам пути преодоления противоречий, лорд Кельвин достаточно пессимистично заключает, что простейший путь состоит просто в том, чтобы не обращать внимания на существование этой тучи. Проницательность маститого физика была удивительной: он точно нащупал две болевые точки современной ему науки. Через несколько месяцев, в последние дни XIX в., М.Планк опубликовал свое решение проблемы излучения абсолютно черного тела, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет, в 1905 г., А.Эйнштейн опубликовал работу "К электродинамике движущихся тел", в которой сформулировал частную теорию относительности и дал отрицательный ответ на вопрос о существовании эфира. Таким образом, за двумя тучками на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика — фундаментальные основы сегодняшней физики.
Последние годы жизни лорда Кельвина были временем появления в физике многого принципиально нового. Эра классической физики, одним из ярчайших деятелей которой он был, близилась к завершению. Уже недалека была квантовая и релятивистская эра, и он делал шаги по направлению к ней: его живо интересовали рентгеновские лучи и радиоактивность, он выполнил расчеты по определению размеров молекул, выдвинул гипотезу о строении атомов и активно поддерживал исследования Дж. Дж. Томсона в этом направлении. Однако, не обошлось и без казусов. Еще в 1896 году он скептически воспринял новость об открытии Вильгельмом Конрадом Рентгеном особых лучей, позволяющих видеть внутреннее строение человеческого тела, назвав это известие преувеличенным, похожим на хорошо спланированную мистификацию и требующим тщательной проверки. А за год до этого заявил: «Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны». В 1897 году Кельвин отметил, что у радио нет никаких перспектив.
 |
| Мемориал Уильяма Томсона, первого барона Кельвина, Университет Глазго |
 |
| Статуя лорда Кельвина в Ботаническом парке, Белфаст |
Комментариев нет :
Отправить комментарий