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威廉·汤姆生


[公元1824年-1907年]
  威廉·汤姆生(开尔文爵士,(LordKelvin),1824-1907)英国)创立开尔文温标(1848),独立发现绝对零度(1851,比法国的阿蒙顿晚149年),与焦耳一起首次提出“宇宙趋向于能量耗散”的思想(1852)。
  1824年,威廉·汤姆生出生在英国贝尔发斯特城,父亲是皇家学院的数学教授,性情温和,冶学勤奋;母亲是富家女儿,是个典型的贤妻良母。汤姆生的兄弟妹妹比较多,他从小生活在一个和睦而热闹的大家庭里,非常快活。由于他长得最漂亮,又很聪明,在兄弟中最受父亲宠爱。他也最爱父亲。
  汤姆生6岁那年,母亲不幸去世,父亲挑起了照料全家的担子。这位数学教授是农民出身,年轻的时候靠自学进入大学。他虽然疼爱失去母亲的孩子,但是对他们的教育却很严格。在汤姆生和比他2岁的哥哥杰姆都还很小的时候,父亲就向他们系统地教授数学了。他还经常在清晨带孩子们到郊外去散步,一路上提出各种有趣的问题来问他们,培养他们思考的习惯。每当这个时候,孩子们都兴奋得像小鸟一样,叽叽喳喳地发表自己的见解。
  1832年,汤姆生的父亲被母校格拉斯哥大学聘请去教书,全家迁到格拉斯哥城。这座城市位于苏格兰腹地,横跨克莱德河,西临狭窄的克莱德海湾,是英国北部的第一大港,商业繁荣,造船业比较发达。汤姆生一生的主要活动都是在这里进行的。所以有的科学史家提到他的时候,都爱把他称做“格拉斯哥的汤姆生”。
  这一年新学期,汤姆生的父亲开始讲课。新来的教授学问渊博,讲述有条不紊,待人亲切,很快就博得了学生们的敬仰。没有多久大家就发现,教授来讲课的时候常常带着两个漂亮的小男孩,让他们坐在教室里旁听。小的那个孩子还背着装玩具的书包。起初,同学们都以为这两个小家伙是来玩的,后来看到他们在认真的记笔记,才大吃一惊。因为这两个大学旁听生的年龄实在太小了:杰姆是十岁,汤姆生才八岁!
  一所堂堂的高等学府竟准许八岁的儿童当旁听生,听起来有些荒唐,但是却是事实。人才的培养本来就应该不拘一格。我国历史上不也有甘罗12岁当宰相的佳话吗?汤姆生的父亲望子成才,也很费了一番苦心。汤姆生从接受启蒙教育直到中学教育,都是他父亲自己编教材,在家里教的。他在读大学以前,从来都没有进过学校。气宇轩昂的老教授是个天生的教育家,他的最大乐趣就是给孩子们传授知识,把他们教育成材。汤姆生兄弟也很争气,他们在大学非正式地旁听了两年,眼界开阔了不少。有一次上实验课,兄弟两个对电学实验发生了浓厚的兴趣,回家以后,竟仿制了几个莱顿瓶和伏打电堆。两个小实验家用电堆给莱顿瓶充上电,然后骗小妹妹维莉来摸,结果“啪啦”一声,把她吓得大哭一场。
  汤姆生十岁的时候,和哥哥一道正式进了格拉斯哥大学预科学习。这大约是当时世界上最小的大学生。同年级的同学大多是农场主的儿子,最大的24岁。这些袴子弟醉心在神学里,汤姆生却在数学、物理学和天文学方面努力学习。汤姆生15岁那年,获得了学校的物理学奖;16岁获得了天文学奖,同时还因为写了一篇出色的论文《地球的图形》,得到大学的金质奖章。
  1840年春天,汤姆生的父亲带着全家去欧洲大陆旅行。他们渡过多佛尔海峡,顺着莱茵河南下,旅游的区域主要在德国境里。父亲选取这条路线,主要是想让孩子们练习德语会话。为了避免分散精力,他事先规定谁也不准携带书籍。这年年初,汤姆生的指导教授,向他介绍了法国数学大师傅立叶(1789~1857)关于热的数学分析的一本著作,要他学习。汤姆生动身以前,听说爱丁堡大学的凯伦特教授非难这部著作。他瞒过父亲,把书悄悄地藏在皮包里,旅途中一有机会就偷偷地读几页。他们在法兰克福作客的那些日子,汤姆生每天都躲进地窖里研究傅立叶的理论,终于发现是凯伦特教授自己搞错了。于是,他写了一篇反驳的论文。旅行结束以后,他把论文寄给凯伦特教授。凯伦特对这个16岁少年的挑战,最初只是付诸一笑,但是当他读完全文以后却完全折服了。第二年,这篇论文发表在剑桥大学的数学杂志上,虽然用的是笔名,但是不久,大学生们就都知道作者是谁了,汤姆生顿时名扬全校。
  在以后的几年里,汤姆生发表了一连串的科学论文,内容涉及数学、热力学和电学。17岁那年,他把电力线和磁力线同热力线加以类比;18岁,接触到了热传播不可逆性(就是总是从高温物体传到低温物体,不能反向传递)。在研究这些问题的时候,他娴熟地运用了很多新的数学定理。剑桥大学的数学家霍普金斯(1793~1866),曾经担任他的指导教授,使他得益不小。这一切都表明,他有可能成为一个杰出的数学物理学家。遗憾的是、他成名太早,反而影响他刻苦钻研。他一生中的某些不足在这个时候已经露头。他撰写论文很少参考别人的著作,写起来也是龙飞凤舞,一挥而就。据说他习惯用铅笔写作,而且常常写在零乱的纸上就送去付印。
  1845年1月,20岁的汤姆生通过了紧张的毕业考试。事前,父亲和老师们对他都寄予很大的希望。父亲确信他能够稳拿第一名,一个主考教授甚至对他的同事说,他们都不配改汤姆生的卷子。可是考试揭晓,汤姆生只得了第二名。直到第二次史密斯奖考试的时候,他才夺得了桂冠。
  主要成就
  走在真理的边缘
  1846年11月1日,汤姆生正式担任教授的职务。他还是悉心研究电学,而且很有进展。法拉第那年从剑桥大学回去以后,做了大量实验,研究光的极化,当年就取得突破。这位实验大师发现:通过玻璃的一束偏振光,它的振动面在磁场作用下会发生偏转。这就是有名的磁致旋光效应。法拉第曾经喜悦地写着:“这样一来,磁力和光有相互关系就得到证明了!”消息传来,汤姆生很受鼓舞。在法拉第实验的启发下,汤姆生进行了反复的研究,他用数学方法进行分析,对电磁力的性质作了有益的探讨,还试图用数学公式把电力和磁力统一起来。这确实是一个天才的思想。
  汤姆生把研究成果写成了一篇论文。那时,他当教授才半个多月。论文完成的时间,是1846年11月28日。汤姆生在当天的日记里写下了这样的话:
  “上午十点一刻,我终于成功地用‘力的活动影像法’来表示电力、磁力和电流了。”
  实际上,他已经走到了电磁理论的边缘,只要再向前迈进一步,就能够发现真理。遗憾的是,汤姆生就在这里停步了。他也许朦胧地感觉到了曙光在前,但是却缺少那种锲而不舍的精神。他在笔记里匆匆写下这么一行字:
  促使我能够把固体对电磁和电流有关系的状态重新做一番更特殊的考察,我就会超出现在所知道的范围,不过那是以后的事了。
  可惜他后来再也没有做这方面的工作。因此,建立电磁理论的桂冠,就只好让麦克斯韦来戴了。当然,汤姆生的功绩也不可否认:第一,是他作了开拓性的工作;第二,是他把自己的思想毫无保留地告诉了麦克斯韦。这是汤姆生很伟大的地方。
  汤姆生没有能够把电磁理论的研究进行到底,客观上还有个原因,就是他没有能够及时得到法拉第的指导,1847年夏天,汤姆生曾经把自己的论文抄寄给法拉第。他在信里是这样写的:
  亲爱的法拉第先生:
  以前,我向你提到过一个问题,那就是用解释弹性体中“应力”分布的方法来解释电力和磁力之间相同的情况。现在我写了一篇论文,只从数学上论述了电力和磁力相同的地方。还不敢说这就是关于电力和磁力分布的理论。假如够得上称做理论,它也只是说明了电力和磁力之间存在着必然的联系,说明了吸铁石或者有电流通过的导体,都会产生绝对静止的磁性现象。如果这个理论能够成立,把它同光的波动理论联系起来,就完全可以解释磁性使先发生极化现象的效应了。
  论文随信附上。
  信中的精辟见解,在今天看来也是令人惊叹的。因为当时除了法拉第以外,还没有第二个人把电磁现象和光波联系起来。可惜的是,汤姆生没有得到法拉第的回信,在关键时刻没有得到宝贵的指导。
  正当汤姆生在电磁理论的边缘徘徊的时候,他遇到了焦耳。跟这位大物理学家结识以后,他的兴趣被引上了另一条道路——热力学的研究。一位英国传记作家在《汤姆生传》中饶有风趣地写着:
  说来也怪有趣的,汤姆生在年轻的时候就碰到了两个大名鼎鼎的实验家:法拉第和焦耳,可是后来只同其中的一个成了要好的朋友传记里说的“其中的一个”,指的就是焦耳。
  汤姆生和焦耳的相遇,是很富有戏剧性的。1845年在剑桥大学举行的英国科学协会的会议,焦耳也参加了。他在会上还作了关于热功当量的报告。但是那次开会,汤姆生没有能够同他结识。焦耳在1841年发现了电流通过导体发热的定律,1843年又通过实验测定了热功当量,为建立能量转换和守恒定律提供了重要的实验根据,这在物理学上是个了不起的发现。但是,当时人们抱着成见,还不理解焦耳工作的意义,皇家学会也拒绝发表他的论文。
  1847年,在牛津大学召开的英国科学协会的会上,焦耳再次宣讲自己的理论。这位不屈不挠的实验家,面对怀疑和非难,坚定地声称各种形式的能都可以定量地互相转化,比如机械能可以定量地转化为热能。当时,著名的热力学家都认为这种转化是不可能的。汤姆生也出席了这次会议,他起初打算等焦耳讲完以后马上站起来反驳,但是,听完讲演就完全明白了焦耳的学说里包含着真理。会后,他同焦耳亲切地交谈起来,焦耳深深感到是遇见了知音。当时,焦耳是29岁,汤姆生才23岁。后来,他们成了莫逆之交。在焦耳的鼓励下,汤姆生把注意力转到热力学研究方面。结果,他的天才在电磁学领域里没有充分显示出来,却在热力学的领域里显示出来了。第二年,他提出了绝对温标。在热力学的理论上,他也做出了相当大的贡献。汤姆生还同焦耳合作,发现了著名的汤姆生—焦耳效应(被压缩的气体通过窄孔,进入大容器以后,就膨胀降温)。这个效应,为近代低温工程奠定了重要基础。
  海底电缆通信
  汤姆生结识焦耳以后,就把大部分精力放到了热力学的研究上。转眼之间,几年过去了。在这几年里,他在格拉斯哥大学创建了英国第一所物理实验室,吸引了不少学生。后来,这所实验室成了他的基地。同时,他的家庭生活也发生了很大变化。1849年,他父亲患病去世了。这位教授在世的时候对儿子要求很严格,亲眼看见爱子成器,临死的时候内心是满意的。老汤姆生对英国教育也有贡献。在他去世以后,苏格兰的学校仍旧采用他编的老教科书。据说,他编的有些教科书再版了将近100次。父亲去世3年以后,汤姆生成了家。妻子体弱多病,汤姆生一直对她体贴入微,细心照料,花了不少时间。
  1853年,29岁的汤姆生在热力学研究方面取得了成就以后,才回过头来再一次对电磁学进行探索性的研究。他用很精确的实验,证明了莱顿瓶放电具有振荡性质。实际上这是发现电磁波的前兆,真理就在眼前,只不过汤姆生没有充分意识到这一点罢了。汤姆生还用数学方法推导出电振荡过程的方程和振荡频率的公式。
  同年,他发表了《瞬间电流》这篇论文。这不但是汤姆生一生中最出色的一篇论文,而且也是电磁学史上光采夺目的篇章。在这篇论文里,他指出带电体的放电有两种,一种是连续放电,一种是振荡放电。如果是振荡放电,就会形成这样一种情况:“主要导体最先失去它的电荷,然后得到比起初稍小而正负相反的电荷,这样循环下去一直到无限,而后达到平衡。”
  他还认为,如果放电频率太高(电火花爆发太快),肉眼不能判断,就可以用惠斯登的“转镜法”来观测(6年以后,另一位科学家证实了这点)。但是,汤姆生没有继续研究下去。第二年,他收到剑桥大学年轻的毕业生麦克斯韦向他求教怎样研究电磁的来信。汤姆生毫无保留地把自己研究的成果告诉了他。后来,麦克斯韦沿着汤姆生开辟的道路一直走下去,终于完成了汤姆生没有完成的事业。
  汤姆生为什么没有坚持到底,有种种原因。最主要的,是当时有项举世瞩目的工程——铺设第一条大西洋海底电缆,把他吸引住了。汤姆生不是法拉第那样的实验科学家,由于各人的经历、性格、受到的教育和所处的环境不同,因此,他身上更多地具有工程师的气质,对于实际的应用工程更有兴趣。这种倾向,在他30岁以后更加明显。他的“三十而立”,可以说完全立在工程界了,尽管他一直是格拉斯哥大学的教授。
  从莫尔斯发明电报以后,不到20年,电报这种新型通信方式已经在世界上流行起来。当时无线电还没有发明,莫尔斯电报只能进行有线传送,只能在陆地上使用,称做陆地电报。随着资本主义的发展,英国和欧洲大陆以及欧美两地之间传统的利用邮船通信的方式,已经远远不能满足需要,于是制造和铺设诲底电缆成了最迫切的任务。1850年,在英法之间的多佛尔海峡铺设了最早的海底电缆,但是,它比较短。要制造和铺设几千公里长的海底电缆,工程就艰巨多了,因为有很多理论上和技术上的问题需要解决。
  1854年,也就是汤姆生发表《瞬间电流》的第二年,一个叫克拉克的科技人员发现了信号延迟现象,也就是信号通过海底电缆的时候,收报比发报要滞后一定时间。他不能解释这种现象。
  汤姆生知道这件事情以后,怀着极大的兴趣进行了研究。他意识到这个问题是铺设长距离海底电缆成败的关键。因为电缆越长,信号延迟时间越长,而且衰减和失真(从脉冲波变成钟形波)也就越厉害,甚至会不能正常传递电报。经过整整一年的系统研究,汤姆生提出了关于海底电缆信号传递衰减的理论,解决了铺设长距离海底电缆的重大理论问题。这使他在还没有肩负铺设大西洋海底电缆重任以前,就已经成了这个工程的奠基人。那时,他刚31岁。一个有趣的巧合是,后来麦克斯韦提出电磁理论是31岁,赫兹(1857~1894)证实电磁波的存在也是31岁。
  1855年,汤姆生发表了信号传输理论的论文。它系统地分析了海底电缆信号的衰减原因,并且指出,由于海水是导体,包着绝缘层的海底电缆同海水组成了一个电容器,这就使信号传递有个充放电的过渡过程。如果增大铜线截面面积来减小电阻,加厚绝缘层来减小分布电容,而且使用小电流,就能够使信号的延滞降低到最小限度。这个理论成了后来设计海底电缆通信工程的重要理论根据。
  1856年,大西洋海底电缆公司正式组成,资本总额是35万英镑。按照公司章程的规定,公司董事由各个地区的股东选定,在股东还没有分到10%的红利以前,董事没有薪金。苏格兰的股东选聘汤姆生当董事,汤姆生高兴地同意了。一个人把工作当成了事业,他是不会计较报酬的。青年电学家盼望的是把自己的理论拿到实际中去应用,在第一条大西洋海底电缆的工程中显-力。到1866年4月,历经种种艰难险阻,在第四次沉放大西祥海底电缆时,终于大获成功,全部工程整整进行了10年。
  后生可畏
  汤姆生毕业以后,首先选择了电磁学当做进军的目标。虽然热力学也在他的视野范围里,但是自从法拉第在1831年发现电磁感应以后,探索电磁的奥秘就成了很多科学家感兴趣的课题,汤姆生也受到强烈的吸引。这个高材生还在儿童时代就被电学迷住了。他很羡慕法拉第的成就,尤其是对法拉第关于电力线和磁力线的思想很感兴趣。汤姆生掌握了数学工具以后,更觉得电磁学是个大有可为的领域,跃跃欲试。
  汤姆生的父亲却一心要儿子竞选教授席位。当时格拉斯哥大学有位德高望重的物理学教授要退休,父亲非常希望汤姆生能够接替这个职位。按照当时的传统,必须要对物理学有实践经验的人才有资格。为了达到这个目的,父亲特意安排汤姆生去巴黎留学,给物理学家雷尼奥(1810~1878)当研究生。雷尼奥是搞热力学的,曾经接受法国政府的委托,测定过比热常数。汤姆生一边听他的课,一边给他当实验助手,在热力学研究上得到不少启发。但是他当时的主要精力,还是放在电磁学上。他在巴黎只逗留了四个多月,就写了第一篇很有见地的电学论文,发表在法国的数学杂志上。这家杂志的主编很赏识这个英国青年,曾经给了他不小的鼓励。汤姆生的论文根据光学倒影原理,论述了静电感应的电荷分布,这已经是个创见;更不简单的是,他还提出可以用数学方法来分析法拉第的静电感应现象。他这个闪光的思想,比麦克斯韦要早十年!
  1845年初夏,汤姆生从法国回到剑桥大学,参加了英国科学协会的会议。出席这次会议的都是著名学者,包括法拉第、焦耳(1818~1889)这样一些世界第一流的大科学家。相比之下,21岁的汤姆生不过是个孩子。但是他不迷信权威,在会上大胆发表自己的见解。
  这个英俊的青年有些紧张地站在讲台前,介绍自己对电磁学的研究。他的脸颊因为兴奋而微微发热,声音也不由自主地提得很高。汤姆生在会上宣读的论文,是根据自己发表在数学杂志上的那篇文章修改的。当他谈到法拉第的磁力线可以用数学公式来表示,谈到他发现的光线在两块带不同电荷的玻璃片之间发生极化现象的时候,会场上发出了一阵热烈的议论。
  当汤姆生回到自己座位的时候,旁边一个衣着简朴、态度和蔼的学者转过脸对他说:“小伙子,你谈得不错啊!”
  “先生过奖了!”年轻人有些不好意思。
  “我也一直在思考这个问题,”那位学者直率地说。
  “请问先生贵姓?”汤姆生很有礼貌地问。
  “迈克尔·法拉第。”
  想不到同自己谈话的竟是法拉第!汤姆生顿时肃然起敬。法拉第从皮包里取出自己写的一本电学专著《电学实验研究》递给汤姆生,建议他抽空读一读。接着,他们的话题又回到论文上。汤姆生向法拉第请教,为什么光束通过带电介质会发生极化现象。法拉第解释说,这个问题很不简单,他几次想用《电学实验研究》来验证,都没有取得成功。
  “但是我相信,发生电感应现象的时候,介质一定是处在某种特殊状态中的。”法拉第坚定地说,并且表示要继续研究这个难题。
  汤姆生当时很想提出来同法拉第合作。他犹豫了一下,没有把话说出口。法拉第那时已经51岁,久病初愈,刚恢复研究工作。他虽然赏识汤姆生的才能,但是没有想到这个21岁的后生是最理想的助手。所以,他们探索的目标尽管是共同的,特别是汤姆生又精通数学,却没有能够携起手来。这是很可惜的。
  一个月以后,汤姆生在皇家学院重新进行这项实验,可惜法拉第已经离开了。对他们两个人来说,都失去了一次最宝贵的机会。后来,法拉第始终没有能够把自己的研究提高到理论的高度;汤姆生的愿望,也要到麦克斯韦手里才能变成现实。
  以后,汤姆生有好几次想把自己对电磁的研究总结成理论性的东西,但是都失败了。他的主要缺点是不善于吸取别人的长处。他对法拉第虽然很敬重,却从没有系统地读过《电磁学研究》。对于其他人的著作,他当然就更少过目了。有人说,他在40年里没有认真读过一本书,这话虽然有些夸张,但是也说明了汤姆生的弱点。他在实验中的一些发现,有的确实闪耀着天才的光芒,有的却是重复了别人早已发现过的事实。
  1846年5月,老汤姆生等候已久的机会终于到来:那位受人尊敬的老教授去世,他的职位空出来了。当时大学提出30个有才干的教师做候选人。汤姆生的父亲梦寐以求的,就是要让儿子坐上教授这把交椅。他一向训诫儿子要把数学同物理学上的实际问题互相结合起来,对汤姆生一生确实有不小的影响。父亲主要是为了适应选拔教授的考试的需要,儿子却因此转向了应用工程的研究。
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