Основоположник термодинамики
Томсон (Кельвин) Уильям (William Thomson, 1st Baron Kelvin) – английский физик, один из основоположников термодинамики. Родился 26 июня 1824 года в Белфасте, Северная Ирландия. Предки Томсона были ирландскими фермерами; его отец Джеймс Томсон (1776—1849), известный математик, с 1814 года был учителем в Belfast Academical Institution; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. Первые годы жизни Уильяма в Белфасте прошли в идиллической обстановке: дружная семья, множество друзей, семейные праздники, во время летних каникул – путешествия по окрестным городам и селам. К несчастью, в мае 1830 г. эта семейная идиллия разрушилась из-за смерти матери. Вскоре после этого семья перебралась в Шотландию, где отец стал профессором математики в университете Глазго. К 12 годам Уильям владел четырьмя или пятью языками. В 1834 г. Томсон, которому было 10 лет, и его 12-летний брат Джеймс поступил в этот университет. Может показаться, что это слишком раннее начало академической карьеры, но в те годы возраст 14 лет был обычным для поступления.
Способности Томсона проявились рано: первую научную работу, посвящённую рядам Фурье, он написал в 16 лет. В октябре 1841 г. 17-летний Томсон поступил в колледж св. Петра в Кембридже как «пенсионер», иными словами, как студент, самостоятельно оплачивающий свое обучение. За два года учебы на младших курсах Томсон написал ещё десять работ, и вскоре о нём уже говорили как о студенте, претендующем на первое место в заключительных экзаменах по математике.
Пока Томсон жил в Кембридже, каждый член его семьи регулярно с ним переписывался. Отец, проверявший все его счета, часто давал советы, как разумнее всего тратить деньги и время. Ежегодная плата за пребывание в колледже составляла 230 фунтов, что равнялось примерно трети годового дохода семьи. Письма Томсона к отцу часто содержали подробнейший список расходов. Когда же приходилось просить дополнительных денег, он, чтобы смягчить родителя, иногда включал в письмо какую-нибудь математическую теорему, которую тот мог бы использовать на экзаменах.
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. Как отмечают современные биографы Томсона, весьма сомнительно, чтобы он строго придерживался этого расписания, но оно иллюстрирует сохранившееся на всю жизнь желание минимизировать бесплодную трату времени.
Помимо учебы Томсон принимал живое участие во многих других занятиях. Он стал превосходным гребцом, играл на трубе, оказывал помощь в организации университетского музыкального общества, много ходил, катался ка коньках и плавал. Из всех этих занятий отец более всего осуждал греблю, опасаясь, что в результате сын попадет в компанию бездельников, которые навсегда разрушат его жизнь пьянками и пустым времяпрепровождением.
Выпускные, так называемые сенатские, экзамены начались 1 января 1845 г. и длились шесть дней, до 7 января. Предлагалось 12 билетов, по два в день, причем ответы на утренние длились 2,5 ч, а на вечерние – 3 ч. Итоговый результат зависел как от количества ответов на вопросы, так и от их качества. Эти экзамены были самым сложным математическим испытанием во всей стране. Участники должны были, как скаковые лошади в дерби, с огромной скоростью отвечать на вопросы, используя кратчайшие пути для получения ответов.
Ко всеобщему удивлению, Томсон стал только вторым, пропустив вперед некоего Стивена Паркинсона из колледжа св. Иоанна. Семья была огорчена, но справедливость вскоре восторжествовала, когда Томсон в конце января занял первое место в экзаменах на премию Смита. Билеты этого экзамена больше соответствовали способностям Томсона, т.к. содержали в основном задачи, а не проверку знания книг, как сенатские. Несмотря на второе место в сенатских экзаменах, в Кембридже все сошлись во мнении о выдающихся способностях Томсона. Как говорил один экзаменатор своему коллеге, «вы и я годимся только на то, чтобы подчищать опечатки в его работах».
Отец Уильяма подготовил кучу рекомендаций от членов колледжа св. Петра, кембриджских экзаменаторов Джорджа Буля, Артура Кэли, Августа де Моргана, сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, Виктора Рено, Джорджа Стокса и др. Отец желал добиться максимального впечатления, поэтому он организовал печать каждой рекомендации на бумаге с золотым обрезом. Типографские работы производились в Глазго, и отец Томсона сам держал корректуру.
После окончания университета, Томсон по совету отца едет в Париж - стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Здесь Томсон разработал способ решения электростатических задач ("метод электрических изображений"). Через год 22-летний учёный вернулся в Глазго. Все увенчалось полным успехом, и 11 сентября 1846 г. Томсон тайным голосованием был избран на должность профессора натуральной философии в университете Глазго. 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 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.
У. Томсон обладал 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. 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.
Работы Томсона относятся к термодинамике, гидродинамике, электромагнетизму, упругости, теплоте, математике, технике. В 1848 г. Томсон ввёл понятие абсолютной температуры и абсолютную шкалу температур, названную его именем (шкала Кельвина).
В 1851 г. он открыл изменение удельной электропроводности ферромагнетиков при их намагничивании (эффект Томсона). В этом же году он, независимо от Р.Клаузиуса, сформулировал второе начало термодинамики: "В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершённая за счёт охлаждения теплового резервуара". Этим была доказана невозможность создания вечного двигателя второго рода.
(Вечный двигатель второго рода — неограниченно долго действующая машина, которая, будучи пущена в ход, превращала бы в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел.)
В июне 1851 г., как раз незадолго до 27-летия научные достижения Томсона были отмечены избранием в члены Королевского общества. В сентябре следующего года он женился на своей троюродной сестре Маргарет Крам. Он сделал ей предложение после того, как трижды был отвергнут своей прежней подругой Сабриной Смит. Последнее предложение Сабрине было сделано в апреле 1852 г., всего за три месяца до предложения Маргарет!
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 её надо было бы называть «теоремой Томсона».
В 1852 году Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал «принцип рассеяния энергии», из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека. Это была первая формулировка идей о «тепловой смерти», пока только Земли.
Вывод о тепловой смерти Вселенной был сформулирован Р. Клаузиусом в 1865 году на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной.
Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 год), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.
Ошибочность этой гипотезы доказал Л. Больцман (1872).
В 1853 - 1854 г.г. вместе с Дж. Джоулем установил изменение температуры газа при его медленном стационарном адиабатическом протекании сквозь пористую перегородку (эффект Джоуля - Томсона). Использование этого эффекта - основной метод получения низких температур.
В 1856 г. открыл термодинамический эффект (эффект Томсона): если вдоль проводника с током существует перепад температур, то кроме джоулевой теплоты выделяется или поглощается (в зависимости от направления тока) ещё некоторое количество теплоты (теплота Томсона).
Томсон сконструировал высокочувствительные электрометры и гальванометры, универсальный компас.
В 1853 г.он дал расчёт электрических колебаний в контуре, выведя формулу зависимости периода собственных колебаний в контуре от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). Его работы и изобретения способствовали практическому осуществлению телеграфной связи.
Интересны взгляды Томсона на тепловую историю Земли. Его интерес к этому вопросу пробудился в 1844 г., 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. Тональность дебатов характеризуют отзыв 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 занёс 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 Томсон, используя методы любимого им Фурье, рассчитал, сколько времени потребовалось для охлаждения расплавленного земного шара до состояния с теперешней температурой. Он восхищался книгой Фурье «Аналитическая теория теплоты», которую прочитал в возрасте шестнадцати лет. По существу, эта книга на всю жизнь определила программу его исследований.
К огорчению биологов и геологов оценка возраста Земли не оставляла времени для того, чтобы произошла эволюция. В 1862 г. 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 в., 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. Но, поскольку радиоактивность была открыта, когда Томсон перешагнул 70-летний рубеж, его можно извинить за то, что он не учитывал её роль в исследованиях, которые начал в 20-летнем возрасте!
В пятидесятых годах Томсон заинтересовывается 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.
Томсон месяцами находился в море, участвуя в осуществлении проекта, и с энтузиазмом подробно вникал в практические вопросы. Наряду с другими участниками проекта в ноябре 1862 г. Томсон в возрасте 42 лет был посвящен в рыцари.
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).
В 1870 г. Томсон установил, что упругость насыщенного пара зависит от формы поверхности жидкости.
17 июня 1870 г. Томсона постигла трагедия – умерла его жена Маргарет, которая тяжело болела практически всю их совместную жизнь. Через три месяца после её смерти Томсон купил 126-тонную яхту «Лалла Рук». Это дало ему возможность отвлечься от горестных мыслей и сменить обстановку. Он проводил много времени на борту яхты, продолжая свои исследования.
У Томсона пробудился интерес к проблемам навигации. 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; компас не повредился. Скорее всего апокрифическое окончание этой истории таково: затем Томсон швырнул в комнату стандартный компас, и он не выдержал броска. Флотское начальство было окончательно убеждено в прочности нового компаса, и в 1888 г. 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 ещё важнее, делать это на ходу корабля.
Продолжавшаяся работа Томсона по прокладке подводных кабелей привела его в 1873 г. на о. Мадейру. Повреждение одного из кабелей заставило корабль, на борту которого он находился, шестнадцать дней оставаться у берегов острова. В эти дни Томсону оказал гостеприимство богатейший местный землевладелец Чарльз Бланди. В следующем мае Томсон на «Лалла Рук» вернулся на Мадейру с тем, чтобы сделать предложение второй дочери м-ра Бланди Фанни, которой было тогда 36 лет. Она приняла предложение, и свадьба состоялась в 1874 г., в день 50-летия Томсона.
Вскоре после второй женитьбы Томсон построил в Ларге вблизи Глазго новый дом в стиле замков шотландских баронов. Проект дома во многом принадлежал самому Томсону. Павлинов для парка подарил Максвелл. В полном соответствии с любовью Томсона к прогрессу дом в Ларге был единственным в округе, в котором было электрическое освещение.
В 1884 г. Томсон с женой отправились в Северную Америку. Томсону предстояло прочитать 20 лекций в университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Американцам очень понравился его свободный стиль лекций с частыми отклонениями от темы. Балтиморские лекции проходили в интерактивном режиме, Томсон мало пользовался конспектами. Лорд Рэлей, находившийся среди слушателей, заметил, что многие утренние лекции основывались на вопросах, поднятых во время завтрака. Томсон говорил о таких проблемах, как природа атомов, волновая природа света и существование эфира, дойдя даже до вычисления массы эфира в одном кубическом километре.
Томсон пришёл к выводу, что морские приливы и отливы влияют на вращение Земли вокруг оси. Его работы по гидродинамике и теории волн награждены в 1887 году премией от Эдинбургского королевского общества.
В 1892 г., в возрасте 68 лет, Томсон стал пэром и получил титул барона Кельвина из Ларги. Титул был выбран им по названию маленькой речки, протекающей вблизи университета в Глазго и впадающей в Клайд. Через четыре года было торжественно отмечено пятидесятилетие его работы профессором. 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.
Он ушёл в отставку через три года, в 1899 г., но в соответствии со своим неугомонным характером тут же записался в университет в качестве студента-исследователя.
В последние годы жизни Томсона интересовали рентгеновские лучи и радиоактивность, он выполнил расчёты по определению размеров молекул, в 1902 г. выдвинул гипотезу о строении атомов.
В 1890-1895 г.г. Томсон был президентом Лондонского королевского общества. Он был членом многих академий и научных обществ.
Умер У. Томсон (Кельвин) 17 декабря 1907 года в своём имении. Он по достоинству покоится в Вестминстерском аббатстве рядом с сэром Исааком Ньютоном.
После него осталось 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений.
В честь Уильяма Томсона названа единица измерения абсолютной температуры – «Кельвин».
Однажды он сказал:
Математика есть просто хорошая метафизика.
Если Вы в состоянии измерить и выразить то, о чём Вы говорите, в числах, то Вы кое-что об этом знаете, но если вы не можете измерить это и выразить в числах, Ваши знания скудны и неудовлетворительны.
Всю науку можно разделить на физику и коллекционирование марок.
Можете ли вы измерить это? Можете ли вы выразить это в цифрах? Можете ли вы сделать из этого пример? Если нет, ваша теория склонна больше опираться на воображение, чем на знание.
Не думайте, что математика сложна, крошечна и отвратительна для здравого смысла. Это всего лишь этериализация здравого смысла.
Эфир - единственная субстанция, в которой мы уверены в динамике. Мы уверены в одном: это реальность и сущность светоносного эфира.
Теорема Фурье является не только одним из самых прекрасных результатов современного анализа, но можно сказать, что она является незаменимым инструментом при рассмотрении почти всех второстепенных вопросов современной физики.
Фурье - математическое стихотворение.
Летательные аппараты тяжелее воздуха невозможны.
Я никогда не смогу удовлетворить себя, пока не смогу создать механическую модель чего-либо. Если я смогу создать механическую модель, я смогу её понять. Пока я не могу полностью создать механическую модель, я не могу понять.
Если вы не можете измерить это, вы не можете улучшить его.
Если ты будешь изучать науку достаточно глубоко и долго, это заставит тебя поверить в Бога.
У меня нет удовлетворения в формулах, если я не чувствую их численную величину.
У меня не было ни минуты покоя или счастья в отношении электромагнитной теории с 28 ноября 1846 года. Всё это время я был подвержен приступам эфирной дипсомании, которые время от времени держались подальше только благодаря строгому воздержанию от размышлений на эту тему.
У меня нет ни малейшей молекулы веры в воздушном судоходстве, кроме воздушного шара или в ожидании хороших результатов от любого из испытаний, о которых мы слышали. Поэтому вы поймете, что я не хотел бы быть членом Авиационного общества .
Мне едва ли нужно сказать, что начало и поддержание жизни на Земле абсолютно и бесконечно выходят за рамки всех разумных предположений в динамической науке. Единственный вклад динамики в теоретическую биологию - это абсолютное отрицание автоматического начала или автоматического поддержания жизни.
В науке есть только физика, все остальное - это коллекционирование марок.
Значительное увеличение стоимости при сомнительном увеличении производительности допустимо только у скаковых лошадей и модных женщин.
Пусть никто не боится истинной свободы мысли. Давайте будем свободны в мыслях и критике; но со свободой мы обязательно придем к выводу, что наука не противостоит Математика - единственная хорошая метафизика.
Математика - единственная настоящая метафизика.
Ничто не может быть более роковым для прогресса, чем слишком уверенное использование математических символов; потому что ученик слишком склонен идти по более легкому курсу и рассматривать формулу, а не факт как физическую реальность.
Огромное количество убедительных доказательств разумного и доброжелательного замысла окружают нас ... атеистическая идея настолько бессмысленна, что я не могу выразить ее словами.
Quaternions пришли из Гамильтона после того, как была проделана его действительно хорошая работа, и, несмотря на прекрасную изобретательность, были несмешанным злом для тех, кто прикоснулся к ним каким-либо образом.
Вопросы личного приоритета, какими бы интересными они ни были для заинтересованных лиц, оказываются незначительными в перспективе любого более глубокого понимания тайн природы.
У радио нет будущего. "" Рентгеновские лучи - явно обман "." Самолет с научной точки зрения невозможен.
Наука обречена на вечную клятву чести безбоязненно решать любую проблему, которая может быть ей честно поставлена.
Научное богатство имеет тенденцию накапливаться в соответствии с законом сложных процентов. Каждое дополнение к знанию свойств материи предоставляет физическому ученому новые инструментальные средства для обнаружения и интерпретации явлений природы, которые, в свою очередь, дают основания для новых обобщений, приносящих постоянную ценность в великое хранилище философии природы.
Упрощение способов доказывания является не только показателем прогресса в нашем знании предмета, но и самой надежной гарантией готовности к дальнейшему прогрессу.
Предположим, что вы можете пометить молекулы в стакане воды; затем вылейте содержимое стакана в океан и тщательно перемешайте его, чтобы равномерно распределить отмеченные молекулы по семи морям; если бы тогда вы взяли стакан воды где-нибудь за океаном, вы бы нашли в нём около сотни ваших помеченных молекул.
Атеистическая идея настолько бессмысленна, что я не понимаю, как выразить это словами.
Тот факт, что математика так хорошо описывает Вселенную, является загадкой, которую мы не понимаем. И долг, который мы, вероятно, никогда не сможем погасить.
Не может быть большей ошибки, чем ошибочный взгляд на практическое применение науки. Жизнь и душа науки - ее практическое применение.
В физике сейчас нет ничего нового. Все, что остается, - это все более и более точное измерение.
Теория вихрей [атома] - это всего лишь сон. Сам по себе бездоказательный, он ничего не может доказать, и любые спекуляции, основанные на нём, являются просто мечтами о мечтах.
Мы знаем Бога только в Его делах, но наука заставляет нас с абсолютной уверенностью признавать и верить в Директивную власть - в влияние, отличное от физических, динамических или электрических сил.
Цивилизованное общество напоминает ребенка, который ко дню своего рождения получил слишком много игрушек.
Рассказывают, что…
Уильям Томсон (Лорд Кельвин) однажды 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, а, стерев еще одну букву в том же слове, молча ушел.
Перевод: Classes – классы (ученики), lasses - любовницы, asses - ослы.
