Томсон ученый. Абсолютный ноль лорда кельвина

Largs, Ayrshire,

Один из величайших физиков. Предки Т. были ирландские фермеры; отец его Джемс Т. (1776-1849), известный математик, был с 1814 г. учителем в Belfast Academical Institution, затем с г. профессор математики в Глазго; известен учебниками по математике, выдержавшими десятки изданий. У. Томсон вместе со старшим братом, Джемсом учились в колледже в , а затем в St. Peter Kollege в , в котором Т. закончил курс наук в г. В г. двадцатидвухлетний Т. занял кафедру теоретической физики в универ. в Глазго. Необыкновенные заслуги Т. в чистой и прикладной науке были вполне оценены его современниками. В г. Т. возведен в дворянское достоинство, в г. королева пожаловала ему пэрство с титулом "лорд Кельвин".

Еще студентом, Т. опубликовал ряд работ по приложению рядов к вопросам физики и в замечательном исследовании "The uniform motion of heat in homogeneous solid and i ts connection with the mathematical theory of electricity" ("The Cambridge math. Journ.", ) провел 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" ( , ibid.) Т. развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, напр., к вопросу об охлаждении земли. В г., находясь в , Т. начинает в журнале Лиувилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики. С г. начинаются работы Т. по , напечатанные в изданиях королевского общества в . В первой из этих работ Т., опираясь на исследования , указывает, как следует изменить принцип , изложенный в сочинении последнего "Réflexions sur la puissance motлее du feu" () для того, чтобы принцип согласовался с современными данными; эта знаменитая работа содержит первую формулировку второго принципа термодинамики. В г. Т. дает другую формулировку его, именно учение об рассеянии энергии (dissipation of energy). В том же году Т. совместно с Джоулем производит известное исследование над охлаждением газов при расширении без совершения работы, которое послужило переходной ступенью от теории газов идеальных к теории действительных газов. Начатая в г. работа по термоэлектричеству ("Electrodynamic Qualities of Metals") вызвала усиленную экспериментальную работу; в работе принимали участие студенты, и это положило начало практическим работам студентов в унив. Глазго - первым в Англии, а также начало лаборатории по физике в Глазго.

В пятидесятых годах Т. заинтересовывается вопросом о трансатлантической телеграфии; побуждаемый неудачами первых пионеров-практиков, Т. теоретически исследует вопрос о распространении электрических импульсов вдоль кабелей и приходит к заключениям величайшей практической важности, давшим возможность осуществить телеграфирование через океан. Попутно, Т. выводит условия существования колебательного электрического разряда (), вновь найденные позже () и легшие в основание всего учения об электрических колебаниях. Экспедиция для прокладки кабеля знакомит Т. с нуждами морского дела и приводит к усовершенствованию и . ( -).

В "Biogr.-Litter. Handwörterbuch Poggendorffa" () праведен список около 250 статей (кроме книг), принадлежащих Т. Упомянем лишь некоторые предметы его работ: термодинамические исследования, приведшие кроме того еще к установлению абсолютной шкалы температур; работы по гидродинамике и теории волн (награждены в г. премией от эдинбургского королевского общ.); работы по термоэлектричеству, приведшие к открытию так наз. "явления Т." - переноса тепла электрическим током; исследования по теории упругости ( -), в которых Т. расширяет теорию шаровых функций; работы по динамической геологии. Не менее замечательна деятельность Т. в практической физике и технике; ему принадлежит изобретение или улучшение многих инструментов, вошедших во всеобщее употребление в науке и технике, как то: зеркального гальванометра, сифон-рекордера, квадрантного и абсолютного электрометров, нормального элемента компаса, лота и множества технических измерительных электрических приборов, между которыми особенно замечательны "ампер-весы", применяемые для выверки электрических приборов; между множеством патентов, взятых Т., встречаются таковые и на чисто практические приспособления, как напр. на водопроводные краны.

Из книг, изданных Т., наибольшею известностью пользуется "Treatise on natural philosophy" (т. 1, вместе с Тэтот, 3-е изд. в г., немец. перев. под ред. ), содержащее блестящее изложение механических основ теоретической физики. Статьи Т. перепечатаны в его "Reprints of papers on electrostatic and magnetism" (), "Mathematical and physical papers" ( -) и "Popular lectures and adresses". В "Encyclopedia Britannica" () помещены две знаменитые статьи Т. - "Elasticity" и "Heat". В этом замечательном ученом соединяется редко проникновенный ум, бесстрашно берущийся за абстрактнейшие вопросы теории, с чисто практической сметкой, приводящей к решению запутаннейших вопросов практики. Т. Англия обязана блестящим состоянием в высших школах ее математической физики; влияние его на развитие этой науки легко проследимо и на деятельности ученых других наций.

Кельвин, Вильям Томсон
(26.06.1824 г. − 17.12.1907 г.)
 Крупнейший английский физик, один из основоположников термодинамики, давший формулировки первого и второго её законов.

Слово «термодинамика » состоит из двух греческих слов: «термо» − «теплота» и «динамис» − «сила». Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах: паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., то есть как наука о превращении тепла в механическое движение, в работу.
 Она до сих пор занимается изучением этих вопросов, но, кроме того, под ее «приглядом» теперь проблемы теории реактивных двигателей, ядерных реакторов и многое другое.
 В процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер фундаментальной физической науки. Ныне объектом ее исследований являются практически любые процессы превращения материи, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества и т.п. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т.д.
 По отношению ко всем этим процессам термодинамика отвечает на три главных вопроса:

1. Возможен ли данный процесс при данных условиях?
2. Если процесс возможен, то в каком направлении (при данных условиях) он пойдет?
3. Чем процесс закончится? Это окончательное, не зависящее уже от времени состояние термодинамика называет состоянием теплового равновесия.

На все эти вопросы термодинамика отвечает с помощью своих законов, составляющих ее основное содержание

В 1848 году ввёл понятие абсолютной температуры и абсолютную шкалу температур (шкалу Кельвина).

Уже, будучи маститым учёным, по заданию правительства руководил прокладкой электрического кабеля по дну Атлантического океана , соединяющего Англию и Америку. Именно за успешное выполнение этой операции В. Томсон был возведён в звание лорда Великобритании. По обычаю к титулу лорда полагалось новое имя.
 Его выбрал сам Томсон и стал лордом Кельвином (по названию речки , на которой стоял его университет). Такое переименование, однако, стало известно не очень большому кругу общественности и иногда приводило к конфузным ситуациям. Многие газетчики на свой лад преподносили уникальные открытия и изобретения новоиспечённого лорда. Один из британских журналов, стремясь восстановить
справедливость, опубликовал заметку следующего содержания:
«Какому-то бессовестному пройдохе, Кельвину, приписали открытие точных гальванометров, хотя всему миру известно, что эти замечательные приборы изобрёл Вильям Томсон» .
 Прожив в физике долгую жизнь, Кельвин был приверженцем классической теории, и все новые открытия на рубеже 19 и 20 веков воспринимал с недоверием, предсказывая им пессимистическое будущее.
 Недавно выпущенная в США книга под ироничным названием «Говорят специалисты» содержит антологию несбывшихся пророчеств. Своеобразным чемпионом по таким пророчествам может по праву считаться лорд Кельвин.
 В 1895 году он утверждал, что «летать на машине тяжелее воздуха − невозможно»,
 двумя годами позже − «у беспроволочного телеграфа нет будущего»,
 а в 1900 году − «рентгеновские лучи − это всего лишь шутка».
 На заре своей творческой деятельности (1848 г .) он писал, что «что невозможно превращение теплоты в механическую энергию».
 До конца своих дней лорд Кельвин сохранял ясность ума и чувство находчивости. Однажды он вынужден был отменить лекцию и написал на доске:
«Professor Thomson will not meet his classes today»
 (Профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими классами). Обрадованные студенты решили подшутить над ним и в слове classes стёрли первую букву. Осталось lasses, что в переводе
означает любовницы. Таким образом, получилось, что «профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими любовницами». На следующий день Томсон, увидев надпись, страшно возмутился и отказался читать лекцию. Но прежде, чем уйти, в том же слове стёр ещё одну букву. Осталось (asses − ослы), что означало «профессор Томсон не сможет встретиться сегодня со своими ослами».

100 знаменитых ученых Скляренко Валентина Марковна

ТОМСОН УИЛЬЯМ, БАРОН КЕЛЬВИН (1824 г. – 1907 г.)

ТОМСОН УИЛЬЯМ, БАРОН КЕЛЬВИН

(1824 г. – 1907 г.)

26 июня 1824 года в ирландском городе Белфасте родился Уильям Томсон – один из величайших физиков в истории науки, человек, который за свои научные достижения был удостоен титула лорда (что, надо сказать, происходило совсем не часто). Его предки были обычными ирландскими фермерами. Правда, Джеймс Томсон, отец Уильяма, окончил университет в Глазго и был довольно известным математиком, преподавал в Королевском академическом институте Белфаста. 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.

В 1832 году Томсон-старший получил должность профессора математики в Глазго, и семья покинула Белфаст. В 1834 году Уильям поступил в университет Глазго, в котором для способных детей преподавались и дисциплины средней школы. 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. Одним из таких новшеств стал метод рядов Фурье, применению которого в физических исследованиях Томсон, будучи еще студентом, посвятил несколько работ. В частности, он применил метод рядов Фурье к изучению закономерностей распространения тепла в различных средах и показал аналогию между распространением тепла и электрического тока.

В 1841 году отец устроил Уильяма в Кембридж. Учился юноша успешно, в 1845 году он получил диплом второго ранглера и выиграл премию Смита. 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 Уильям Томсон сделал одну из первых попыток математически интерпретировать представления Фарадея о близкодействии. В этом году он получил специальную стипендию, благодаря которой смог уехать в Париж, где некоторое время работал в лаборатории известного физика Анри Виктора Раньо. Во Франции Уильям в основном занимался электростатикой и опубликовал ряд работ, в которых, в частности, изложил разработанный им электрический метод получения изображения. Этот метод впоследствии стал очень полезным инструментом во многих электростатических исследованиях.

В 1846 году Томсон получил приглашение возглавить кафедру теоретической физики в Глазго. Уже тогда 23-летний ученый приобрел определенный авторитет и известность в научных кругах. Об этом свидетельствует хотя бы его участие в ежегодном заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в 1847 году, во время которого Уильям услышал доклад Джоуля о теориях теплопередачи. Эта тема его очень заинтересовала и он всерьез занялся термодинамикой. Уже в 1848 году Томсон предложил свою знаменитую термодинамическую шкалу температур (шкалу Кельвина). От других температурных шкал она отличается тем, что в качестве точки отсчета взят абсолютный ноль температуры. Таким образом, шкала эта не зависит от свойств термометрического вещества (вещества, используемого в измеряющем температуру приборе).

В 1851 году Уильям, почти одновременно с Рудольфом Клаузиусом и независимо от него, сформулировал второе начало термодинамики. В формулировке Томсона этот закон звучал так: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершаемая за счет охлаждения теплового резервуара». Отсюда английский ученый сделал далеко идущие выводы: коль скоро механическая энергия может полностью перейти в тепловую, а полное обратное превращение невозможно – в конце концов, вся энергия перейдет в тепловую, а следовательно, механические движения прекратятся. Этот вывод стал известен как «идея о тепловой смерти Вселенной». Следует сказать, что сейчас гипотеза о тепловой смерти Вселенной считается ошибочной, но в любом случае она очень способствовала развитию термодинамики.

Продолжал Уильям Томсон исследовать и электрические явления. В том же 1851 году он сделал еще одно открытие: обнаружил, что при намагничивании ферромагнетиков изменяется их электрическое сопротивление. Это явление получило название эффекта Томсона в ферромагнетиках (о термоэлектрическом эффекте Томсона мы расскажем чуть ниже). Своими работами Уильям привлекал внимание все более широкого круга коллег. 1851 год ознаменовался еще одним значительным событием – Томсона избрали членом Лондонского королевского общества.

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.

В 1852–1856 годах Томсон активно сотрудничал с Джоулем, хотя общались ученые в основном посредством переписки. В 1853–1854 годах они совместно провели серию опытов и обнаружили эффект изменения температуры газа при его адиабатическом расширении. Эффект Джоуля – Томсона может быть положительным (газ охлаждается) и отрицательным (газ нагревается). Помимо научного интереса это явление имеет и практическое применение: оно используется при получении очень низких температур.

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. Одно из них получило название термоэлектрического эффекта Томсона. Заключается он в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, имеется перепад температуры, то помимо процесса нагревания, объясняемого законом Джоуля – Ленца, происходит дополнительное поглощение или выделение тепла (в зависимости от направления тока). 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! К исследованиям термоэлектрических явлений Томсон привлекал и студентов. Благодаря этому начинанию была создана первая в университете Глазго учебно-научная лаборатория.

Очень интересовался английский ученый практическим применением достижений современной ему науки. В 1854 году он получил предложение принять участие в проекте прокладки трансатлантического телеграфного кабеля. Этой работе Томсон посвятил очень много сил и времени, с 1856 года он входил в совет директоров компании «Атлантик Телеграф», участвовал, в основном, во время каникул, в экспедициях по прокладке кабеля. Но наибольшее содействие реализации проекта Томсон оказал своими научными исследованиями. Он изучал закономерности распространения электрических импульсов по проводам, электрические токи в колебательном контуре, разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и в частности вывел одну из основных формул электро– и радиотехники, названную его именем (формула Томсона определяет зависимость периода колебаний контура от емкости его конденсатора и индуктивности катушки).

Конечно же, во время экспедиций такой разносторонний и увлеченный человек, как Томсон, не мог не заинтересоваться вопросами мореплавания. Применение своим изобретательским и научным талантам он нашел и в этой сфере: усовершенствовал конструкции компаса и лота, провел исследования по теории волн и теории приливов и т. д. Вообще же изобретательская деятельность Уильяма Томсона заслуживает отдельного внимания. Он сконструировал и усовершенствовал целый ряд физических приборов: зеркальный гальванометр, квадратный и абсолютный электрометры, был автором и нескольких прикладных изобретений. Например, он запатентовал ондулятор с сифонной подачей чернил, один из видов телеграфного ключа и даже водопроводный кран собственной конструкции.

За участие в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля 10 ноября 1866 года Уильяму Томсону и другим руководителям проекта были присвоены титулы лордов. Эта деятельность отнимала множество сил и времени, и ученому долгое время приходилось ограничиваться только теми исследованиями, которые можно было проводить, не отвлекаясь от нее. Но эта работа очень увлекала Томсона, к тому же он страстно полюбил море. С 1869 года Уильям Томсон принимал участие в прокладке французского атлантического кабеля.

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. В 1892 году за научные заслуги ученый получил титул первого барона Кельвина (это имя было взято от названия реки, протекающей по территории университета Глазго). К сожалению, Уильям стал не только первым, но и последним бароном Кельвином – его второй брак, так же как и первый, оказался бездетным. В 1899 году Кельвин оставил кафедру в Глазго, хотя и не перестал заниматься наукой. В следующем году он выступил с лекцией о кризисе динамической теории света и тепла. Позже ученый интересовался новыми открытиями: рентгеновскими лучами, радиоактивностью и др. Умер лорд Уильям Кельвин 17 декабря 1907 года. Похоронен ученый в Вестминстерском аббатстве, рядом с могилой Исаака Ньютона.