«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…»
У. Томсон (лорд Кельвин)
В наши дни Колледж Сквер в Белфасте, столице Северной Ирландии, всего лишь ничем не примечательный ряд домов, выходящих окнами магазинов на улицу, по которой идет поток автомашин. Но именно в одном из этих домов 26 июня 1824 г. родился Уильям Томсон, позднее лорд Кельвин, может быть, самый заметный ученый викторианской эпохи. Он был одним из пионеров современной физики, создателем той области науки, которую сейчас называют термодинамикой.
Он также оценил возраст Земли, конструировал морские компасы и принимал заметное участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Томсон получил образование в университетах Глазго и Кембриджа, и с 1846 до 1899 г. был профессором натуральной философии в университете Глазго. Он был избран членом Королевского общества в 1851 году, посвящен в рыцари в 1866 г., получил звание пэра и титул лорда Кельвина в 1892 г. Прожив долгую и счастливую жизнь, лорд Кельвин скончался 17 декабря 1907 г.в своем доме вблизи Ларга в Шотландии в возрасте 83 лет.
Заслуги перед наукой этого короля физики викторианской эпохи неоспоримо велики, и его прах по праву покоится в Вестминстерском аббатстве рядом с прахом Исаака Ньютона.
Биография
Отец Уильяма, Джеймс Томсон, сын фермера, был во многом самоучкой. После долгих лет упорного труда он достиг положения профессора математики в академическом институте Белфаста. Семья перебралась в Шотландию, где отец стал профессором математики в университете Глазго. В 1834 г. Томсон, которому было 10 лет, и его 12-летний брат Джеймс поступили в этот университет.
Уильям постоянно был первым по математике и естествознанию. Редкостные способности Томсона к математике проявились уже в ранние годы, так что было ясно, что ему следует продолжить обучение в Кембридже.
В октябре 1841 г. 17-летний Томсон поступил в колледж св. Петра в Кембридже как «пенсионер», иными словами, как студент, самостоятельно оплачивающий свое обучение. Пока Томсон жил в Кембридже, семьи его отец регулярно с ним переписывался. 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. В июне 1845 г. Томсон был избран членом колледжа св. Петра.
Смерть Уильяма Мейклхема
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.
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 «.
Жаркие дебаты
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.
Возраст Земли
В июне 1851 г., как раз незадолго до 27-летия научные достижения Томсона были отмечены избранием в члены Королевского общества.
Известными стали взгляды Томсона на тепловую историю Земли. Его интерес к этому вопросу пробудился в 1844 г., когда он был еще студентом младшего курса в Кембридже.
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. Математическое описание потока теплоты соединило его работы по термодинамике, охлаждению Земли и даже распространению сигналов по телеграфным проводам.
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. 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!
В 1884 г. Томсон отправился в Северную Америку. Ему 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.
В самом конце XIX в., 27 апреля 1900 г., лорд Кельвин прочел ставшую знаменитой лекцию в Королевском институте, 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.
Лорд Кельвин умер 17 декабря 1907 г.