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数学家传记

开尔文William Thomson, 1st Baron Kelvin

出生
1824年6月26日 爱尔兰贝尔法斯特
逝世
1907年12月17日 苏格兰艾尔郡内瑟霍尔(拉格斯附近)

William Thomson(开尔文)在非常年轻时就成为格拉斯哥的自然哲学教授。他对物理学的许多领域做出了重要贡献,包括电学、磁学和热力学。他在第一条跨大西洋电报电缆上的工作使他发了财。

完整传记

William Thomson的父亲詹姆斯·汤姆森原本打算成为长老会教堂的牧师,但后来选择了数学家的学术生涯。开尔文的母亲在他六岁时去世,从那时起由父亲抚养长大。开尔文出生时,詹姆斯·汤姆森是贝尔法斯特的工程学教授,当开尔文八岁时,他的父亲詹姆斯·汤姆森被任命为格拉斯哥大学的数学讲席。詹姆斯·汤姆森是一位专制的父亲,以严格的长老会方式抚养家人。开尔文的姐姐这样描述这段童年[5]:-

我们的父亲每周日早上定期给我们读《旧约》中的一些章节,晚上读《新约》中的一些章节。

然而,尽管父亲非常严格,他与开尔文的关系却非常亲密。开尔文从父亲那里学习数学,并在很小的时候就成为一名有造诣的数学家,了解该学科的最新发展。

开尔文从10岁起就读于格拉斯哥大学。这个年龄并不像人们想象的那么不寻常,因为当时苏格兰的大学在某种程度上与学校竞争最聪明的低龄学生。汤姆孙于1838年14岁时开始了我们会认为是大学水平的工作。在1838-39学年,他学习了天文学和化学。第二年,他修读了自然哲学课程(今天称为物理学),其中包括对热、电和磁的研究。他15岁时,他的Essay on the Figure of the Earth为他赢得了格拉斯哥大学的金质奖章,这是一部真正卓越的著作,包含重要的思想,汤姆孙一生中反复回到这些思想。

在1839-40学年结束时,汤姆逊阅读了约瑟夫·傅里叶The Analytical Theory of Heat,这是一部关于抽象数学应用于热流的工作。他后来写道[10]:-

我从大学图书馆借出了约瑟夫·傅里叶;两周内我就掌握了它——通读了一遍。

事实上,当时格拉斯哥的讲师们对法国数学处理物理科学的方法有着浓厚的兴趣。特别是约瑟夫·拉格朗日皮埃尔·西蒙·拉普拉斯阿德里安-马里·勒让德奥古斯丁·菲涅耳约瑟夫·傅里叶的著作受到了“崇敬”的对待,用汤姆逊后来用来描述他的讲师们对这些法国数学家的态度的词来说。事实上,汤姆逊在1839-40学年还阅读了皮埃尔·西蒙·拉普拉斯Mécanique céleste,并在此期间访问了巴黎。威尔逊在[11]中这样描述汤姆逊在格拉斯哥的本科岁月:-

……从1838年到1841年,开尔文似乎已经彻底熟悉了热、电和磁的现象。Meikleham[自然哲学教授]显然鼓励对自然哲学的这些分支采取某种统一的观点。他的教授们不仅让他接触到许多现代实验和数学研究,而且还阐明了将物理理论数学化的理想,尽管他们中没有一个人本人精通这门技艺。

1841年,汤姆孙进入剑桥,同年他的第一篇论文发表。这篇论文Fourier's expansions of functions in trigonometrical series是为了捍卫约瑟夫·傅里叶的数学,反驳爱丁堡大学数学教授的批评。一篇更重要的论文On the uniform motion of heat and its connection with the mathematical theory of electricity于1842年发表,当时汤姆孙正在剑桥准备数学荣誉学位考试。

在剑桥,汤姆孙由威廉·霍普金斯辅导,他是一位著名的剑桥辅导教师,比讲师发挥了更重要的作用。尽管查尔斯·巴贝奇乔治·皮科克约翰·赫歇尔努力将新的法国数学引入剑桥,但汤姆孙所参加的数学荣誉学位考试的风格仍然有很多不足之处。约翰·赫歇尔查尔斯·巴贝奇在1825年对磁进行了一些实验,发展了弗朗索瓦·阿拉戈引入的方法,但热、电或磁的内容都没有进入荣誉学位考试的大纲。

汤姆孙于1845年参加了数学荣誉学位考试的最后部分。他毕业获得学士学位,并且是第二名数学荣誉学位考试一等及格者(Wrangler)(在获得一等学位者的名单中排名第二)。进一步的考试使他成为第一位史密斯奖得主,并当选为彼得学院的会士。同样在1845年,汤姆孙阅读了乔治·格林的著作,这对他研究方向产生了重大影响。他对法国方法的兴趣以及父亲的建议,意味着在获得学位后汤姆孙去了巴黎。在那里,他在亨利-维克多·勒尼奥的物理实验室工作,并很快参与了与让-巴蒂斯特·毕奥奥古斯丁·路易·柯西约瑟夫·刘维尔、杜马和雅克·夏尔·弗朗索瓦·施图姆的深入讨论。

也许汤姆孙在巴黎最有收获的讨论是与约瑟夫·刘维尔进行的。正是在约瑟夫·刘维尔的要求下,汤姆孙开始尝试将麦可·法拉第夏尔·奥古斯丁·德·库仑西莫恩·德尼·泊松关于电学的思想结合起来。‘超距作用’或‘以太’性质的思想,以及‘电流体’的思想,难以统一。存在这样的问题:‘电流体’是否是一个具有流体性质的真正物理实体。汤姆孙被引导去研究物理科学的整个方法论,将理论的‘物理’部分与‘数学’部分区分开来。

1846年,格拉斯哥的自然哲学讲席空缺。汤姆孙的父亲利用他在大学中的影响力帮助儿子成为该职位的主要候选人。汤姆孙从巴黎回到格拉斯哥,并于1846年一致当选为该校自然哲学教授。1847—49年,他与乔治·加布里埃尔·斯托克斯合作进行流体动力学研究,汤姆孙将其应用于电学和原子论。与乔治·加布里埃尔·斯托克斯的这一合作持续了五十多年,期间频繁交换关于科学问题的信件。其中许多信件保存了下来,例如汤姆孙致乔治·加布里埃尔·斯托克斯的407封信和乔治·加布里埃尔·斯托克斯致汤姆孙的249封信的副本已经出版。这些信件中有许多讨论了热理论与流体理论中的数学相似性。例如,乔治·加布里埃尔·斯托克斯在1847年写信给汤姆孙(例如见[11]):——

适用于热、流体运动和吸引力的数学考虑之间存在着多么密切的关系。

汤姆孙的热力学研究使他在1848年提出了绝对温标。他提出的绝对温标基于他对热理论的研究,特别是萨迪·卡诺提出、后来由埃米尔·克拉佩龙发展的理论。现在所称的开尔文绝对温标,是在能量守恒得到更好理解之后很久才被精确定义的。它的名称来自汤姆孙1892年从英国政府获得的拉格斯开尔文头衔,并因汤姆孙在这篇1848年论文中的提议而以他命名。

汤姆孙关于热的工作及其不足之处,在[16]中有充分描述。作者总结了他的结论:——

……汤姆孙在1849年至1852年间发表了三篇关于热的理论的有影响力的论文。然而,科学史家已经注意到汤姆孙在调和詹姆斯·普雷斯科特·焦耳表述的一个原理与萨迪·卡诺表述的另一个原理时所遇到的困难,以及汤姆孙在计算中所犯的错误。与此同时,鲁道夫·克劳修斯调和了这两个原理,并在1854年推导出了卡诺原理的一个表达式。……对鲁道夫·克劳修斯的推理来说,根本的一点是,他把卡诺原理作为一种“恢复”条件的意义推到了其最终结论。汤姆孙不知怎么竟让“恢复”的意义从他那里溜走了。他的麻烦由此而来。他似乎被自己最初的困难所困扰,以致把重点放在不可逆性和能量守恒上,而遗漏了“其余的一切”。

1852年,汤姆孙观察到如今被称为焦耳-汤姆孙效应的现象,即气体在真空中膨胀时温度下降。焦耳关于热的观念在随后几年里改变了汤姆孙的观点。汤姆孙逐渐相信了热的动力理论,并在1872年写到他自己的观点是如何被引向这一进路的(例如见[1]):-

……[1847年之前]我并不知道运动正是迄今被称为物质的东西的本质。在1847年于牛津举行的英国协会会议上,我从焦耳那里学到了热的动力理论,并被迫立刻放弃许多关于表面静止现象终极原因的静态成见,随后又逐年放弃其余所有此类成见。

热的动力理论还使汤姆孙想到为电和磁建立一种动力理论。1856年,他把一篇关于这一主题的论文寄给伦敦皇家学会,题为Dynamical illustrations of the magnetic and helicoidal rotary effects of transparent bodies on polarised light。几年后,他用以下的话解释了自己关于电的概念(见[1]):-

……我们可以设想,电本身不应被理解为物质的一种偶性,而应被理解为物质的本质。无论电是什么,看来相当确定的是,运动中的电就是热;而这种运动中某种旋转轴的一致排列就是磁……

汤姆孙1856年关于电和磁的这项工作很重要,因为正是这些思想引导詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发展出他那非凡的电磁学新理论。人们可能会以为汤姆孙会热切支持詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的理论,因为汤姆孙自己的工作帮助创造了这一理论,但事实并非如此。汤姆孙有自己的想法,他希望这些想法会导致一种统一理论,而他的想法使他越来越远离接受詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的那些想法。汤姆孙于1867年发表的On vortex motion阐述了他的想法。这篇论文开头写道:-

本文的数学工作是为了说明这样一个假设:空间连续地充满一种不可压缩、无摩擦且不受任何力作用的流体,而各种物质现象都仅仅依赖于在这种流体中产生的运动。

然而,汤姆孙最初希望他的理论能够解释电磁学、光、引力和化学过程的愿望逐渐破灭了。在[25]中,作者论证了汤姆孙电磁工作的重要性,尽管它最终失败了:-

我们想强调汤姆孙在电磁场理论中常常被低估的功绩。W 汤姆孙是第一个试图用数学方法处理麦可·法拉第的力线概念的人,他不仅通过他的著作,也通过他的个人倡议,将詹姆斯·克拉克·麦克斯韦引入电磁场问题。

汤姆孙传记的作者[30]提出这样一种观点:在汤姆孙职业生涯的前半段,他似乎不可能犯错,而在后半段,他似乎不可能正确。这似乎过于极端,但汤姆孙拒绝接受原子、反对达尔文的理论、对地球和太阳年龄的错误推测,以及反对卢瑟福的放射性思想,确实使他在职业生涯后期的许多争论中处于失败的一方。

研究过汤姆孙的一些研究贡献之后,让我们评论一下他引入格拉斯哥大学教学中的创新。他把实验室工作引入学位课程,同时使这部分工作与数学方面保持区分。他通过提供奖品来鼓励最优秀的学生。有些奖品授予最好的学生,通过在学生中组织投票来决定获奖者。还有一些奖品由汤姆孙授予他认为最值得的学生。

汤姆孙不仅在他的研究中采取统一的物理世界观,而且把这一点带入他的教学。他的一位学生听过汤姆孙1859—60年的讲座,写道(见[11]):-

他的冲动是把各种现象联系起来并得出它们背后的原理,这使他对那些仍处于观察阶段、尚未纳入力学定律的科学分支有些不耐烦。因此,他课程中最精彩、最有分量的部分在最后,那时他总结自己的教学并概括能量以及各种物理力之间的关联……

汤姆逊另一项著名的工作是他与彼得·格思里·泰特合作的项目,他们于19世纪60年代初开始撰写那部著名的著作Treatise on Natural Philosophy。他们通过来回邮寄笔记本的方式合作完成这项庞大的工程,汤姆逊设想这部著作将涵盖所有物理理论。原计划写很多卷,但最终只写成了前两卷,涵盖运动学和动力学。这些非凡的卷册成为许多代科学家的标准教材。

汤姆孙最大的名声来自一件我们尚待讨论的事件。他一直对改进物理仪器极感兴趣,汤姆孙设计并实现了许多新装置,其中包括用于跨大西洋海底电缆首次成功持续电报传输的镜式电流计。19世纪50年代中期,汤姆孙加入了一群实业家,参与一个在爱尔兰和纽芬兰之间铺设海底电缆的项目。他在这个项目中担任了多种角色,既是董事会成员,也是电学理论问题的顾问。

负责操作实际事务的电工是E O W Whitehouse,他不顾汤姆孙的建议,坚持使用自己的系统。电缆于1858年成功铺设,前一年的一次尝试因电缆断裂而失败。在最初传输信号遇到困难之后,情况突然明显改善,Whitehouse声称他的系统取得了成功。然而很快人们发现,他用自己的仪器替换了汤姆孙的镜式电流计,Whitehouse、汤姆孙和其他董事之间爆发了激烈的争吵。1865年第三次铺设电缆时完全采用了汤姆孙的仪器,这次证明非常成功,可以快速传输信号。

由于他在跨大西洋电缆方面的工作,汤姆森于1866年被封为爵士,并于1892年被封为拉格斯的开尔文。开尔文是流经格拉斯哥大学校园的河流,而拉格斯是汤姆森在苏格兰海岸建造房屋的城镇。除了名声之外,他参与电报电缆项目还通过他的电缆专利和咨询带来了巨额个人财富。他能够买下一艘126吨的游艇(拉拉 Rookh)以及一栋带有周围庄园的漂亮房子。Glasgow Herald自豪地宣称电缆的成功[10]:-

杰出的电学家汤姆逊教授——若没有他鼓舞人心的天才,这项伟大事业便不会如此轻易地实现——难道不是格拉斯哥人吗?而用于测试和运行电缆的主要电气仪器,难道不是由本城的光学仪器制造商怀特先生制造的——尽管是在汤姆逊教授的指导下?

汤姆逊发表了600多篇论文。他于1851年当选为皇家学会会士,1856年获得其皇家奖章,1883年获得其科普利奖章,并于1890年至1895年担任其主席。除了在皇家学会的活动之外,正如人们对这样一位杰出的苏格兰教授所期望的那样,他多年来一直为爱丁堡皇家学会服务。他曾三次担任该学会主席,第一次是1873年至1878年,第二次是1886年至1890年,第三次是1895年至1907年去世。汤姆逊还担任了第三个学会的主席,他于1871年当选为英国协会 for the Advancement of Science主席。

汤姆逊作为讲师的才能则不那么令人印象深刻[3]:-

作为讲师,他颇容易让自己的主题牵着走。当这种情况发生时,时间限制就变得无关紧要了,而他的听众对他所讲的内容理解甚少,只好满足于钦佩他举止中那种不安分的活泼(他轻微的跛足反而更突出了这一点),以及他沉醉于手头问题错综复杂之处时的那份热切兴致。

参考文献

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