Лорд Кельвин

Лорд Кельвин (англ. Lord Kelvin; полное имя — Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин; 26 июня 1824, Белфаст — 17 декабря 1907, Ларгс, Шотландия) — британский физик, механик и инженер, один из крупнейших учёных XIX века. Известен фундаментальными работами в области термодинамики, электродинамики, гидродинамики, геофизики и теории упругости. Ввёл абсолютную шкалу температур (шкала Кельвина), сформулировал второе начало термодинамики (совместно с Рудольфом Клаузиусом), разработал теорию электромагнитных колебаний и внёс значительный вклад в прокладку трансатлантического телеграфного кабеля. Член Лондонского королевского общества (1851), его президент (1890—1895). Именем учёного названа единица термодинамической температуры — кельвин (К).

Биография

Ранние годы и образование

Уильям Томсон родился в Белфасте (Ирландия) в семье профессора математики Джеймса Томсона. В 1832 году семья переехала в Глазго, где отец получил кафедру в университете. Уильям и его старший брат Джеймс получили домашнее образование, а с 10 лет посещали лекции в университете Глазго. В 1841 году Томсон поступил в Кембриджский университет (колледж Святого Петра), который окончил в 1845 году с отличием, заняв второе место на математическом трайпосе (экзамене на степень бакалавра с отличием). В том же году он отправился в Париж для работы в лаборатории Анри Реньо, где изучал тепловые свойства газов.

Научная карьера

В 1846 году, в возрасте 22 лет, Томсон был назначен профессором натурфилософии (физики) в университете Глазго, где проработал более 50 лет. Он организовал первую в Великобритании физическую лабораторию для студентов, что стало революцией в университетском образовании. В 1850-х годах Томсон активно занимался проблемами термодинамики, а в 1860-х — теорией электромагнетизма и телеграфии.

В 1866 году за заслуги в прокладке трансатлантического кабеля Томсон был посвящён в рыцари. В 1892 году королева Виктория пожаловала ему титул барона Кельвина (по названию реки Кельвин, протекающей через территорию университета Глазго). Умер лорд Кельвин 17 декабря 1907 года в Ларгсе (Шотландия) и был похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Исааком Ньютоном.

Основные научные достижения

Термодинамика

Кельвин является одним из основоположников современной термодинамики. В 1848 году он предложил абсолютную термодинамическую шкалу температур, независимую от свойств рабочего тела. За нуль шкалы была принята температура, при которой прекращается тепловое движение молекул (абсолютный нуль, −273,15 °C). В 1851 году Кельвин сформулировал второе начало термодинамики в виде: «Невозможно получить механическую работу за счёт охлаждения тела ниже температуры самого холодного из окружающих предметов» (формулировка Кельвина — Планка). Совместно с Джеймсом Джоулем он открыл эффект Джоуля — Томсона (изменение температуры газа при дросселировании), который лёг в основу криогенной техники.

Электродинамика и телеграфия

В 1850-х годах Кельвин разработал теорию электрических колебаний в контурах, предвосхитившую работы Генриха Герца. Он вывел формулу для частоты колебаний в LC-контуре (формула Томсона). Кельвин также внёс решающий вклад в прокладку первого трансатлантического телеграфного кабеля (1856—1866). Он разработал теорию распространения сигналов по длинным линиям (телеграфные уравнения), предложил использовать зеркальный гальванометр для приёма слабых сигналов и изобрёл сифонный регистратор для записи телеграмм. За эти работы он получил титул барона.

Гидродинамика и геофизика

Кельвин занимался теорией волн, вихрей и приливов. Он разработал математическую модель вихревого движения в идеальной жидкости (теорема Кельвина о циркуляции). В геофизике он оценил возраст Земли на основе теплопроводности горных пород, получив значение от 20 до 400 миллионов лет (позднее оказалось, что оценка занижена из-за неучтённого радиоактивного распада). Кельвин также изучал фигуру Земли, приливы и магнетизм.

Изобретения и приборы

Кельвин был выдающимся инженером-изобретателем. Он запатентовал более 70 изобретений, в том числе:

• Зеркальный гальванометр (1858) — высокочувствительный прибор для измерения слабых токов, использовавшийся в телеграфии.
• Сифонный регистратор (1867) — устройство для автоматической записи телеграфных сигналов на бумажную ленту.
• Компас Кельвина (1870-е) — усовершенствованный морской компас с компенсацией магнитных помех от железного корпуса судна.
• Глубиномер (звуковой эхолот) — устройство для измерения глубины моря с помощью звуковых сигналов.
• Электрометр (квадрантный электрометр) — прибор для измерения электрического потенциала.

Критика и ошибки

Несмотря на огромный вклад в науку, Кельвин допускал и серьёзные ошибки. Он категорически отвергал теорию эволюции Дарвина (хотя и признавал геологические изменения) и считал, что возраст Земли не может превышать 100 миллионов лет, что противоречило данным биологии и геологии. Кельвин также скептически относился к теории электромагнитного поля Максвелла и к открытию рентгеновского излучения. В 1900 году он заявил, что «в физике не осталось ничего нового, что можно было бы открыть», — заявление, которое вскоре было опровергнуто теорией относительности и квантовой механикой.

Память

• Единица термодинамической температуры в Международной системе единиц (СИ) — кельвин (К) — названа в честь лорда Кельвина.
• Имя учёного носят: мыс Кельвина в Антарктиде, лунный кратер, астероид (8004) Кельвин, а также ряд учебных заведений и научных премий.
• В 1911 году в Глазго был установлен памятник лорду Кельвину.
• Портрет Кельвина изображён на банкноте Банка Шотландии номиналом 100 фунтов стерлингов (серия 2019 года).

Источники

• С. И. Вавилов. «Лорд Кельвин и его работы». — М.: Издательство АН СССР, 1946.
• Дж. Г. Кроутер. «Уильям Томсон, барон Кельвин». — Лондон: Oxford University Press, 1939.
• Б. И. Спасский. «История физики». — М.: Высшая школа, 1977. — Т. 1.
• P. M. Harman. «The Natural Philosophy of James Clerk Maxwell». — Cambridge University Press, 1998.