Уильям Томсон

Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин (англ. William Thomson, 1st Baron Kelvin; 26 июня 1824, Белфаст — 17 декабря 1907, Ларгс) — британский физик, механик и инженер, один из крупнейших учёных XIX века. Известен фундаментальными работами в области термодинамики, электродинамики, механики сплошных сред, геофизики и морской навигации. Ввёл абсолютную шкалу температур (шкала Кельвина), сформулировал второе начало термодинамики (совместно с Рудольфом Клаузиусом), разработал теорию электромагнитных колебаний. Член Лондонского королевского общества (1851), его президент (1890—1895). За заслуги перед наукой и промышленностью получил титул барона Кельвина (1892).

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 с детства проявляли выдающиеся способности к математике. В 10 лет Уильям поступил в Университет Глазго, а в 1841 году — в Кембриджский университет (колледж Святого Петра). В 1845 году окончил его с отличием, получив степень бакалавра искусств.

Научная карьера

В 1846 году, в возрасте 22 лет, Томсон был назначен профессором натурфилософии (физики) Университета Глазго, где проработал более 50 лет. Под его руководством кафедра стала одним из ведущих мировых центров физических исследований.

В 1850-х годах Томсон активно занимался проблемами термодинамики. В 1851 году он опубликовал работу «О динамической теории тепла», в которой дал одну из первых формулировок второго начала термодинамики. В 1848 году он предложил абсолютную термодинамическую шкалу температур, не зависящую от свойств термометрического вещества.

В 1850-х — 1860-х годах Томсон внёс значительный вклад в электродинамику. Совместно с Джеймсом Клерком Максвеллом и другими учёными он разрабатывал математический аппарат для описания электрических и магнитных явлений. В 1853 году он вывел формулу для периода собственных колебаний электрического контура (формула Томсона), что стало основой для теории электромагнитных волн.

Трансатлантический телеграф

Одним из важнейших практических достижений Томсона стало участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля (1856—1866). Он разработал высокочувствительный зеркальный гальванометр для приёма слабых сигналов, а также математическую теорию распространения сигналов по длинным кабелям (телеграфные уравнения). За эти работы он был посвящён в рыцари в 1866 году.

Поздние годы и титул

В 1890-х годах Томсон занимался проблемами геофизики, в том числе оценкой возраста Земли. На основе термодинамических расчётов он оценил возраст Земли в 20—400 миллионов лет, что вызвало дискуссию с геологами и биологами, отстаивавшими гораздо больший возраст. Позднее открытие радиоактивного распада показало, что расчёты Томсона были занижены.

В 1892 году за научные и инженерные заслуги королева Виктория пожаловала ему титул барона Кельвина (по названию реки Кельвин, протекающей через Университет Глазго). Умер в 1907 году в Ларгсе (Шотландия). Похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Исааком Ньютоном.

Научные достижения

Термодинамика

Томсон внёс решающий вклад в формулировку второго начала термодинамики. Его формулировка (1851) гласит: «Невозможно получить механическую работу за счёт охлаждения тела ниже температуры самого холодного из окружающих тел». Он также ввёл понятие абсолютной температуры (шкала Кельвина) и разработал теорию термоэлектрических явлений (эффект Томсона — выделение или поглощение тепла при прохождении тока в проводнике с градиентом температуры).

Электродинамика

В 1853 году Томсон вывел формулу для периода электрических колебаний в контуре: \( T = 2\pi\sqrt{LC} \), где \( L \) — индуктивность, \( C \) — ёмкость. Эта формула лежит в основе всей радиотехники. Он также разработал теорию распространения электромагнитных волн в проводящих средах и ввёл понятие скин-эффекта.

Телеграфия

Томсон создал математическую модель распространения сигналов по длинным линиям связи (телеграфные уравнения). Он показал, что скорость передачи сигналов ограничена индуктивностью и ёмкостью кабеля, и предложил методы её увеличения. Разработанный им зеркальный гальванометр позволял регистрировать сигналы, ослабленные после прохождения тысяч километров кабеля.

Геофизика и механика

Томсон занимался теорией приливов, разработал метод гармонического анализа приливных колебаний. Он оценил возраст Земли, исходя из скорости её остывания, и предложил модель внутреннего строения Земли. В механике он внёс вклад в теорию вихрей (теорема Томсона о циркуляции скорости) и теорию упругости.

Признание и наследие

Награды и звания

• Член Лондонского королевского общества (1851), президент (1890—1895).
• Рыцарь-бакалавр (1866).
• Барон Кельвин (1892).
• Орден Заслуг (1902).
• Медаль Копли (1883), медаль Гельмгольца (1892) и другие.

Память

Именем Уильяма Томсона названа единица измерения температуры в Международной системе единиц (СИ) — кельвин (К). Его имя носит кратер на Луне, а также ряд учебных заведений и научных премий. В 1911 году в Глазго был открыт памятник учёному.

Критика и дискуссии

Некоторые идеи Томсона, в частности его оценка возраста Земли, были оспорены ещё при его жизни. Геологи и биологи, такие как Чарльз Дарвин, указывали на несоответствие его расчётов данным палеонтологии и геологии. Позднее выяснилось, что Томсон не учитывал радиоактивный распад, который является дополнительным источником тепла в недрах Земли. Современные оценки возраста Земли составляют около 4,54 миллиарда лет.

Томсон также скептически относился к теории электромагнитных волн Максвелла и к возможности радиосвязи, хотя его собственные работы заложили её основы.

Интересные факты

• Томсон был известен своей эксцентричностью: он мог внезапно прервать лекцию, чтобы провести эксперимент, и часто носил с собой набор инструментов.
• Он был одним из первых учёных, активно использовавших математические модели для решения инженерных задач.
• Томсон был убеждённым сторонником эфирной теории света и до конца жизни не принял теорию относительности Эйнштейна.

Источники

• Dictionary of Scientific Biography. Vol. 13. — New York: Charles Scribner's Sons, 1976.
• Smith, C.; Wise, M. N. Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin. — Cambridge University Press, 1989.
• Thomson, W. (Lord Kelvin). Mathematical and Physical Papers. — Cambridge University Press, 1882—1911.
• Кудрявцев, П. С. Курс истории физики. — М.: Просвещение, 1982.