威廉·湯姆森（英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家、工程師）
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威廉·湯姆森
英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家、工程師
威廉·湯姆森（William Thomson），第一代開(kāi)爾文男爵（1st Baron Kelvin），又稱(chēng)開(kāi)爾文勛爵（Lord Kelvin）。生于1824年6月26日的愛(ài)爾蘭貝爾法斯特，卒于1907年12月17日的蘇格蘭拉格斯。為英國(guó)的數(shù)學(xué)物理學(xué)家、工程師。也是熱力學(xué)溫標(biāo)（絕對(duì)溫標(biāo)）的發(fā)明人，被稱(chēng)為熱力學(xué)之父。
生平簡(jiǎn)介
1846年開(kāi)爾文被選為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，自然哲學(xué)在當(dāng)時(shí)是物理學(xué)的別名。開(kāi)爾文擔(dān)任教授53年之久，到1899年才退休。1904年他出任格拉斯哥大學(xué)校長(zhǎng)，直到逝世。
1824年6月26日開(kāi)爾文生于愛(ài)爾蘭的貝爾法斯特。他從小聰慧好學(xué)，10歲時(shí)就進(jìn)格拉斯哥大學(xué)預(yù)科學(xué)習(xí)。17歲時(shí)，曾立志：“科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息”。1845年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，在大學(xué)學(xué)習(xí)期間曾獲蘭格勒獎(jiǎng)金第二名，史密斯獎(jiǎng)金第一名。畢業(yè)后他赴巴黎跟隨物理學(xué)家和化學(xué)家V.勒尼奧從事實(shí)驗(yàn)工作一年，1846年受聘為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)（物理學(xué)當(dāng)時(shí)的別名）教授，任職達(dá)53年之久。由于裝設(shè)第一條大西洋海底電纜有功，英政府于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開(kāi)爾文勛爵，開(kāi)爾文這個(gè)名字就是從此開(kāi)始的。1890～1895年任倫敦皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1877年被選為法國(guó)科學(xué)院院士。1904年任格拉斯哥大學(xué)校長(zhǎng)，直到1907年12月17日在蘇格蘭的內(nèi)瑟霍爾逝世為止。
開(kāi)爾文研究范圍廣泛，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等方面都做出了貢獻(xiàn)。他一生發(fā)表論文多達(dá)600余篇，取得70種發(fā)明專(zhuān)利，他在當(dāng)時(shí)科學(xué)界享有極高的名望，受到英國(guó)本國(guó)和歐美各國(guó)科學(xué)家、科學(xué)團(tuán)體的推崇。他在熱學(xué)、電磁學(xué)及它們的工程應(yīng)用方面的研究最為出色。
開(kāi)爾文是熱力學(xué)的主要奠基人之一，在熱力學(xué)的發(fā)展中作出了一系列的重大貢獻(xiàn)。他根據(jù)蓋-呂薩克、卡諾和克拉珀龍的理論于1848年創(chuàng)立了熱力學(xué)溫標(biāo)。他指出：“這個(gè)溫標(biāo)的特點(diǎn)是它完全不依賴(lài)于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)。”這是現(xiàn)代科學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。他是熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)主要奠基人之一（另一個(gè)是克勞修斯），1851年他提出熱力學(xué)第二定律：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)?/span>有用功而不產(chǎn)生其他影響。”這是公認(rèn)的熱力學(xué)第二定律的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法。并且指出，如果此定律不成立，就必須承認(rèn)可以有一種永動(dòng)機(jī)，它借助于使海水或土壤冷卻而無(wú)限制地得到機(jī)械功，即所謂的第二種永動(dòng)機(jī)。他從熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢(shì)。1852年他與焦耳合作進(jìn)一步研究氣體的內(nèi)能，對(duì)焦耳氣體自由膨脹實(shí)驗(yàn)作了改進(jìn)，進(jìn)行氣體膨脹的多孔塞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了焦耳－湯姆孫效應(yīng)，即氣體經(jīng)多孔塞絕熱膨脹后所引起的溫度的變化現(xiàn)象。這一發(fā)現(xiàn)成為獲得低溫的主要方法之一，廣泛地應(yīng)用到低溫技術(shù)中。1856年他從理論研究上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過(guò)時(shí)，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱(chēng)為湯姆孫熱）。這一現(xiàn)象后叫湯姆孫效應(yīng)。
在電學(xué)方面，湯姆孫以極高明的技巧研究過(guò)各種不同類(lèi)型的問(wèn)題，從靜電學(xué)到瞬變電流。他揭示了傅里葉熱傳導(dǎo)理論和勢(shì)理論之間的相似性，討論了法拉第關(guān)于電作用傳播的概念，分析了振蕩電路及由此產(chǎn)生的交變電流。他的文章影響了麥克斯韋，后者向他請(qǐng)教，希望能和他研究同一課題，并給了他極高的贊譽(yù)。
開(kāi)爾文在電磁學(xué)理論和工程應(yīng)用上研究成果卓著。1848年他發(fā)明了電像法，這是計(jì)算一定形狀導(dǎo)體電荷分布所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)問(wèn)題的有效方法。他深入研究了萊頓瓶的放電振蕩特性，于1853年發(fā)表了《萊頓瓶的振蕩放電》的論文，推算了振蕩的頻率，為電磁振蕩理論研究作出了開(kāi)拓性的貢獻(xiàn)。他曾用數(shù)學(xué)方法對(duì)電磁場(chǎng)的性質(zhì)作了有益的探討，試圖用數(shù)學(xué)公式把電力和磁力統(tǒng)一起來(lái)。1846年便成功地完成了電力、磁力和電流的“力的活動(dòng)影像法”，這已經(jīng)是電磁場(chǎng)理論的雛形了（如果再前進(jìn)一步，就會(huì)深入到電磁波問(wèn)題）。他曾在日記中寫(xiě)道：“假使我能把物體對(duì)于電磁和電流有關(guān)的狀態(tài)重新作一番更特殊的考察，我肯定會(huì)超出我現(xiàn)在所知道的范圍，不過(guò)那當(dāng)然是以后的事了。”他的偉大之處，在于能把自己的全部研究成果，毫無(wú)保留地介紹給了麥克斯韋，并鼓勵(lì)麥克斯韋建立電磁現(xiàn)象的統(tǒng)一理論，為麥克斯韋最后完成電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ)。
他十分重視理論聯(lián)系實(shí)際。1875年預(yù)言了城市將采用電力照明，1879年又提出了遠(yuǎn)距離輸電的可能性。他的這些設(shè)想以后都得以實(shí)現(xiàn)。1881年他對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了改造，大大提高了電動(dòng)機(jī)的實(shí)用價(jià)值。在電工儀器方面，他的主要貢獻(xiàn)是建立電磁量的精確單位標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)各種精密的測(cè)量?jī)x器。他發(fā)明了鏡式電流計(jì)（大大提高了測(cè)量靈敏度）、雙臂電橋、虹吸記錄器（可自動(dòng)記錄電報(bào)信號(hào)）等等，大大促進(jìn)了電測(cè)量?jī)x器的發(fā)展。根據(jù)他的建議，1861年英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)設(shè)立了一個(gè)電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，為近代電學(xué)量的單位標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。在工程技術(shù)中，1855年他研究了電纜中信號(hào)傳播情況，解決了長(zhǎng)距離海底電纜通訊的一系列理論和技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)三次失敗，歷經(jīng)兩年的多方研究與試驗(yàn)，終于在1858年協(xié)助裝設(shè)了第一條大西洋海底電纜，這是開(kāi)爾文相當(dāng)出名的一項(xiàng)工作。他善于把教學(xué)、科研、工業(yè)應(yīng)用結(jié)合在一起，在教學(xué)上注意培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力。在格拉斯哥大學(xué)他組建了英國(guó)第一個(gè)為學(xué)生用的課外實(shí)驗(yàn)室。
湯姆孫還將物理學(xué)用到完全不同的領(lǐng)域。他研究過(guò)太陽(yáng)熱能的起源和地球的熱平衡。他的方法可靠而有趣，但只由于他不知道太陽(yáng)和地球上的能量來(lái)自核能，因而不可能得到正確的結(jié)論。他試圖用落到太陽(yáng)上的隕石或用引力收縮來(lái)解釋太陽(yáng)熱能的起源。約在1854年，他估算太陽(yáng)的"年齡"小于5×10^8年，而這只是我們現(xiàn)在知道的值的十分之一。
從地球表面附近的溫度梯度，湯姆孫試圖推算出地球熱的歷史和年齡。他的估算仍然太低，僅為4×108年，而實(shí)際值約為5×109年。地質(zhì)學(xué)家以地質(zhì)現(xiàn)象的演變?yōu)槔碚摳鶕?jù)，很快就發(fā)現(xiàn)他的估算是錯(cuò)誤的。他們不能駁倒湯姆孫的數(shù)學(xué)，但他們肯定他的假定是錯(cuò)誤的。同樣，生物學(xué)家也發(fā)現(xiàn)湯姆孫給出的時(shí)間進(jìn)程與最新的進(jìn)化論的觀念相悖。這一爭(zhēng)論持續(xù)了多年，湯姆孫完全不理解別人的反對(duì)意見(jiàn)是正確的。最后，直到放射性和核反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，才證明了湯姆孫假設(shè)的前提是完全錯(cuò)誤的。
流體力學(xué)特別是其中的渦旋理論成為湯姆孫最喜愛(ài)的學(xué)科之一，他受亥姆霍茲工作的啟示，發(fā)現(xiàn)了一些有價(jià)值的定理。他航行的收獲之一是在1876年發(fā)明了適用于鐵船的特殊羅盤(pán)，這一發(fā)明后來(lái)為英國(guó)海軍所采用，而且一直用到被現(xiàn)代回轉(zhuǎn)羅盤(pán)代替為止。湯姆孫的企業(yè)生產(chǎn)了許多磁羅盤(pán)和水深探測(cè)儀，從中大為獲利。
基于他的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，湯姆孫感到迫切需要統(tǒng)一電學(xué)單位，公制的引入使法國(guó)革命向前跨了一大步，但是電學(xué)測(cè)量卻產(chǎn)生了全新的問(wèn)題。高斯和韋伯奠定了絕對(duì)單位制的理論基礎(chǔ)，"絕對(duì)"意味著它們與特定的物質(zhì)或標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)，僅取決于普適的物理定律。在絕對(duì)單位制中如何確定刻度，如何選擇合適的倍數(shù)因子使它能方便地應(yīng)用于工業(yè)，如何勸說(shuō)科技界共同接受這一單位制，所有這一切都是重要并且困難的任務(wù)。1861年英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)任命一個(gè)委員會(huì)開(kāi)始這項(xiàng)工作，湯姆孫是其中的一員。他們努力工作了許多年，一直到1881年，由湯姆孫和亥姆霍茲起主導(dǎo)作用的在巴黎召開(kāi)的一次國(guó)際代表大會(huì)，和1893年，在芝加哥召開(kāi)的另一次代表大會(huì)，才正式接受這一新的單位制，并采用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學(xué)單位，從此它們被普遍使用。然而，單位制的問(wèn)題并未就此解決，后來(lái)的一些會(huì)議又改變了其中某些標(biāo)準(zhǔn)量的定義，它們的實(shí)際值也相應(yīng)變動(dòng)了，雖然這種變動(dòng)是非常小的。
開(kāi)爾文一生謙虛勤奮，意志堅(jiān)強(qiáng)，不怕失敗，百折不撓。他這種終生不懈地為科學(xué)事業(yè)奮斗的精神，永遠(yuǎn)為后人敬仰。1896年在格拉斯哥大學(xué)慶祝他50周年教授生涯大會(huì)上，他說(shuō)：“有兩個(gè)字最能代表我50年內(nèi)在科學(xué)研究上的奮斗，就是‘失敗’兩字。”這足以說(shuō)明他的謙虛品德。為了紀(jì)念他在科學(xué)上的功績(jī)，國(guó)際計(jì)量大會(huì)把熱力學(xué)溫標(biāo)（即絕對(duì)溫標(biāo)）稱(chēng)為開(kāi)爾文（開(kāi)氏）溫標(biāo)，熱力學(xué)溫度以開(kāi)爾文為單位，是現(xiàn)在國(guó)際單位制中七個(gè)基本單位之一。
開(kāi)爾文的一生是非常成功的，他可以算作世界上最偉大的科學(xué)家中的一位。他于1907年12月17日去世時(shí)，得到了幾乎整個(gè)英國(guó)和全世界科學(xué)家的哀悼。他的遺體被安葬在威斯敏斯特教堂牛頓墓的旁邊。
科學(xué)成就
開(kāi)爾文的科學(xué)活動(dòng)是多方面的。他對(duì)物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)在電磁學(xué)和熱力學(xué)方面。那時(shí)電磁學(xué)剛剛開(kāi)始發(fā)展。逐步應(yīng)用于工業(yè)而出現(xiàn)了電機(jī)工程，開(kāi)爾文在工程應(yīng)用上作出了重要的貢獻(xiàn)。熱力學(xué)的情況卻是先有工業(yè)，而后才有理論。從18世紀(jì)到19世紀(jì)初，在工業(yè)方面已經(jīng)有了蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用，然而到19世紀(jì)中葉以后，熱力學(xué)才發(fā)展起來(lái)。開(kāi)爾文是熱力學(xué)的主要奠基者之一。
開(kāi)爾文在科學(xué)上的貢獻(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面：
1.電磁學(xué)方面的成就
開(kāi)爾文在靜電和靜磁學(xué)的理論方面，在交流電方面，特別是關(guān)于萊頓瓶的放電振蕩性。靜電絕對(duì)測(cè)量和電磁測(cè)量方面，大氣電學(xué)方面等，都作出了重要的貢獻(xiàn)。電像法是開(kāi)爾文發(fā)明的一種很有效的解決電學(xué)問(wèn)題的方法。
2.在熱力學(xué)方面的成就
開(kāi)爾文在1848年提出、在1854年修改的絕對(duì)熱力學(xué)溫標(biāo)，是現(xiàn)在科學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)。1954年國(guó)際會(huì)議確定這一標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo)，恰好在100年之后。開(kāi)爾文是熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)主要奠基人之一（另一人是R.克勞修斯）。他關(guān)于第二定律的說(shuō)法是：“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響”（1851），是公認(rèn)的熱力學(xué)第二定律的標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法。開(kāi)爾文從熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢(shì)。
在熱力學(xué)方面還應(yīng)該提兩件事。一件事是開(kāi)爾文從理論研究上預(yù)言一種新的溫差電效應(yīng)，后來(lái)叫做湯姆孫效應(yīng)，這是當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體上通過(guò)時(shí)導(dǎo)體吸收熱量的效應(yīng)。另一件事是開(kāi)爾文和 J.P.焦耳合作的多孔塞實(shí)驗(yàn)，研究氣體通過(guò)多孔塞后溫度改變的現(xiàn)象，在理論上是為了研究實(shí)際氣體與理想氣體的差別，在實(shí)用上后來(lái)成為制造液態(tài)空氣工業(yè)的重要方法（見(jiàn)焦耳-湯姆孫效應(yīng)）。
3.裝設(shè)大西洋海底電纜
裝設(shè)大西洋海底電纜是開(kāi)爾文最出名的一項(xiàng)工作。當(dāng)時(shí)由于電纜太長(zhǎng)，信號(hào)減弱很?chē)?yán)重。1855年開(kāi)爾文研究電纜中信號(hào)傳播的情況，得出了信號(hào)傳播速度減慢與電纜長(zhǎng)度平方成正比的規(guī)律。1851年開(kāi)始有第一條海底電纜，裝設(shè)在英國(guó)與法國(guó)相隔的海峽中。1856年新成立的大西洋電報(bào)公司籌劃裝設(shè)橫過(guò)大西洋的海底電纜，并委任開(kāi)爾文負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作。經(jīng)過(guò)兩年的努力，幾經(jīng)周折，終于安裝成功。除了在工程的設(shè)計(jì)和制造上花費(fèi)了很大的力量之外，開(kāi)爾文的科學(xué)研究對(duì)此也起了不小的作用。
4.對(duì)電工儀表的研究
開(kāi)爾文為了成功地裝設(shè)海底電纜，用了很大的力量來(lái)研究電工儀器。例如他發(fā)明的鏡式電流計(jì)可提高儀器測(cè)量的靈敏度。虹吸記錄器可自動(dòng)記錄電報(bào)信號(hào)。開(kāi)爾文在電工儀器上的主要貢獻(xiàn)是建立電磁量的精確單位標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)各種精密測(cè)量的儀器，包括絕對(duì)靜電計(jì)、開(kāi)爾文電橋、圈轉(zhuǎn)電流計(jì)等。根據(jù)他的建議，1861年英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)設(shè)立了一個(gè)電學(xué)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，為近代電學(xué)單位標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。
5.創(chuàng)立波動(dòng)和渦流
開(kāi)爾文在波動(dòng)和渦流方面作出了許多理論貢獻(xiàn)。有許多是他在自己的快艇上的觀察中受到啟發(fā)的。他進(jìn)行這方面的研究，包括對(duì)彈性固體的研究，目的之一是為了航海事業(yè)的發(fā)展，另一個(gè)目的是發(fā)展他對(duì)世界萬(wàn)物的機(jī)械觀。企圖通過(guò)這方面的研究把電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象的完整理論在牛頓經(jīng)典力學(xué)的骨架上建造起來(lái)。因此他很熱心于以太理論，把假想的以太當(dāng)作一種實(shí)際存在的物質(zhì)加以研究，以求能充分地解釋電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象作為以太的某種運(yùn)動(dòng)形式。這種機(jī)械觀的失敗使他說(shuō)出“19世紀(jì)烏云”那樣的話。這是他在1900年一篇名為《遮蓋在熱和光的動(dòng)力理論上的19世紀(jì)烏云》的演說(shuō)中講的。他說(shuō)的“烏云”有兩片，一片是以太理論的困難，一片是能量均分定理的困難。這兩個(gè)困難到20世紀(jì)都得到了解決，以太理論的困難是由狹義相對(duì)論消除的，能量均分定理的困難是量子論解決的。
他也意識(shí)到，以太不過(guò)是人的主觀想象。他在1890年說(shuō)：“我想現(xiàn)在我們必須感覺(jué)到，以太、電、有重物三者聯(lián)合在一起，不過(guò)是我們?nèi)狈χR(shí)和能力，不能超越目前物理學(xué)的限度去思考的一種結(jié)果，而不是自然界的真實(shí)。”
6.估算地球的年齡
開(kāi)爾文從地面散熱的快慢估計(jì)出，假如沒(méi)有其他熱的來(lái)源的話，地球從液態(tài)到達(dá)現(xiàn)在狀況的時(shí)間不能比一億年長(zhǎng)。這個(gè)時(shí)間比地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家的估計(jì)短得多。開(kāi)爾文與地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家為了地球年齡問(wèn)題有過(guò)長(zhǎng)期的爭(zhēng)論，地質(zhì)學(xué)家從巖石形成的年代，生物學(xué)家從生命發(fā)展的歷史，都認(rèn)為開(kāi)爾文估計(jì)的年限太短，但是又無(wú)法駁倒他的理論。后來(lái)，到1896年發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì)，出現(xiàn)了熱的新來(lái)源，開(kāi)爾文的估計(jì)不成立了，這問(wèn)題才解決。
趣聞?shì)W事
1.“第十一條誡律”
開(kāi)爾文出身于一個(gè)由于宗教壓迫而離國(guó)逃遷的蘇格蘭誓約派教徒的家族。10歲時(shí)喪母。父親是格拉斯哥大學(xué)的自然哲學(xué)教授。他為他的6個(gè)子女，提供了一套旨在保護(hù)他們的心靈而磨礪他們智力的教育方式。他所設(shè)計(jì)的這個(gè)教育方式，既有廣度，又有深度。幾乎從嬰兒時(shí)期起，孩子們的成長(zhǎng)就與思想的廣闊天地結(jié)成友誼。他們被地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)的原理所吸引，而植物則是他們游玩時(shí)的小伙伴。當(dāng)他們圍坐在桌子四周時(shí)，他們驚奇地注視著桌上的玩具地球儀；他們夢(mèng)想著到地球上最遙遠(yuǎn)的地方去遨游。而后他們的眼睛又轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)更大的球體上。這是他們的父親為他們購(gòu)買(mǎi)的一個(gè)天球儀——它講出了天體的史詩(shī)，而地球只不過(guò)是這個(gè)偉大史詩(shī)中一個(gè)小小的音節(jié)而已。
威廉在弟兄中排行最小，但他的想象力卻是最敏捷的。他發(fā)現(xiàn)自己完全被這兩個(gè)球的故事迷住了。盡管年齡還小，他已決心接受挑戰(zhàn)，把這個(gè)故事的神秘弄清楚。當(dāng)他還只有16歲時(shí)，就在日記中寫(xiě)下了第十一條誡律。正如十誡是宗教對(duì)他的良心的召喚一樣，這第十一條誡律則是心智對(duì)開(kāi)爾文理性的召喚：
科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息；
前進(jìn)吧，去測(cè)量大地，衡量空氣，記錄潮汐；
2.第一所現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室在酒窖里誕生
開(kāi)爾文的智力成熟得很快。他17歲進(jìn)入劍橋大學(xué)，18歲就寫(xiě)出了一篇杰出的熱力學(xué)方面的論文，還在《劍橋數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)》上發(fā)表了幾篇文章。畢業(yè)時(shí)，他認(rèn)識(shí)了法國(guó)和英國(guó)一些第一流物理學(xué)家，并對(duì)他們提出頗有價(jià)值的研究建議。22歲時(shí)，他被任命為格拉斯哥大學(xué)教授。
大學(xué)里文質(zhì)彬彬的蘇格蘭同事們，對(duì)于開(kāi)爾文的血?dú)夥絼偟哪欠N進(jìn)取勁頭，頗有點(diǎn)受不了。開(kāi)爾文剛剛被選拔到很多白發(fā)蒼蒼的對(duì)手們求之不得的光榮職位上，就決定在格拉斯哥的物理系來(lái)一場(chǎng)革命。他到幾個(gè)老前輩那里，申請(qǐng)撥給他一間房子，以便進(jìn)行課堂以外的實(shí)驗(yàn)。這種狂妄氣焰是他們前所未聞的。多年以來(lái)，節(jié)約成癖的蘇格蘭教授們滿足于把實(shí)驗(yàn)統(tǒng)統(tǒng)擠到教室里去進(jìn)行。這個(gè)剛被提升的小伙子竟然要求自己占一間房子，天下哪有這個(gè)道理？
然而，他們的好奇心戰(zhàn)勝了他們的反感?！凹偃裟阋欢ㄒ脑?，那么你可以把那間地窖拿去，我們把那些酒桶搬走就是了?！?/span>
這樣，英國(guó)的第一所現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室，就在一個(gè)酒窖里誕生了。
3.用塔頂樓作思考的房屋
年輕的湯姆孫的工作勁頭，就像一股龍卷風(fēng)。他就是他自己提出的動(dòng)力學(xué)理論的化身。他從班級(jí)里的90個(gè)學(xué)生中，挑選了30人。組成了一個(gè)志愿隊(duì)伍，他促使他們飛快地工作。工作成果累積得如此之快，以致他發(fā)現(xiàn)他需要更多的空間——“再給我一間作思考的房屋?！?/span>
他的同事們又奇怪地看著他了。他們說(shuō)：“你用那間塔頂樓好了?！?/span>
從早到晚，他鉆入深處，爬到高處，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)活動(dòng)或抽象的設(shè)想。晚上，他散步回家——只有50碼之遙—把一個(gè)技術(shù)專(zhuān)家的身軀和一個(gè)哲學(xué)家的心靈送進(jìn)了睡鄉(xiāng)—一個(gè)身強(qiáng)力壯的人的休憩。
4.把證明“浸透”到學(xué)生心里
對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，這位冷熱無(wú)常的大教授是很令人興奮的。沒(méi)有人知道他下一步會(huì)干什么。有一天，他的朋友德國(guó)科學(xué)家 亥姆霍茲來(lái)到他的實(shí)驗(yàn)室，參觀開(kāi)爾文進(jìn)行陀螺儀的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)厚的金屬圓盤(pán)正在快速旋轉(zhuǎn)。大教授打算證明，圓盤(pán)在旋轉(zhuǎn)中，應(yīng)該是垂直不動(dòng)的，從而可以用類(lèi)比法來(lái)說(shuō)明，地球就其軸心來(lái)說(shuō)，也是垂直不動(dòng)的。突然間，他抓起一個(gè)釘錘，對(duì)著圓盤(pán)猛擊了一下。金屬圓盤(pán)失去平衡，馬上向離心方向飛去，恰巧擊中了衣帽架上懸桂著的亥姆霍茲的帽子，并將帽子砸破了。學(xué)生們哄堂大學(xué)。亥姆霍茲無(wú)可奈何，只得也隨著大家笑了。開(kāi)爾文倒是滿天真的，他輕描淡寫(xiě)地說(shuō)：“出了點(diǎn)毛病，我會(huì)賠你一頂新帽子的?！?/span>
他的話從不沉悶。他說(shuō)：“我取消了上課宣讀發(fā)了霉的論文的辦法。”他的課堂和實(shí)驗(yàn)室堆滿了各種各樣的儀器，真是五花八門(mén)，樣樣俱全。小配件堆積在桌上，有的吊在天花板上，有的還掛在墻上。至于大件，有一套三件的螺旋彈簧振蕩器；一座30英尺長(zhǎng)的擺鐘，擺的尾巴上還懸掛著一個(gè)12磅重的炮彈；一部怪樣子的機(jī)器，里面裝著許多的彈子球，球不斷地向各個(gè)方向滾動(dòng)，藉以揭示星云的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)；此外還有成堆的陀螺儀。他把一個(gè)陀螺儀放在另一個(gè)陀螺儀上面旋轉(zhuǎn)，藉以研究行星的運(yùn)動(dòng)。他把這些陀螺儀用各種方式放到一起，扭來(lái)扭去。在課堂的一角，從天花板上吊下一件看上去平凡無(wú)奇的裝置——一個(gè)覆蓋著橡皮薄膜的金屬圈，是用來(lái)揭示露滴的性質(zhì)的。有一天，他叫人弄了水來(lái)，把水澆在金屬圈上，使橡皮往下垂脹。加上更多的水。最后橡皮破裂，“像一個(gè)負(fù)載過(guò)重的露滴。”水一直潑到了教室前排學(xué)生的頭上。教授笑了，“我向來(lái)喜歡把我的證明浸透到你們的心里去?！?/span>
5.“每個(gè)困難一定有解決的辦法”
開(kāi)爾文的思想很豐富，數(shù)學(xué)能力很強(qiáng)，在物理學(xué)的各個(gè)方面都開(kāi)辟了許多新的道路。他在當(dāng)時(shí)科學(xué)界享有極高的名望，受到英國(guó)本國(guó)和歐美各國(guó)科學(xué)家的推崇。他的科學(xué)觀點(diǎn)可以引用1800年5月他在倫敦皇家研究所關(guān)于大氣電學(xué)的講演中對(duì)現(xiàn)象與本質(zhì)問(wèn)題的話來(lái)說(shuō)明：
“常常提出這樣的問(wèn)題，人們是否只管事實(shí)和現(xiàn)象，而放棄追究隱藏在現(xiàn)象后面的物質(zhì)的最終性質(zhì)呢？這是一個(gè)必然由純正哲學(xué)者回答的問(wèn)題，它不屬于自然哲學(xué)的范圍。但是近許多年來(lái)世界上看到從這個(gè)屋子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中所發(fā)生的，在實(shí)驗(yàn)科學(xué)史上未曾有過(guò)的一連串的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)必然把人們的知識(shí)引導(dǎo)到這樣一個(gè)階段，將使無(wú)生物世界的規(guī)律表現(xiàn)出每一現(xiàn)象基本上與所有全體現(xiàn)象相連，而無(wú)窮無(wú)盡的多樣化的運(yùn)用規(guī)律所達(dá)到的統(tǒng)一性將被認(rèn)為是創(chuàng)造性智慧的產(chǎn)物?！?/span>
這一段話表達(dá)了開(kāi)爾文的理想，他想像一個(gè)完善的統(tǒng)一的理論，能把世界的現(xiàn)象包羅無(wú)遺。他的意志是堅(jiān)強(qiáng)的。他在1904年出版的《巴爾的摩講演集》的序言上關(guān)于如何對(duì)待困難有這幾句話：
“我們都感到，對(duì)困難必須正視，不能回避；應(yīng)當(dāng)把它放在心里，希望能夠解決它。無(wú)論如何，每個(gè)困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒(méi)有能找到?！?/span>
開(kāi)爾文終生不懈地致力于科學(xué)事業(yè)，他不怕失敗，永遠(yuǎn)保持著樂(lè)觀的戰(zhàn)斗精神。1896年，在紀(jì)念他在格拉斯哥大學(xué)任教50年的會(huì)上，他說(shuō)過(guò)：“我在過(guò)去55年里所極力追求的科學(xué)進(jìn)展，可以有‘失敗'這個(gè)詞來(lái)標(biāo)志。我現(xiàn)在不比50年以前當(dāng)我開(kāi)始擔(dān)任教授時(shí)知道更多關(guān)于電和磁的力，或者關(guān)于以太、電與有重物之間的關(guān)系，或者關(guān)于化學(xué)親合的性質(zhì)。在失敗中必有一些悲傷；但是在科學(xué)的追求中，本身包含的必要努力帶來(lái)很多愉快的斗爭(zhēng)，這就使科學(xué)家避免了苦悶，而或許還會(huì)使他在日常工作中相當(dāng)快樂(lè)。”開(kāi)爾文的這段話，可以說(shuō)是對(duì)自己的科學(xué)生涯的總結(jié)。
6.“開(kāi)爾文勛爵，研究生”
他更老了。他抱怨光陰流逝得太快。“一秒鐘是太短促了，我們需要長(zhǎng)一些的時(shí)間量度?！泵刻?，他口授幾個(gè)小時(shí)，身旁有兩名秘書(shū)，一左一右。兩名秘書(shū)各自記錄他分別口授的東西，題目各不相同。
而現(xiàn)在，他已經(jīng)快走到生命之路的盡頭了。用畢生時(shí)間搞出來(lái)的學(xué)說(shuō)和發(fā)明，眼看就要被更新的一些學(xué)說(shuō)和發(fā)明擠進(jìn)陰暗的角落里。威廉·倫琴、亨利·貝克勒耳以及 瑪麗·居里等人，他們?yōu)閷?lái)開(kāi)辟了多么豐富的研究園地！在科學(xué)的世界觀方面，他們又進(jìn)行了一場(chǎng)什么樣的革命！比起他們來(lái)，他又顯得多么渺小和不足！在他擔(dān)任格拉斯哥大學(xué)教授五十周年紀(jì)念日時(shí)，他有點(diǎn)自嘲地笑了。
任職五十周年慶祝后又過(guò)了三年，他辭去了格拉斯哥大學(xué)教授的職務(wù)。董事會(huì)希望他不要退休，繼續(xù)工作。但是他搖搖頭?！罢?qǐng)不必感情用事吧，我已經(jīng)沒(méi)有什么用處了?！?/span>
他最后一次看到了他的學(xué)生們?！拔易罱嘈?，當(dāng)一個(gè)人老了的時(shí)候，他在家內(nèi)爐邊最欣賞的，就是那些把他帶回到大學(xué)生活時(shí)代的照片……使你們的生活充滿光明和純潔的那些照片……”就這樣，他離開(kāi)了他的教授崗位，可是并沒(méi)有離開(kāi)格拉斯哥大學(xué)。只要一息尚存，他無(wú)法割斷他同格拉斯哥的紐帶。1899年，當(dāng)學(xué)年開(kāi)始時(shí)，這位76歲的年邁學(xué)者，同大學(xué)本科生一道，走進(jìn)注冊(cè)室，也報(bào)了名：“開(kāi)爾文勛爵，研究生?！彼K于懂得，他不能再教了；從現(xiàn)在起，他只是學(xué)。
7.預(yù)言20世紀(jì)初物理學(xué)的兩朵烏云
1900年4月27日，是特別的一天。英國(guó)的倫敦市，是特別的城市。阿爾伯馬爾街，是一個(gè)特別的地方。此時(shí)此刻歐洲著名科學(xué)家正匯聚一堂。此時(shí)這里正舉行一場(chǎng)世紀(jì)之交的物理學(xué)報(bào)告會(huì)。在雷動(dòng)的掌聲中，白發(fā)蒼蒼、已是76歲高齡的德高望重的開(kāi)爾文勛爵走上了講臺(tái)，發(fā)表了開(kāi)幕祝詞——《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀(jì)烏云》的演講，他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理大廈已經(jīng)落成，所剩的只是一些修飾工作．同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)講道：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運(yùn)動(dòng)的形式。但是現(xiàn)在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽而顯得黯然失色，第一朵烏云出現(xiàn)在黑體輻射實(shí)驗(yàn)和理論的不一致（光的波動(dòng)理論爭(zhēng)議上），第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋一玻爾茲曼理論上（發(fā)現(xiàn)光速不隨運(yùn)動(dòng)參考系而變）?！薄?/span>
物理學(xué)后來(lái)發(fā)展的歷史表明，正是19世紀(jì)初的這兩朵小小的烏云，釀成了一場(chǎng)大風(fēng)暴。
第二朵烏云導(dǎo)致相對(duì)論的爆發(fā)。
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