Томсон (Thomson) (лорд Кельвин), Уильям

Уильям Томсон родился в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда Уильяму было восемь лет, семья переехала в Глазго, который стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Одарённый мальчик уже в десятилетнем возрасте стал студентом университета Глазго. Окончив университет Глазго, Томсон поступил в Кембриджский университет, после окончания которого по совету отца отправился в Париж для стажировки в лаборатории известного французского физика-экспериментатора А.Реньо. Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго и занимает кафедру до 1899 г., в течение пятидесяти трех лет.

У.Томсон обладал большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое обучение с практическим. Его лекции по физике сопровождались демонстрациями, к проведению которых Томсон широко привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей.

В университете Глазго У.Томсон создал физическую лабораторию, в которой было сделано много оригинальных научных исследований, и которая сыграла большую роль в развитии физической науки. Вначале лаборатория ютилась в бывших лекционных комнатах, старом заброшенном винном подвале и части старого профессорского дома. В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для лаборатории. Кафедра и дом Томсона первыми в Британии осветились электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта, в которых изготавливались физические приборы, действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу ставшую филиалом лаборатории.

В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Студентом Томсон опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики. Стажируясь в Париже, разработал метод решения задач электростатики, получивший название метода «зеркальных изображений» (1846). Познакомившись с теоремой Карно, высказал идею абсолютной термодинамической шкалы (1848).

В 1851 г. У.Томсон сформулировал (независимо от Р.Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Ю.Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж.Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу».

Томсон утверждает, что вся теория движущей силы теплоты основана на двух положениях, из которых первое восходит к Джоулю и формулируется следующим образом: «Во всех случаях, когда равные количества механической работы получаются каким бы то ни было способом исключительно за счёт теплоты или бывают израсходованы исключительно на получение тепловых действий, всегда теряются или приобретаются равные количества теплоты».

Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе её в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части её движения превращаются в противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счёт заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника».

Эта положение Томсон возводит к С.Карно и Р.Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода.

Кроме работ по термодинамике, Томсон заложил основы теории электромагнитных колебаний и в 1853 г. вывел формулу зависимости периода собственных колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). В 1856 г. открыл третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т.н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры. Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 г. он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости.

Томсон внёс большой вклад в развитие практических применений разных разделов науки. Он был главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, сифон-отметчик для приема телеграфных сигналов. Предложил использовать многожильные провода из медной проволоки.

Работы по прокладке трансатлантического кабеля пробудили в Томсоне интерес к навигации. Учёный создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрёл эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Известны исследования Томсона по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения.

В 1892 г. У.Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул барона Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в г. Глазго). Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной и теоретической физике. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г. отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители разных стран, в том числе русский физик Н.А.Умов; в 1896 г. Томсон был избран почётным членом Санкт-Петербургской Академии наук. В честь Уильяма Томсона названа единица измерения абсолютной температуры – кельвин.