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数学物理、热力学——威廉·汤姆逊

威廉汤姆逊(william thomson)

大家学习热学的时候,总会接触过开氏温标和开尔文(kelvin, k) 这个温度单位。你可能立即联想到这个单位所纪念的科学家的名字一定就是开尔文了。你答对了一半。他原名威廉汤姆逊 (william thomson),后来因为他在科学上的成就和对大西洋电缆工程的贡献,获英女皇授予开尔文勋爵衔,所以后世才改称他为开尔文。汤姆逊的研究范围相当广泛,他在数学物理、热力学、电磁学、弹性力学、以太理论和地球科学等方面都有重大的贡献。

1846年,汤姆逊再回到格拉斯哥大学担任自然哲学 (即现在的物理学))教授,直到1899年退休为止。他在学校建立起全英国的大学中第一个物理研究实验室。他认为物质和电动力学的数学理论结果,必须用实验来证明。他带领学生进行各种实验来检定和发展新的物理理论。此外,他还利用实验室的精密测量结果来协助拟定大西洋海底电缆的铺设工程,使英国与美洲之间的通讯得到突破性的发展。他可说是第一代的电讯工程师呢!

汤姆逊也是热力学的开创者之一,他对热力学第一定律及热力学第二定律的建立作出重大的贡献。在十九世纪,物理学界仍然普遍相信热是一种不生不灭的物质,汤姆逊本来也坚信这种说法。他研究过焦耳多篇关于电流生热的论文后,便开始改变想法,并和焦耳合作研究。

他们的研究结果为热力学第一定律 (能量守恒定律) 提供有力的实验支持。汤姆逊对热力学第二定律的贡献更大。他利用卡诺循环建立绝对温标,他重新设定水的熔点 为273.7度;沸点为373.7度。

为了纪念他的贡献,绝对温度的单位以开尔文 (kelvin, k) 来命名。他在1851年发表题为“热动力理论”的论文,写出热力学第二定律的开尔文表述:我们不可能从单一热源取热,使它完全变为有用功而不产生其它影响。近代物理虽然修正了很多古典物理理论的错误,但是热力学定律仍然是正确而普遍的宏观物理定律。

与当时很多科学家一样,汤姆逊坚信一些错误的观念。他认为引力收缩是天体的唯一能源,并估计太阳在引力位能支持下,可以发光发热多久,由此错误地得出地球年龄只有数亿年的结论。他又曾宣称任何比空气重的机器都不能飞。

1900年初,当时在英国物理学界最权威的汤姆逊在皇家学会的新年致辞中,发表了题为「笼罩在热和光的动力理论上的十九世纪之云」的著名演讲。他认为物理世界晴空万里,动力理论可以解释一切物理问题;唯有两个小问题有待解决:以太理论和黑体辐射的理论解释。正正是这两朵小乌云所引起的讨论和研究,发展出二十世纪物理学两个最重要的范畴:相对论和量子力学。

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