Томсон Уильям

Уильям Томсон — автор трудов по многим разделам физики (термодинамика, теория электрических и магнитных явлений и др.). Он дал одну из формулировок второго начала термодинамики, предложил абсолютную шкалу температур (шкала Кельвина). Экспериментально открыл ряд эффектов, названных его именем (в т. ч. эффект Джоуля — Томсона). Активный участник осуществления телеграфной связи по трансатлантическому кабелю, установил зависимость периода колебаний контура от его емкости и индуктивности. Изобрел многие электроизмерительные приборы, усовершенствовал ряд мореходных инструментов.

Томсон в 1892 году за научные заслуги получил титул барона Кельвина, Kelvin.

Предки Томсона были некогда ирландскими фермерами, но уже его отец стал ученым, известным математиком. Уильям учился в колледже в Глазго, а затем в 1845 году окончил университет в Кембридже.

В 1846 году двадцатидвухлетний Томсон занял кафедру теоретической физики в университете в Глазго (Шотландия), где организовал впоследствии первую физическую лабораторию и где проработал до конца жизни. Еще студентом Уильям опубликовал ряд работ по применению метода рядов Фурье к задачам о распространении тепла в средах, обратив, в частности, внимание на аналогии между законами распространения тепла и электрического тока. Вскоре появились и его новые сочинения, в которых развивались принципы, затем плодотворно применявшиеся в теоретических работах по геологии (сам Томсон пытался использовать их для определения возраста Земли).

Математические методы, развитые при рассмотрении задач теплопроводности, оказались эффективными и в других областях. В 1845 году, находясь в Париже, Томсон опубликовал ряд статей по электростатике, в которых излагал предложенный им метод изображений, позволяющий радикально упростить решение некоторых задач.

Термодинамика была в то время, к которому относится работы Томсона, одним из «столпов» физики, и тем примечательнее, что ему удалось внести в нее нечто принципиально новое. Речь идет о «втором начале» термодинамики. Его первая формулировка была в 1824 году предложена С. Карно. Томсон указал на необходимость модернизации и (независимо от Р. Клаузиуса) предложил новую его формулировку: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершаемая за счет охлаждения теплового резервуара». Иногда это формулируется как утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода. Одним из выводов из этого явилась идея о «тепловой смерти» Вселенной: раз механическая энергия может полностью перейти в тепловую, а тепловая в механическую — нет, то, по мнению Томсона, неизбежно, в конце концов, вся энергия перейдет в тепловую и механические движения прекратятся. Эффективная критика этого вывода появилась только в работах Л. Больцмана.

В 1866 году Томсону был присвоен титул лорда. Фамилия лорда Кельвина увековечена в названии абсолютной шкалы температур — шкалы Кельвина. В природе существует минимально возможная температура. По классической молекулярной физике при этой минимальной температуре — при абсолютном нуле — прекращается тепловое движение. Именно от этого абсолютного нуля и отсчитываются температуры по шкале Кельвина.

Зародившаяся под прямым влиянием техники, термодинамика всегда сохраняла с ней связь, хотя не всегда сиюмоментную. Примером тому может служить эффект, который был в 1853-1854 годах открыт Томсоном и Джоулем. Он состоит в изменении температуры при стационарном адиабатическом (т.е. при отсутствии теплообмена) протекании газа через пористую перегородку. У одних газов при этом температура убывает, у других — возрастает; как было понято позже, это определяется тонкими деталями взаимодействия между молекулами. Этот эффект, может показаться поначалу представляющим только «академический» интерес, но он оказался важным для получения очень низких температур.

Томсон широко применял термодинамику для объяснения и предсказания новых эффектов. В 1855 году он начинает исследования явлений, называемых термоэлектрическими и строит их термодинамическую теорию. Уже сам этот термин говорит о переплетении тепловых и электрических эффектов. Некоторые из таких явлений уже были известны ранее, но были открыты и новые.

Один из таких эффектов даже был назван в честь Томсона. Он состоит в выделении или поглощении тепла при пропускании электрического тока через участки проводника, в которых имеются неоднородности температуры. Уместно подчеркнуть, что это открытие произошло задолго до того, как была понята «микроскопическая» природа электрического тока, до появления электронной теории, позволившей дать термоэлектрическим явлениям наглядное истолкование.

К работам по термоэлектричеству Томсон привлекал и студентов, что потребовало создания первой (в университете в Глазго, да и во всех других университетах) учебно-научной лаборатории. Исследования по электричеству приобрели особую актуальность после появления трансатлантического кабеля. В его работе проявились дефекты, понять и устранить причины которых без вмешательства ученых не удавалось. Томсон построил теории распространения электрических импульсов по проводам. Он первым, являясь крупнейшим специалистом по электромагнетизму, понял, какую роль играет не только сопротивление проводов, но и индуктивность и электрическая емкость всей цепи.

Им были рассмотрены электрические токи в так называемом колебательном контуре — системе из последовательно соединенного конденсатора и катушки самоиндукции. Была, в частности, выведена знаменитая формула Томсона — один из краеугольных камней сегодняшней электро- и радиотехники, согласно которой частота собственных колебаний в таком контуре пропорциональна квадратному корню из произведения индуктивности катушки на емкость конденсатора. Экспедиция по прокладке кабеля вызвала интерес Томсона к морским делам, что привело его к усовершенствованиям компаса и лота, а также к новым исследованиям по гидродинамике и теории волн.

Томсон вообще много занимался прикладными вопросами физики и проблемами экспериментальной техники. Ему принадлежит изобретение и усовершенствование таких приборов как зеркальный гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометр и др. Его преподавательская деятельность, его книги и статьи (в частности, «Электричество» и «Теплота» в Британской энциклопедии) воспитали несколько поколений физиков и инженеров во многих странах.

Будучи признанным авторитетом в области термодинамики, Кельвин оказался причастным и к становлению молекулярно-кинетической теории. Важное место в этой теории занимает величина N, именуемая числом Авогадро — число молекул в одном моле вещества. Один из путей ее экспериментального определения связан с проблемой голубого цвета неба — проблеме рассеяния света в атмосфере.

Теоретическое исследование Рэлея привело к формуле, в которую входило N. Для его определения требовались наблюдения в горах, и после того как они были проведены группой альпинистов в Альпах в 1910 году Кельвин провел нужные вычисления. Полученная оценка оказалась не очень точной (отчасти из-за плохой погоды во время измерений), но она была весьма интересной в научном отношении.

Лорд Кельвин не чурался и узко прикладных задач. Так, в числе многих других, он получил и патент на изобретение оригинального водопроводного крана.

Последние годы жизни лорда Кельвина были временем появления в физике многого принципиально нового. Эра классической физики, одним из ярчайших деятелей которой он был, близилась к завершению. Уже недалека была квантовая и релятивистская эра, и он делал шаги по направлению к ней: его живо интересовали рентгеновские лучи и радиоактивность, он выполнил расчеты по определению размеров молекул, выдвинул гипотезу о строении атомов и активно поддерживал исследования Дж. Дж. Томсона в этом направлении.Высочайший научный и нравственный авторитет лорда Кельвина поставил его на одно из первых мест в физике 19 века.

Автор: В.И. Григорьев