物理史話–威廉•湯姆遜 (開爾文勛爵) 的故事
文﹕郭綺珊    

威廉•湯姆遜 (開爾文勛爵)
 
大家學習熱學的時候,總會接觸過開氏溫標和開爾文 (Kelvin, K) 這個溫度單位。你可能立即聯想到這個單位所紀念的科學家的名字一定就是開爾文了。你答對了一半。他原名威廉•湯姆遜 (William Thomson),後來因為他在科學上的成就和對大西洋電纜 工程的貢獻,獲英女皇授予開爾文勛爵銜,所以後世才改稱他為開爾文。湯姆遜的研究範圍相當廣泛,他在數學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學 等方面都有重大的貢獻。

威廉•湯姆遜生於1824年愛爾蘭,父親占姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授。湯姆遜一家在威廉八歲時遷往蘇格蘭的格拉斯哥,而占姆士則任教格拉斯哥大學。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝,在那個時代,愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生),約在十四歲開始學習大學程度的課程。十五歲時憑一篇題為「地球形狀」的文章獲得大學的金獎章。文章論及的一些重要概念,湯姆遜在往後還常常用到。湯姆遜後來到了劍橋大學升學,以全級第二名的成績畢業。他畢業後到了巴黎,在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。

1846年,湯姆遜再回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即現在的物理學) 教授,直到1899年退休為止。他在學校建立起全英國的大學中第一個物理研究實驗室。他認為物質和電動力學的數學理論結果,必須用實驗來證明。他帶領學生進行各種實驗來檢定和發展新的物理理論。此外,他還利用實驗室的精密測量結果來協助擬定大西洋海底電纜的鋪設工程,使英國與美洲之間的通訊得到突破性的發展。他可說是第一代的電訊工程師呢!

湯姆遜也是熱力學的開創者之一,他對熱力學第一及第二定律的建立作出重大的貢獻。在十九世紀,物理學界仍然普遍相信熱是一種不生不滅的物質,湯姆遜本來也堅信這種說法。他研究過焦耳多篇關於電流生熱的論文後,便開始改變想法,並和焦耳合作研究。他們的研究結果為熱力學第一定律 (能量守恆定律) 提供有力的實驗支持。湯姆遜對熱力學第二定律的貢獻更大。他利用卡諾循環建立絕對溫標 ,他重新設定水的熔點 為273.7度;沸點為373.7度。為了紀念他的貢獻,絕對溫度的單位以開爾文 (Kelvin, K) 來命名。他在1851年發表題為「熱動力理論」的論文,寫出熱力學第二定律的開爾文表述:我們不可能從單一熱源取熱,使它完全變為有用功而不產生其他影響。近代物理雖然修正了很多古典物理理論的錯誤,但是熱力學定律仍然是正確而普遍的宏觀物理定律。

與當時很多科學家一樣,湯姆遜堅信一些錯誤的觀念。他認為引力收縮是天體的唯一能源,並估計太陽在引力位能支持下,可以發光發熱多久,由此錯誤地得出地球年齡只有數億年的結論。他又曾宣稱任何比空氣重的機器都不能飛。1900年初,當時在英國物理學界最權威的湯姆遜在皇家學會的新年致辭中,發表了題為「籠罩在熱和光的動力理論上的十九世紀之雲」的著名演講。他認為物理世界晴空萬里,動力理論可以解釋一切物理問題;唯有兩個小問題有待解決:以太理論和黑體輻射的理論解釋。正正是這兩朵小烏雲所引起的討論和研究,發展出二十世紀物理學兩個最重要的範疇:相對論和量子力學。