Учебник. Вильям Кельвин
Кельвин (Kelvin) Вильям (26.VI.1824–17.XII.1907).
Лорд Кельвин – титул, полученный английским физиком Вильямом Томсоном за научные заслуги. Один из основателей термодинамики и кинетической теории газов, член Лондонского королевского общества (с 1851, в 1890–95 президент). В 1834–45 учился в университетах Глазго и Кембриджа. В 1845–46 работал в Париже у А. В. Реньо, в 1846–99 профессор университета в Глазго.
Ещё студентом Томсон опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к различным разделам физики. В 1845 он разработал электрический метод получения изображений, затем под влиянием Дж. П. Джоуля занялся фундаментальными проблемами теории теплоты, предложил абсолютную шкалу температур (1848), дал одну из формулировок второго начала термодинамики (1851) и ввел понятие рассеяния энергии. Высказал гипотезу «тепловой смерти» Вселенной. В 1851 обнаружил изменение электрического сопротивления ферромагнетиков при их намагничивании. В 1853–54 совместно с Джоулем открыл эффект охлаждения газа при его адиабатическом расширении (эффект Джоуля–Томсона), а также развил термодинамическую теорию термоэлектрических явлений и в 1856 предсказал явление переноса тепла электрическим током. В связи с проблемой осуществления телеграфной связи по трансатлантическому кабелю разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и вывел формулу зависимости периода колебаний контура от его емкости и индуктивности (формула Томсона). Большое значение в формировании атомистических представлений имел произведенный Томсоном расчет размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии пленки жидкости. В 1870 установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости. Занимался также различными вопросами гидродинамики (теория приливов, распространение волн по поверхности), астрофизики (теория происхождения зодиакального света), геофизики (теория охлаждения земного шара) и т. д. Разрабатывая теорию вихревого движения, Томсон вывел теорему о сохранении циркуляции в идеальной жидкости. Сконструировал сифон-отметчик, квадрантный и абсолютный электрометры и др. физические приборы; усовершенствовал зеркальный гальванометр, магнитный компас и т. д. Почетный член Петербургской АН (1896).
Уильям Томсон, лорд Кельвин,
король викторианской физики
В наши дни Колледж Сквер в Белфасте, столице Северной Ирландии, – всего лишь ничем не примечательный ряд домов, выходящих окнами магазинов на улицу, по которой идет поток автомашин. Но именно в одном из этих домов 26 июня 1824 г. родился Уильям Томсон, позднее лорд Кельвин, может быть, самый заметный ученый викторианской эпохи.
Он был одним из пионеров современной физики, создателем той области науки, которую сейчас называют термодинамикой. Он также оценил возраст Земли, конструировал морские компасы и принимал заметное участие в прокладке первого трансатлантического телеграфного кабеля. Уильям Томсон входил в плеяду выдающихся английских физиков XIX в., среди которых Джордж Фицджеральд, Джеймс Джоуль, Джеймс Клерк Максвелл и Джордж Габриэль Стокс.
Томсон получил образование в университетах Глазго и Кембриджа, и с 1846 до 1899 г. был профессором натуральной философии в университете Глазго. Он был избран членом Королевского общества в 1851 г., посвящен в рыцари в 1866 г., получил звание пэра и титул лорда Кельвина в 1892 г. Прожив долгую и счастливую жизнь, лорд Кельвин скончался 17 декабря 1907 г.в своем доме вблизи Ларга в Шотландии в возрасте 83 лет.
Дела семейные
Отец Уильяма, Джеймс Томсон, сын фермера, был во многом самоучкой. После долгих лет упорного труда он достиг положения профессора математики в академическом институте Белфаста. Сейчас это простая школа, но в те времена это была комбинация школы и колледжа университетского типа. Отец Уильяма написал ряд удачных учебников по арифметике, алгебре и тригонометрии, которые принесли устойчивый доход семье.
Первые годы жизни Уильяма в Белфасте прошли в идиллической обстановке: дружная семья, множество друзей, семейные праздники, во время летних каникул – путешествия по окрестным городам и селам. К несчастью, в мае 1830 г. эта семейная идиллия разрушилась из-за смерти матери. Вскоре после этого семья перебралась в Шотландию, где отец стал профессором математики в университете Глазго. В 1834 г. Томсон, которому было 10 лет, и его 12-летний брат Джеймс поступили в этот университет. Может показаться, что это слишком раннее начало академической карьеры, но в те годы возраст 14 лет был обычным для поступления.
Уильям постоянно был первым по математике и естествознанию, а его брат Джеймс – вторым. Редкостные способности Томсона к математике проявились уже в ранние годы, так что было ясно, что ему следует продолжить обучение в Кембридже.
Из Глазго в Кембридж
В октябре 1841 г. 17-летний Томсон поступил в колледж св. Петра в Кембридже как «пенсионер», иными словами, как студент, самостоятельно оплачивающий свое обучение. Преподавание математики на первом году обучения находилось на очень низком уровне по сравнению с тем, которого уже достиг Томсон. Действительно, к моменту поступления в Кембридж он уже опубликовал статью в Кембриджском математическом журнале, в которой защищал математическую строгость разложения в ряд Фурье от ошибочных нападок эдинбургского математика Филипа Келланда. За два года учебы на младших курсах Томсон написал еще десять работ, и вскоре о нем уже говорили как о студенте, претендующем на первое место в заключительных экзаменах по математике.
Пока Томсон жил в Кембридже, каждый член его семьи регулярно с ним переписывался. Отец, проверявший все его счета, часто давал советы, как разумнее всего тратить деньги и время. Ежегодная плата за пребывание в колледже составляла 230 фунтов, что равнялось примерно трети годового дохода семьи. Письма Томсона к отцу часто содержали подробнейший список расходов. Когда же приходилось просить дополнительных денег, он, чтобы смягчить родителя, иногда включал в письмо какую-нибудь математическую теорему, которую тот мог бы использовать на экзаменах.
В одном из ранних писем к отцу Томсон пишет, как он планирует свое время: встать в 5 ч утра и разжечь камин; читать до 8 ч 15 мин; посетить ежедневную лекцию; читать до 1 ч дня; делать упражнения до 4 ч вечера; посетить церковь до 7 ч вечера; читать до 8 ч 30 мин; отправиться в постель в 9 ч. Как отмечают современные биографы Томсона, весьма сомнительно, чтобы он строго придерживался этого расписания, но оно иллюстрирует сохранившееся на всю жизнь желание минимизировать бесплодную трату времени.
Помимо учебы Томсон принимал живое участие во многих других занятиях. Он стал превосходным гребцом, играл на трубе, оказывал помощь в организации университетского музыкального общества, много ходил, катался ка коньках и плавал. Из всех этих занятий отец более всего осуждал греблю, опасаясь, что в результате сын попадет в компанию бездельников, которые навсегда разрушат его жизнь пьянками и пустым времяпрепровождением.
Выпускные, так называемые сенатские, экзамены начались 1 января 1845 г. и длились шесть дней, до 7 января. Предлагалось 12 билетов, по два в день, причем ответы на утренние длились 2,5 ч, а на вечерние – 3 ч. Итоговый результат зависел как от количества ответов на вопросы, так и от их качества. Эти экзамены были самым сложным математическим испытанием во всей стране. Участники должны были, как скаковые лошади в дерби, с огромной скоростью отвечать на вопросы, используя кратчайшие пути для получения ответов.
Ко всеобщему удивлению, Томсон стал только вторым, пропустив вперед некоего Стивена Паркинсона из колледжа св. Иоанна. Семья была огорчена, но справедливость вскоре восторжествовала, когда Томсон в конце января занял первое место в экзаменах на премию Смита. Билеты этого экзамена больше соответствовали способностям Томсона, т.к. содержали в основном задачи, а не проверку знания книг, как сенатские. Несмотря на второе место в сенатских экзаменах, в Кембридже все сошлись во мнении о выдающихся способностях Томсона. Как говорил один экзаменатор своему коллеге, «вы и я годимся только на то, чтобы подчищать опечатки в его работах». В результате 21-летний Томсон в июне 1845 г. был избран членом колледжа св. Петра.
Смерть Уильяма Мейклхема
Пока Томсон учился в Кембридже, в Глазго происходили события, определившие его будущую карьеру. Когда Томсон в 1841 г. заканчивал первый курс Кембриджа, тяжело заболел профессор натуральной философии университета Глазго Уильям Мейклхем. Было ясно, что он не сможет вернуться на работу.
В обязанности отца Томсона как профессора математики входило обдумывание вопроса о замене Мейклхема. Томсон-отец хотел пригласить на освобождающуюся должность кого-то из профессоров кембриджского калибра, в то же время умевшего преподавать и симпатизирующего открытой, не зажатой в иерархические рамки шотландской системе обучения.
Поначалу отец Томсона желал обеспечить сыну работу либо в Кембридже, либо в колледже св. Троицы в Дублине. Прошел и 1842 год, но никакого очевидного кандидата на свободное место в Глазго не нашлось, и тут Томсон-старший понял, что его сын Уильям, которому только что исполнилось 18 лет, вполне может поучаствовать в соревновании за это место. Как только эта идея возникла в его голове, отец Томсона начал исподволь, иногда тайком, проводить кампанию за приглашение сына на должность профессора в Глазго.
Математические способности претендента не вызывали сомнений, но для соответствия предполагаемой должности ему был нужен опыт физика-экспериментатора. Поэтому отец посоветовал Уильяму изучить в Кембридже все что можно по практической науке. Так Томсон стал посещать курсы лекций по экспериментальной натуральной философии, практической астрономии и астрономическим инструментам. Частью маневров по занятию поста в Глазго было путешествие в Париж после окончания колледжа в 1845 г. В Париже Томсон посещал лекции по химии и физике в Сорбонне и, по совету одного из коллег отца, накупил и стал изучать французские учебники. Кроме того, Томсон встречался с выдающимися учеными – Огюстеном Коши и Жаном Био и некоторое время работал в лаборатории Рено, профессора натуральной философии в Коллеж де Франс.
Довольно «удачно» Мейклхем умер 6 мая 1846 г., как раз после того, как Томсон завершил обучение в Кембридже. Болезнь Мейклхема уже некоторое время занимала мысли Томсона. В письме к отцу в 1844 г. имеется довольно мрачный пассаж: «С огорчением узнал об опасном состоянии профессора Мейклхема. Я сейчас уже так близок к окончанию учебы в Кембридже, что было бы крайне обидно ее не завершить. Что касается нашего плана, ясно, что надо пожелать ему дожить до завершения мною следующего семестра». Очевидно, что Томсон был уверен, что он не сможет претендовать на работу в Глазго, если Мейклхем умрет раньше, чем он закончит Кембридж.
Так или иначе, но Мейклхем умер, и подковерные маневры Томсона и его отца перешли в открытые действия. Они подготовили кучу рекомендаций от мастеров и членов колледжа св. Петра, кембриджских экзаменаторов Джорджа Буля, Артура Кэли, Августа де Моргана, сэра Уильяма Роуэна Гамильтона, Виктора Рено, Джорджа Стокса и др. Отец Томсона желал добиться максимального впечатления, поэтому он организовал печать каждой рекомендации на бумаге с золотым обрезом. Типографские работы производились в Глазго, и отец Томсона сам держал корректуру.
Все увенчалось полным успехом, и 11 сентября 1846 г. 22-летний Томсон тайным голосованием был избран на должность профессора натуральной философии в университете Глазго. Он сохранял свой пост до 1899 г., не соблазнившись даже должностью заведующего кавендишевской кафедрой в Кембридже, которая предлагалась ему трижды в 1870- и 1880-х гг.
В Шотландии
Первую лекцию в качестве профессора университета в Глазго Томсон прочел 4 ноября 1846 г. В ней он дал вводный обзор всех разделов физики для студентов, записавшихся на курс натуральной философии. В письме к Стоксу Томсон признавался, что первая лекция была провалом. Он заранее полностью записал ее и все время беспокоился, что читал слишком быстро. Но это не помешало использовать ту же запись в следующем году и далее каждый год в течение пятидесяти лет, с разными вставками, поправками и улучшениями. Студенты обожали своего знаменитого профессора, хотя его способность мгновенно соображать, видеть связи и аналогии, ставила многих в тупик, особенно когда Томсон экспромтом вставлял такие рассуждения в лекции.
Благодаря энергии и энтузиазму Томсона курс натуральной философии в Глазго из общего обзора превратился в подробное изложение избранных вопросов с упором на современные достижения. За первые пять лет Томсон сумел заменить бо1льшую часть устаревшего оборудования, потратив 550 фунтов на новую аппаратуру. С учетом значительного недофинансирования в предыдущие годы это не выглядело расточительством, но подчеркивало новый подход к делу. Томсон вовлекал способных студентов в экспериментальные исследования, даже хитростью расширил свое «королевство», без разрешения оккупировав пустующие комнаты в университете и только после этого обратившись к факультетскому начальству за формальным одобрением своих действий.
Томсон был тесно связан с другим физиком ирландского происхождения Джорджем Габриэлем Стоксом. Они встретились в Кембридже и оставались близкими друзьями до конца жизни, обменявшись более чем 650 письмами. Значительная часть их корреспонденции касается исследований по математике и физике. Их умы дополняли друг друга, и в некоторых случаях мысли так объединялись, что ни один не мог сказать (да и не заботился об этом), кто первым высказал какую-то идею. Возможно, самым знаменитым примером является теорема Стокса из векторного анализа, позволяющая преобразовывать интегралы по замкнутому контуру в интегралы по натянутой на этот контур поверхности, и наоборот. Эта теорема была на самом деле сформулирована в письме от Томсона к Стоксу, так что ее надо было бы называть «теоремой Томсона».
Жаркие дебаты
В 1847 г. на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей в Оксфорде Томсон встретился с Джеймсом Джоулем из Манчестера. В течение предыдущих четырех лет Джоуль заявлял на этих ежегодных собраниях, что теплота не является, как тогда полагали, некоторой субстанцией («теплородом»), распространяющейся от одного тела к другому. Джоуль высказывал убеждение, что теплота есть на самом деле результат колебаний составляющих вещества атомов. Изучив то, как газ сжимается при охлаждении, Джоуль предположил, что ни одно вещество не может быть охлаждено ниже температуры –284 °С (позднее, как мы знаем, эта цифра была уточнена Томсоном). Кроме того, Джоуль продемонстрировал эквивалентность работы и теплоты, проведя эксперименты по определению эквивалентного количества механической работы, необходимой для нагревания одного фунта воды на 1 °F. Он даже утверждал, что температура воды у основания водопада выше, чем наверху.
Выступления Джоуля на собраниях Британской ассоциации воспринимались со скукой и недоверием. Но все изменилось на собрании в Оксфорде в 1847 г. – ведь в зале сидел Томсон. Он был восхищен тем, что говорил Джоуль, стал задавать много вопросов и спровоцировал жаркие дебаты. Правда, Томсон предположил, что Джоуль может быть неправ. В письме к брату после собрания Томсон писал: «Я посылаю работы Джоуля, которые тебя поразят. У меня было мало времени, чтобы подробно в них разобраться. Мне кажется, что сейчас в них есть еще много изъянов».
Но Джоуль не ошибался, и Томсон после долгих раздумий с ним согласился. Более того, он сумел связать идеи Джоуля с работой Сади Карно по тепловым машинам. При этом ему удалось найти более общий способ определения абсолютного нуля температуры, не зависящий от конкретного вещества. Именно поэтому фундаментальная базовая единица температуры получила позднее название кельвин (после посвящения в пэры в 1892 г. Томсон получил титул лорда Кельвина). Кроме того, Томсон осознал, что закон сохранения энергии является великим объединяющим принципом науки, и ввел понятия «статической» и «динамической» энергии, которые мы сейчас соответственно называем кинетической и потенциальной энергиями.
Трудно оторвать работы Томсона по теплоте и сохранению энергии от исследований других ученых того времени, прежде всего Майера, Клаузиуса, Гельмгольца, Джоуля, Либига и Ранкина. Все они внесли важный вклад в формулировку первого и второго начал термодинамики – тех идей, которые составляют фундамент современной физики, – и заслуживают уважения и почитания.
Возраст Земли
В июне 1851 г., как раз незадолго до 27-летия научные достижения Томсона были отмечены избранием в члены Королевского общества. В сентябре следующего года он женился на своей троюродной сестре Маргарет Крам. Он сделал ей предложение после того, как трижды был отвергнут своей прежней подругой Сабриной Смит. Последнее предложение Сабрине было сделано в апреле 1852 г., всего за три месяца до предложения Маргарет!
К тому времени Томсон достиг высочайшего уважения коллег как ученый, занимающийся чистой наукой, но еще более знаменитым он стал после своих прикладных работ. В декабре 1856 г. была образована Атлантическая телеграфная компания, и Томсона избрали в число директоров. Целью компании была прокладка телеграфного кабеля длиной 3000 миль по дну океана между Европой и Северной Америкой. Проект вызвал живой интерес публики, так что с середины 1850-х гг. Томсон стал хорошо известным общественным деятелем.
Первая попытка проложить кабель в 1857 г. провалилась, и лишь с пятой попытки в 1866 г. компания достигла успеха. «Таймс» писала о соединении Валентии в Ирландии с полуостровом Ньюфаундленд как о «самом замечательном достижении этого победоносного столетия». Томсон месяцами находился в море, участвуя в осуществлении проекта, и с энтузиазмом подробно вникал в практические вопросы. Наряду с другими участниками проекта в ноябре 1862 г. Томсон в возрасте 42 лет был посвящен в рыцари.
Не менее известными стали взгляды Томсона на тепловую историю Земли. Его интерес к этому вопросу пробудился в 1844 г., когда он был еще студентом младшего курса в Кембридже. Позднее он неоднократно к нему возвращался, что в конце концов привело его к конфликту с другими известными учеными, в том числе с Джоном Тиндаллом, Томасом Хаксли и Чарльзом Дарвином. Тональность дебатов характеризуют отзыв Дарвина о Томсоне, как о «гнусном призраке», и проповеднический пыл Хаксли, выдвигавшего эволюционную теорию как альтернативу религиозным верованиям.
Томсон был христианином, но его не заботила защита буквального толкования подробностей Творения, он, например, с удовольствием рассуждал на тему о том, что жизнь на Землю занес метеорит. Однако Томсон всегда защищал и всю жизнь продвигал хорошую науку. Он считал, что геология и эволюционная биология были слабо развиты по сравнению с физикой, основанной на строгой математике. На самом деле многие физики того времени не считали, что геология и биология являются науками вообще.
Для оценки возраста Земли Томсон, используя методы любимого им Фурье, рассчитал, сколько времени потребовалось для охлаждения расплавленного земного шара до состояния с теперешней температурой. Он восхищался книгой Фурье «Аналитическая теория теплоты», которую прочитал в возрасте шестнадцати лет. По существу, эта книга на всю жизнь определила программу его исследований. Математическое описание потока теплоты соединило его работы по термодинамике, охлаждению Земли и даже распространению сигналов по телеграфным проводам.
В каждом случае Томсон пытался сформулировать задачу так, чтобы затем ее можно было решить с помощью методов Фурье. Правда, в случае распространения сигналов по телеграфному проводу опора Томсона на подход Фурье привела к путанице в расчетах и ошибочному выводу. Уравнение, предложенное Томсоном, обладало тем замечательным свойством, что являлось полным аналогом уравнения Фурье для распространения теплоты, однако, было совершенно неправильным, т.к. полностью игнорировало самоиндукцию проводов.
К огорчению биологов и геологов оценка возраста Земли не оставляла времени для того, чтобы произошла эволюция. В 1862 г. Томсон оценил возраст Земли в 100 млн лет, но в 1899 г. пересмотрел расчеты и снизил цифру до 20–40 млн лет. Биологам и геологам требовалась в сто раз большая цифра. Расхождение между теориями разрешилось только в начале ХХ в., когда Эрнест Резерфорд понял, что радиоактивность пород обеспечивает внутренний механизм разогрева Земли, замедляющий охлаждение. Этот процесс приводит к увеличению возраста Земли по сравнению с предсказанным Томсоном. Современные оценки дают значение не менее 4600 млн лет. Но, поскольку радиоактивность была открыта, когда Томсон перешагнул 70-летний рубеж, его можно извинить за то, что он не учитывал ее роль в исследованиях, которые начал в 20-летнем возрасте!
Под парусами к новым берегам
17 июня 1870 г. Томсона постигла трагедия – умерла его жена Маргарет, которая тяжело болела практически всю их совместную жизнь. Через три месяца после ее смерти Томсон купил 126-тонную яхту «Лалла Рук». Это дало ему возможность отвлечься от горестных мыслей и сменить обстановку. Он проводил много времени на борту яхты, продолжая свои исследования.
У Томсона пробудился интерес к проблемам навигации. Он создал и запатентовал новый компас, более стабильный, чем существовавшие в то время, и устранявший девиацию, связанную со стальными корпусами кораблей. Сначала Адмиралтейство отнеслось к изобретению скептически. По заключению одной из комиссий, «компас слишком нежный и наверняка очень хрупкий». В ответ Томсон швырнул компас в комнату, где заседала комиссия; компас не повредился. Скорее всего апокрифическое окончание этой истории таково: затем Томсон швырнул в комнату стандартный компас, и он не выдержал броска. Флотское начальство было окончательно убеждено в прочности нового компаса, и в 1888 г. он был принят на вооружение всего флота. Томсон также изобрел механический предсказатель времени приливов и создал новый эхолот, с помощью которого можно было быстро определять глубину под судном и, что еще важнее, делать это на ходу корабля.
Продолжавшаяся работа Томсона по прокладке подводных кабелей привела его в 1873 г. на о. Мадейру. Повреждение одного из кабелей заставило корабль, на борту которого он находился, шестнадцать дней оставаться у берегов острова. В эти дни Томсону оказал гостеприимство богатейший местный землевладелец Чарльз Бланди. В следующем мае Томсон на «Лалла Рук» вернулся на Мадейру с тем, чтобы сделать предложение вто-рой дочери м-ра Бланди Фанни, которой было тогда 36 лет.Она приняла предложение, и свадьба состоялась в 1874 г., в день 50-летия Томсона.
Вскоре после второй женитьбы Томсон построил в Ларге вблизи Глазго новый дом в стиле замков шотландских баронов. Проект дома во многом принадлежал самому Томсону. Павлинов для парка подарил Максвелл. В полном соответствии с любовью Томсона к прогрессу дом в Ларге был единственным в окру1ге, в котором было электрическое освещение.
В 1884 г. Томсон с женой отправились в Северную Америку. Томсону предстояло прочитать 20 лекций в университете Джона Хопкинса в Балтиморе. Американцам очень понравился его свободный стиль лекций с частыми отклонениями от темы. Балтиморские лекции проходили в интерактивном режиме, Томсон мало пользовался конспектами. Лорд Рэлей, находившийся среди слушателей, заметил, что многие утренние лекции основывались на вопросах, поднятых во время завтрака. Томсон говорил о таких проблемах, как природа атомов, волновая природа света и существование эфира, дойдя даже до вычисления массы эфира в одном кубическом километре.
В 1892 г., в возрасте 68 лет, Томсон стал пэром и получил титул барона Кельвина из Ларга. Титул был выбран им по названию маленькой речки, протекающей вблизи университета в Глазго и впадающей в Клайд. Через четыре года было торжественно отмечено пятидесятилетие его работы профессором. Он ушел в отставку еще тремя годами спустя, в 1899 г., но в соответствии со своим неугомонным характером тут же записался в университет в качестве студента-исследователя.
В самом конце XIX в., 27 апреля 1900 г., лорд Кельвин прочел ставшую знаменитой лекцию в Королевском институте, озаглавленную «Тучи девятнадцатого века над динамической теорией теплоты и света». В ней он сказал: «Красота и ясность динамической теории, согласно которой теплота и свет являются формами движения, в настоящее время омрачены двумя тучами. Первая из них. <это> вопрос: как может Земля двигаться сквозь упругую среду, какой по существу является светоносный эфир? Вторая – это доктрина Максвелла–Больцмана о распределении энергии».
Обсуждение первого вопроса лорд Кельвин завершил словами: «Боюсь, что первую тучу мы пока что должны рассматривать как очень темную». Бо1льшая часть лекции была посвящена трудностям, связанным с предположением о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Этот вопрос широко обсуждался в те годы в связи с непреодолимыми противоречиями в вопросе о спектральном распределении излучения абсолютно черного тела. Подводя итог бесплодным поискам пути преодоления противоречий, лорд Кельвин достаточно пессимистично заключает, что простейший путь состоит просто в том, чтобы не обращать внимания на существование этой тучи.
Проницательность маститого физика была удивительной: он точно нащупал две болевые точки современной ему науки. Через несколько месяцев, в последние дни XIX в., М.Планк опубликовал свое решение проблемы излучения абсолютно черного тела, введя понятие о квантовом характере излучения и поглощения света, а через пять лет, в 1905 г., А.Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой сформулировал частную теорию относительности и дал отрицательный ответ на вопрос о существовании эфира. Таким образом, за двумя тучками на небе физики скрывались теория относительности и квантовая механика – фундаментальные основы сегодняшней физики.
Лорд Кельвин умер 17 декабря 1907 г.
Глубокое понимание физических законов, математическое мастерство, тщательность экспериментальных работ, соединенные с постоянным энтузиазмом и преданностью науке, позволили Уильяму Томсону внести заметный вклад во все проблемы, привлекшие его внимание. Он был королем викторианской физики и по достоинству покоится в Вестминстерском аббатстве рядом с сэром Исааком Ньютоном.
uCrazy.ru
Как лорд Кельвин едва не уничтожил теорию Дарвина с помощью законов физики
Знаменитый физик лорд Кельвин был ярым противником эволюции. И самым опасным для этого нового (на тот момент) научного течения.
Выдающийся физик XIX века утверждал, что Земля недостаточно стара, чтобы позволить естественному отбору разыграться. По законам физики XIX века ученый был абсолютно прав!
Из школьного курса физики вы наверняка помните лорда Кельвина по температуре и понятию «абсолютного нуля». Именно Кельвин предложил температурную шкалу, которую используют в современной физике. И 0 по Кельвину — это тот самый абсолютный ноль, в котором всё движение замирает. По Цельсию это будет -273,15 градусов.
Лорд Кельвин — это британский физик Уильям Томсон, которому титул пожаловала королева Виктория. Он внес большой вклад в развитие науки и научных инструментов.
Но хоть научные работы и сделали Кельвина знаменитым у научного сообщества и потомков, для публики он был больше известен в других амплуа. Он был самым ярким критиком теории эволюции своего времени.
Это сейчас теория эволюции признана всеми учеными и споры ведутся лишь по поводу ее отдельных механик. В XIX веке теория Дарвина вызвала сильнейшую бурю протеста.
Как можно, приравнять человека к другим животным! Мы подчиняемся тем же законам, что муравьи и кошки? Это невозможно!
Да, да, Бог сотворил всех животных такими, как мы их видим сейчас. А скелеты других, несуществующих видов животных — подделка, вторили представители церкви.
Однако рациональных аргументов против теории было не так уж и много. И главный из них высказал Лорд Кельвин. Аргумент был настолько серьезным, что с ним было вынуждено считаться всё научное сообщество.
Эволюция в цифрах
Уильям Томсон подсчитал на основе термодинамических законов, что возраст Солнца — 100 млн лет. За большее время вещество бы уже прогорело. И в этом Томсон был прав! Он же не знал, что реакции на Солнце подчиняются не термодинамике, а совсем другим законам! Впрочем, обо всем по порядку.
Земля, с учетом теории происхождения планет, существовала по оценкам лорда Кельвина всего 40 млн лет.
Для эволюции требуются гораздо большие сроки. 100 млн лет ничтожно мало, чтобы жизнь из простейших организмов достигла того многообразия, что мы видим сейчас.
Тогда ученые не могли точно посчитать, сколько времени для этого нужно. Но интуитивно понимали, что за 100 млн лет такого масштаба не будет.
И они были правы. Вот несколько интересных цифр:
То есть 3,35 млрд лет жизни потребовалось только для того, чтобы развиться до многоклеточных форм. И еще десятки миллионов лет — на эволюцию каждого из их видов.
Конечно, на тот момент никто уже не верил в оценки религиозных мыслителей, что Земле — 6 тысяч лет. Но даже 40 миллионов это очень мало! По оценкам самого Дарвина, на эволюцию всего живого на Земле нужно 200 млн лет.
Раз для эволюции требуются гораздо большие сроки, чем время жизни Солнца и Земли, значит жизнь на нашей планете не могла развиваться по ее законам, заявил Кельвин. А значит — животные уже были сотворены приспособленными для своих биологических ниш.
Трагедия Дарвина
Чарльз Дарвин ушел из жизни в 1882 году — как раз в разгар критики. И можно только посочувствовать мэтру. Ведь все последние годы его жизни прошли в сомнениях в теории эволюции. В том, чему он посвятил всю свою жизнь!
Дарвин доживал последние дни во времена, которые стали худшими для теории эволюции. Никогда с момента создания теории эволюции ее положение не было таким шатким.
Аргументы Кельвина были железобетонными по канонам науки того времени. Физика считалась самой точной из естественных наук и строгой по методологии. А значит ее данные ставились во главу угла. Дела у теории естественного отбора стали плохи.
Последние слова Дарвина выражали печальную надежду на то, что будущие открытия в физики помогут свести временные потребности естественного отбора с физическими расчетами.
[quote]«Многие физики и философы еще не готовы признать, что мы недостаточно знаем о строении Вселенной и об устройстве ядра земного шара, чтобы безопасно строить предположения о его времени существования». (с) Чарльз Дарвин[/quote]
Дарвин был прав, но на это потребовалось еще 30 лет и великий ученый не дождался своего триумфа.
В 1895 году физики окончательно сошлись во мнении, что возраст Земли составляет 20–40 миллионов лет. Теория естественного отбора выглядела обреченной.
Прорыв в физике
А уже в следующем году французский физик Анри Беккерель открывает радиоактивность. Тогда ученые еще не осознают масштаба открытия, но дни теории Кельвина уже сочтены.
В 1903 году Беккерель вместе с Пьером и Марией Кюри получает нобелевку за свое открытие. Радиоактивность признается всеми учеными.
А далее начался лавинообразный эффект. Радиоактивность предоставила в распоряжение человечеству принципиально новый метод измерения возраста древних объектов.
Зная время распада радиоактивных изотопов можно отследить, на какой стадии они находятся в горных породах. И вычислить, когда они были образованы.
Но, главное, Солнце и другие звезды не прогорают так быстро, как считалось ранее. Ведь в их недрах происходят ядерные реакции, у которых куда больший потенциал и энергетическая мощность.
Уже в 1911 году возраст Земли был увеличен до 1,7 млрд лет. А в 1953 году он был подсчитан на уровне 4,5 млрд лет. Что и стало общепризнанным возрастом нашей планеты.
Теперь у естественного отбора появилось то самое время, в котором он так нуждался!
ТОМСОН УИЛЬЯМ, БАРОН КЕЛЬВИН (1824 г. – 1907 г.)
26 июня 1824 года в ирландском городе Белфасте родился Уильям Томсон – один из величайших физиков в истории науки, человек, который за свои научные достижения был удостоен титула лорда (что, надо сказать, происходило совсем не часто). Его предки были обычными ирландскими фермерами. Правда, Джеймс Томсон, отец Уильяма, окончил университет в Глазго и был довольно известным математиком, преподавал в Королевском академическом институте Белфаста. В 1817 году он женился на Маргарет Гарднер. Их брак был многодетным (четверо мальчиков и две девочки). Старший сын, Джеймс, и Уильям воспитывались в доме отца, а младшие мальчики были отданы на воспитание старшим сестрам. Неудивительно, что Томсон-старший позаботился о достойном образовании своих сыновей. Поначалу он больше внимания уделял Джеймсу, но скоро стало ясно, что слабое здоровье старшего сына не позволит ему получить хорошее образование, и отец сосредоточился на воспитании Уильяма.
В 1832 году Томсон-старший получил должность профессора математики в Глазго, и семья покинула Белфаст. В 1834 году Уильям поступил в университет Глазго, в котором для способных детей преподавались и дисциплины средней школы. Большую роль в формировании у юноши научных интересов сыграл Джон Никол, известный шотландский астроном и популяризатор науки, работавший в университете с 1839 года. Он следил за передовыми достижениями науки и старался знакомить с ними своих учеников. Одним из таких новшеств стал метод рядов Фурье[88], применению которого в физических исследованиях Томсон, будучи еще студентом, посвятил несколько работ. В частности, он применил метод рядов Фурье к изучению закономерностей распространения тепла в различных средах и показал аналогию между распространением тепла и электрического тока.
В 1841 году отец устроил Уильяма в Кембридж. Учился юноша успешно, в 1845 году он получил диплом второго ранглера[89] и выиграл премию Смита[90]. Надо сказать, что Уильям Томсон был всесторонне развитым молодым человеком, он занимался спортом, даже входил в команду Кембриджа по академической гребле и вместе со своими товарищами одержал победу над студентами Оксфорда в знаменитой гонке, проводящейся с 1829 года. Также Томсон хорошо разбирался в музыке и литературе. Но всем этим увлечениям он предпочитал занятия наукой, и здесь его интересы также отличались разнообразием.
В 1845 году Уильям Томсон сделал одну из первых попыток математически интерпретировать представления Фарадея о близкодействии. В этом году он получил специальную стипендию, благодаря которой смог уехать в Париж, где некоторое время работал в лаборатории известного физика Анри Виктора Раньо. Во Франции Уильям в основном занимался электростатикой и опубликовал ряд работ, в которых, в частности, изложил разработанный им электрический метод получения изображения. Этот метод впоследствии стал очень полезным инструментом во многих электростатических исследованиях.
В 1846 году Томсон получил приглашение возглавить кафедру теоретической физики в Глазго. Уже тогда 23-летний ученый приобрел определенный авторитет и известность в научных кругах. Об этом свидетельствует хотя бы его участие в ежегодном заседании Британской ассоциации содействия развитию науки в 1847 году, во время которого Уильям услышал доклад Джоуля о теориях теплопередачи. Эта тема его очень заинтересовала и он всерьез занялся термодинамикой. Уже в 1848 году Томсон предложил свою знаменитую термодинамическую шкалу температур (шкалу Кельвина). От других температурных шкал она отличается тем, что в качестве точки отсчета взят абсолютный ноль температуры. Таким образом, шкала эта не зависит от свойств термометрического вещества (вещества, используемого в измеряющем температуру приборе).
В 1851 году Уильям, почти одновременно с Рудольфом Клаузиусом и независимо от него, сформулировал второе начало термодинамики. В формулировке Томсона этот закон звучал так: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершаемая за счет охлаждения теплового резервуара». Отсюда английский ученый сделал далеко идущие выводы: коль скоро механическая энергия может полностью перейти в тепловую, а полное обратное превращение невозможно – в конце концов, вся энергия перейдет в тепловую, а следовательно, механические движения прекратятся. Этот вывод стал известен как «идея о тепловой смерти Вселенной». Следует сказать, что сейчас гипотеза о тепловой смерти Вселенной считается ошибочной, но в любом случае она очень способствовала развитию термодинамики.
Продолжал Уильям Томсон исследовать и электрические явления. В том же 1851 году он сделал еще одно открытие: обнаружил, что при намагничивании ферромагнетиков изменяется их электрическое сопротивление. Это явление получило название эффекта Томсона в ферромагнетиках (о термоэлектрическом эффекте Томсона мы расскажем чуть ниже). Своими работами Уильям привлекал внимание все более широкого круга коллег. 1851 год ознаменовался еще одним значительным событием – Томсона избрали членом Лондонского королевского общества.
В 1852 году ученый женился на Маргарет Крам, в которую он был влюблен с детства. Он был счастлив, но счастье, к сожалению, длилось недолго. Уже во время медового месяца здоровье Маргарет резко ухудшилось. Следующие 17 лет жизни Томсона были омрачены постоянными тревогами за здоровье супруги, и практически все свободное время ученый посвящал уходу за ней.
В 1852–1856 годах Томсон активно сотрудничал с Джоулем, хотя общались ученые в основном посредством переписки. В 1853–1854 годах они совместно провели серию опытов и обнаружили эффект изменения температуры газа при его адиабатическом расширении. Эффект Джоуля – Томсона может быть положительным (газ охлаждается) и отрицательным (газ нагревается). Помимо научного интереса это явление имеет и практическое применение: оно используется при получении очень низких температур.
Наконец, в 1855 году ученый совместил две сферы своих научных интересов и стал исследовать термоэлектрические процессы. Он разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений. Многие такие явления уже были известны, некоторые открыл сам Томсон. Одно из них получило название термоэлектрического эффекта Томсона. Заключается он в следующем: если вдоль проводника, по которому протекает электрический ток, имеется перепад температуры, то помимо процесса нагревания, объясняемого законом Джоуля – Ленца, происходит дополнительное поглощение или выделение тепла (в зависимости от направления тока). Самое удивительное, что Томсон не экспериментально осуществил это открытие, а предсказал его исходя из своей теории. И это в то время, когда ученые еще не имели даже более-менее правильных представлений о природе электрического тока! К исследованиям термоэлектрических явлений Томсон привлекал и студентов. Благодаря этому начинанию была создана первая в университете Глазго учебно-научная лаборатория.
Очень интересовался английский ученый практическим применением достижений современной ему науки. В 1854 году он получил предложение принять участие в проекте прокладки трансатлантического телеграфного кабеля. Этой работе Томсон посвятил очень много сил и времени, с 1856 года он входил в совет директоров компании «Атлантик Телеграф», участвовал, в основном, во время каникул, в экспедициях по прокладке кабеля. Но наибольшее содействие реализации проекта Томсон оказал своими научными исследованиями. Он изучал закономерности распространения электрических импульсов по проводам, электрические токи в колебательном контуре[91], разрабатывал теорию электромагнитных колебаний и в частности вывел одну из основных формул электро– и радиотехники, названную его именем (формула Томсона определяет зависимость периода колебаний контура от емкости его конденсатора и индуктивности катушки).
Конечно же, во время экспедиций такой разносторонний и увлеченный человек, как Томсон, не мог не заинтересоваться вопросами мореплавания. Применение своим изобретательским и научным талантам он нашел и в этой сфере: усовершенствовал конструкции компаса и лота, провел исследования по теории волн и теории приливов и т. д. Вообще же изобретательская деятельность Уильяма Томсона заслуживает отдельного внимания. Он сконструировал и усовершенствовал целый ряд физических приборов: зеркальный гальванометр, квадратный и абсолютный электрометры, был автором и нескольких прикладных изобретений. Например, он запатентовал ондулятор[92] с сифонной подачей чернил, один из видов телеграфного ключа и даже водопроводный кран собственной конструкции.
За участие в прокладке трансатлантического телеграфного кабеля 10 ноября 1866 года Уильяму Томсону и другим руководителям проекта были присвоены титулы лордов. Эта деятельность отнимала множество сил и времени, и ученому долгое время приходилось ограничиваться только теми исследованиями, которые можно было проводить, не отвлекаясь от нее. Но эта работа очень увлекала Томсона, к тому же он страстно полюбил море. С 1869 года Уильям Томсон принимал участие в прокладке французского атлантического кабеля.
17 июня 1870 года умерла Маргарет. После этого ученый решил изменить свою жизнь, больше времени посвящать отдыху, он даже купил шхуну, на которой совершал прогулки с друзьями и коллегами. Летом 1873 года Томсон возглавлял очередную экспедицию по прокладке кабеля. Из-за повреждения кабеля экипаж был вынужден сделать 16-дневную остановку на Мадейре, где ученый подружился с семьей Чарлза Бланди, особенно с Фанни – одной из его дочерей, на которой женился летом следующего года.
Помимо научной, преподавательской и инженерной деятельности, Уильям Томсон выполнял и многие почетные обязанности. Трижды (1873–1878, 1886–1890, 1895–1907) он избирался президентом Королевского общества Эдинбурга, с 1890 по 1895 год возглавлял Лондонское королевское общество. В 1884 году совершил поездку в США, где прочел серию лекций. В 1892 году за научные заслуги ученый получил титул первого барона Кельвина (это имя было взято от названия реки, протекающей по территории университета Глазго). К сожалению, Уильям стал не только первым, но и последним бароном Кельвином – его второй брак, так же как и первый, оказался бездетным. В 1899 году Кельвин оставил кафедру в Глазго, хотя и не перестал заниматься наукой. В следующем году он выступил с лекцией о кризисе динамической теории света и тепла. Позже ученый интересовался новыми открытиями: рентгеновскими лучами, радиоактивностью и др. Умер лорд Уильям Кельвин 17 декабря 1907 года. Похоронен ученый в Вестминстерском аббатстве, рядом с могилой Исаака Ньютона.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Наводнение 1824 года
Наводнение 1824 года Царствование Александра I не кончилось для Петербурга и страны благополучно. Два страшных бедствия, одно природное, другое социальное, обрушились на город. И в центре их оказался Медный всадник, под которым будто бы и живет гений города. 7 ноября 1824 года
БАЙРОН (1788–1824)
БАЙРОН (1788–1824) Джордж Ноэл Гордон Байрон происходил из знатного, хотя и обедневшего, рода. Детство провел в городе Абердине (Шотландия). В десятилетнем возрасте унаследовал от двоюродного деда титул лорда и поместье. После закрытой аристократической школы, где начал
1. Испания и Португалия с 1824 г
1. Испания и Португалия с 1824 г Испания с 1824 г.Бессмысленную систему, установившуюся в Испании после вторжения, вскоре пришлось несколько изменить. Сам король изменил направление не потому, что его мстительность и жестокость были удовлетворены или он понял, что излишнее
1824 Мьюримут; Foedera; CCR; Бейкер; S.C.[8.
ШАРЛЬ ЛУИ ДЕ СЕКОНДА, БАРОН ДЕ МОНТЕСКЬЕ (1689—1755) Барон де Ла Бред, французский просветитель, философ, писатель.
ШАРЛЬ ЛУИ ДЕ СЕКОНДА, БАРОН ДЕ МОНТЕСКЬЕ (1689—1755) Барон де Ла Бред, французский просветитель, философ, писатель. Этот человек пользовался популярностью не только у своих современников, но и оказал плодотворное влияние на монархов и государственных деятелей последующего
«Эда» (1824) и другие поэмы
«Эда» (1824) и другие поэмы В поэме «Эда» поэт намеренно ушел в сторону как от байронической «восточной» поэмы, так и от романтической поэмы Пушкина. Новаторство Баратынского заключалось в том, что он, следуя проблематике романтических поэм Байрона и Пушкина (столкновение
ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН (1856 г. – 1940 г.)
ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН (1856 г. – 1940 г.) Знаменитый английский физик Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в Читэм-Хилл, пригороде Манчестера (Англия) в семье Джозефа Джеймса Томсона и Эммы Томсон, урожденной Свинделлс. Его отец был известным книготорговцем и
Глава XIII Грузия в 1907–1917 годы. Политическая реакция (1907–1910 гг.)
Глава XIII Грузия в 1907–1917 годы. Политическая реакция (1907–1910 гг.) Поражение революции 1905–1907 годов в значительной мере повлияло на дальнейший ход политических, экономических и социальных процессов в Грузии. Ликвидация отдельных очагов революции произошла не сразу.
Наводнение, 1824 год Александр Грибоедов
Наводнение, 1824 год Александр Грибоедов В декабре 1824 года, словно предвещая бурные события года следующего, в Петербурге случился природный катаклизм: наводнение, самое катастрофическое в истории города – вода поднялась на 180 см выше ординара. Очевидцем наводнения
Тема 50 «Третьеиюньская» монархия в 1907–1914 гг. Классы и партии в 1907–1914 гг
Тема 50 «Третьеиюньская» монархия в 1907–1914 гг. Классы и партии в 1907–1914 гг ПЛАН1. Характер «третьеиюньской» политической системы.1.1. Законодательная власть: Парламент. – Избирательный закон 1907 г. – Император.1.2. Исполнительная власть.1.3. Судебная власть.1.4. Правовой
1824 Анкета № 198 / 98 // Личн. архив автора.
16 ноября 1907 г. Пусть расцветет наш родной, русский цвет (Речь П. А. Столыпина, произнесенная в Государственной Думе 16 ноября 1907 года в ответ на выступление члена Государственной Думы В. Маклакова)
16 ноября 1907 г. Пусть расцветет наш родной, русский цвет (Речь П. А. Столыпина, произнесенная в Государственной Думе 16 ноября 1907 года в ответ на выступление члена Государственной Думы В. Маклакова) […]Только то правительство имеет право на существование, которое обладает
1824 «Цзинцзи жибао»: бурное развитие…
Южная ссылка (1820-1824)
Южная ссылка (1820-1824) Кавказ, Крым, Кишинев, Каменка, Одесса В мае 1820 года Пушкин был выслан из Петербурга. После непродолжительного пребывания в Екатеринославле (Днепропетровск) он с семьею Раевских направился на Кавказские Минеральные воды. Затем Пушкин перебрался в Крым
Михайловское (1824-1826)
Михайловское (1824-1826) 31 июля 1824 года Пушкин выезжает из Одессы. “От оперы, от темных лож. И, слава Богу, от вельмож. Уехал в тень лесов Тригорских. В далекий северный уезд” (вариант "Путешествия Онегина"). В первые месяцы пребывания в новой ссылке Пушкин пишет Вяземскому: "Я