论威廉汤姆孙

论威廉汤姆孙

威廉汤姆森（williamthomson，1824-1907，以下简称w.汤姆森）是英国的一名杰出的物理家。为了在大西洋的海上运输中建造电缆，清政府于1866年获得英国绅士，并于1892年成为英国男子，并被称为开尔文男爵。从那时起，他改名为彼得克里斯。他目前的研究生活、幽默、幽默、教育和科学生活的教育风格，以及倡导理论和统一科学观点的简短讨论，启发了一代又一代的人。1自我效率的特点W.汤姆孙于1824年6月26日出生在爱尔兰的贝尔法斯特,这是一个由于宗教压迫而离国逃迁的苏格兰誓约派教徒的家庭.8岁时他就随其任数学教授的父亲在格拉斯哥大学旁听数学,10岁便考入该校学习.思维敏捷,勤学好问,勇于接受科学的挑战,是青少年时期的W.汤姆孙的一大特点和坚定的信念.当他还只有16岁时,就在日记中写下了第11条诫律:“科学领略到哪里,就在哪里攀登不息:前进吧,去测量大地,衡量空气,记录潮汐;去指示行星在哪一条轨道上奔跑,去纠正老黄历,叫太阳遵从你的规律.”2w.汤姆孙的学说当年正值风华正茂的W.汤姆孙,刚被选拔到很多白发苍苍的竞争对手所求之不得的光荣职位上之后,就以初生牛犊不畏虎之势,决定在格拉斯哥大学物理系来一场革命.他首先一改长期以来节约成癖的苏格兰教授们,满足于将实验统统挤在教室里进行的习惯,将一间藏酒的地窖,改装成“英国第一所现代实验室”.1)电磁学.W.汤姆孙分别在静电和静磁学的理论、交流电、静电绝对测量和电磁测量以及大气电学等方面,都做出了卓著的业绩.其中特别是关于莱顿瓶的放电振荡性的研究、电像法的发明表现得更加突出.2)热力学.W.汤姆孙于1848年提出并在1854年修改的绝对热力学温标,100年后即于1954年被国际会议确定为现代科学上的标准温标,并将其命名为开尔文温标.他所提出的精辟论断:“不可能从单一热源取热使之完全变为有用的功而不产生其他影响”(1851年),是国际物理学界公认的热力学第二定律的标准说法,并由此断言能量耗散是普遍的趋势.从而W.汤姆孙和克劳修斯(R.Clausius)一起,被科学界誉为热力学第二定律的两个主要奠基者之一.此外,他在热力学方面还取得了两个重大成就:一是他从理论上预言了一种新的温差效应,即当电流在温度不均匀的导体上通过时导体吸收热量的效应,后来人们称其为汤姆孙效应.二是他和焦耳(J.P.Joule)合作的多孔塞实验,研究气体通过多孔塞后温度改变的现象,在理论上是为了研究实际气体与理想气体之差别,在实用上则为后来液态空气制造工业提供了重要的方法.3)电信工程.大西洋电缆敷设工程,是W.汤姆孙一项举世嘱目的工作,他不仅在工程的设计和制造上为1866年6月成功铺设这一海底电缆花费了很大的心血;而且他还根椐电缆中信号的传播情况,于1855年从理论上得出了信号传播速度减慢与电缆长度平方成反比的规律;同时还为解决信号延滞问题取得了系列进展,诸如改进了铜导线的质量、发明了镜式电流计和虹吸式记录仪等.4)电工仪器与航海设备.W.汤姆孙在电工仪器上的主要成就是建立了电磁量的精确单位标准和设计了各种精密测量的仪器,其中包括绝对静电计、开尔文电桥、圈转电流计等.并根椐他的建议,1861年英国科学协会设立了一个电学标准委员会,为近代电学单位标准奠定了基础.不仅如此,W.汤姆孙还改进了航海用的罗盘和测量海底深度的仪器;发明了潮汐分析器和潮汐预报器,曾经研究过运用回转仪在航海中的指向.5)波动与涡流、以太学说.W.汤姆孙由于深受自己在建造大西洋海底电缆中航海生活的启发,使他在波动与涡流方面有了许多理论建树,其中还包括对弹性固体方面所作的研究.他的主要目的一则是为了发展航海事业,二则是为了发展他的机械论自然观,企图通过这些研究并运用数学工具,将电磁现象和光现象的完整统一理论,建构在牛顿经典力学的框架上.因此,他一方面热衷于以太理论,把假想的以太当作一种实际存在的物质加以研究,以求得能充分地解释电磁现象和光现象作为以太的某种运动形式.另一方面他也曾满怀信心地表示:“假如我能把固体对于电磁和电流有关的状态重新作一番更特殊的考察,我肯定会超出现在所知道的范围”6)地球的年龄.W.汤姆孙曾根椐他对地面散热情况的快慢估计出,假如没有其他热的来源的话,地球从液态到达现在状况的时间不能比一亿年长.虽然他对地球年龄的初步预计同地质学家和生物家的估算相比要短得多,并为此W.汤姆孙曾和他们进行过长期的争论,但对方却无法驳倒他的理论.直到1896年发现了放射性物质——一种热的新来源之后,才宣告了W.汤姆孙的估计不成立,这一问题才得到最终的解决.总之,围绕如上所述的6个方面,W.汤姆孙一生发表的论文有600多篇,并获70种发明专利,真可算得上是一位多才多艺的多产科学家.3w.汤姆孙的音乐教育思想在上文中我们曾提及,当年血气方刚的W.汤姆孙,打马上任格拉斯哥大学物理教授所做的第一件事,是使英国的第一所现代实验室在一个酒窖里诞生了.与此同时,这也是有史以来“英国第一个为学生用的物理实验室.”在日常授课中,全身心地投入,运用生动活泼的教学形式引发学生的兴趣,也是W.汤姆孙所一贯倡导和奉行的执教风范.他总是根据学生所学课程内容,辅之幽默风趣的身体语言(按:手势或姿态)或借助实物“寓教于乐”,以求得最佳的教学效果.例如,当他谈到星宿会舞蹈时,他就在讲台上做出一个舞姿;当他涉及声学原理时,他就取出一个自己在大学管弦乐队里吹过的法国号,津津有味地吹出一曲旋律,激起学生们立即站立起来大喝其彩;当他分析速度原理时,他就拿出其在部队用过的那支旧的来复枪,对着大摆钟连射几发子弹,有时W.汤姆孙甚至命令他的学生们抽烟,把烟从嘴里喷出一个又一个的烟圈,藉以揭示原子的动力学模型;即使是出一道严肃的代数题,他也会拿来一根指示棍,放在手指上笔直地站着,保持平衡不倒,而学生们则屏住呼吸看他表演,然后他说:“你们看,假使这根棍子平衡在一座高山顶上,你们说地球得用多大的力气?”基于物理学是一门在对各种现象作大量观测和取得数据的基础上,定量地研究自然规律的实验科学.这样一来,运用物理实验对学生进行直观性教学,就显得至关重要.W.汤姆孙作为一个物理学家自然深知这个道理.据此,他总是千方百计、想方设法地去添置实验器材.结果就在他的课堂和实验室里堆满了各种各样的仪器,真是五花八门,样样俱全.小配件堆积在桌上,有的吊在天花板上,有的还挂在墙上.至于大件,有一套三件的螺旋弹簧振荡器;一座30英尺长的摆钟,摆的尾巴上还悬挂着一个12磅重的炮弹;一部怪样子的机器,里面装着许多弹子球,球不断地向各个方向滚动,藉以揭示星云的动力学运动;此外还有成堆的陀螺仪,他把一个陀螺仪放在另一个陀螺仪上面旋转,藉以研究行星的运动.……在课堂的一角,从天花板上吊下一件看上去平凡无奇的装置——一个覆盖着橡皮薄膜的金属圈,是用来揭示露滴的性质的4w.汤姆孙的“在天之灵”从前文中我们了解到,W.汤姆孙基于他的机械论自然观,试图创立一个将电磁现象和光现象作统一描述的理论.从而深刻地表达了他对那种“能把世界的现象都包罗无遗地完善统一的理论”的渴求.虽然这一尝试未能如愿,但却充分展示出W.汤姆孙是一位当之无愧的倡导科学理论统一的先驱者之一.他的这一科学观,还可以从他于1860年5月在伦敦皇家研究所所作的关于大气电学的讲演中得到佐证.针对“现象与本质”问题,W.汤姆孙指出:“常常提出这样的问题,人们是否只管事实和现象,而放弃追究隐藏在现象后面的物质的最终性质呢?这是一个必然由纯正哲学者回答的问题,它不属于自然哲学的范围.但是近许多年来世界上看到从这个屋子的实验结果中所发生的、在实验科学史上未曾有过的一连串的令人惊奇的发现.这些发现必然把人们的知识引导到这样一个阶段,将使无生物世界的规律表现出每一现象基本上与所有全体现象相连,而无穷尽的多样化的运用规律所达到的统一性将被认为是创造性智慧的产物.”毋庸置疑,W.汤姆孙力图理论统一的科学观,在物理学史上具有划时代的里程碑式的伟大意义,产生了不可抗拒的极其深远的影响.可以说,从爱因斯坦的统一场论假说的提出,到杨-密尔斯规范场理论的创立和弱电统一理论的被证实,再到为了谋求弱、电、强、引力四种相互作用的统一,而相继出现的超对称和超弦理论,超引力理论和引力规范理论等,都是W.汤姆孙的这一科学思想不断地被深化、细化、精确化和明朗化的结果.他所向往的统一理论随着物理学发展的日新月异,其眉目日趋清晰,真是曲曲凯歌,动人肺腑.所有这一切,正可告慰作为先驱和祖师的W.汤姆孙的“在天之灵”;物理学家们正以空前的热情发展着他所开创的统一事业.正是因为W.汤姆孙这一备受英国本土和欧美各国物理学界所推崇的力图“理论统一”的科学观,及其在诸多领域中所取得的系列卓越的成就,使他不仅被英国政府相继封为前文所述的爵士和男爵,而且分别于1851年和1877年先后被选为英国皇家学会会员及法国科学院院士,并于1890年至1895年间担任了皇家学会会长,等等.W.汤姆孙持之以恒、苦心孤诣地致力于科学事业,在攀登科学高峰的征途中,知难而上,不怕