威廉·汤姆森,即开尔⽂勋爵,是英国最杰出的科学家之⼀,在数学、物理学和⼯程学等领域取得了辉煌的成就。他的⼈⽣轨迹证明,凭借热情和天赋,⼀个⼈可以⾃然地获得功名利禄。
2024年6⽉26⽇是开尔⽂诞⾠200周年,我们简要回顾这位伟⼤科学家的⼀⽣。威廉·汤姆森⽣于现在的北爱尔兰⾸府⻉尔法斯特,⾃幼在每年6⽉25⽇庆祝⽣⽇,但他的官⽅⽂件记载的⽣⽇是6⽉26⽇。威廉·汤姆森的⽗亲和姐姐确认他⽣于1824年6⽉26⽇凌晨,官⽅⽂件没有错误。威廉·汤姆森的⽗亲詹姆斯·汤姆森是数学家,在⼤学做教授。詹姆斯特别注重对⾃⼰孩⼦的教育。
威廉⼀直在⽗亲教授的初等数学课堂⾥学习,他年仅10岁便⼊读⽗亲任教的格拉斯哥⼤学。1839年,詹姆斯带着全家去欧洲⼤陆旅⾏。到了巴黎,詹姆斯把威廉和他的⼀个哥哥留了下来学法语,家⾥其他⼈继续去瑞典旅游。威廉在酒店研读法国数学家、物理学家拉普拉斯的著作《天体⼒学》,期间他⾃⼰完成了⼀篇85⻚的论⽂《论地球的形状》,后来这篇论⽂还获得了⼤学的奖。
1840年,詹姆斯带领全家来到德国,让全家⼈全身⼼学习德语。在出发前两天,威廉读到英国数学家、爱丁堡⼤学教授凯兰的书《热的理论》,书中说法国数学家、物理学家傅⾥叶的名著《热的解析理论》内容是错的,这令他感到震惊,便随身带了⼀本法语版《热的解析理论》去德国。在德国他偷偷摸摸研习傅⾥叶的著作。
威廉的数学才华在格拉斯哥声名鹊起,每个⼈都知道,他应该去剑桥深造。1839年和1840年,威廉分别通过了格拉斯哥⼤学学⼠和硕⼠毕业考试,但他没有选择拿学位,因为担⼼有学位后⽆法⼊读剑桥。1841年10⽉,17岁的威廉⼊读剑桥⼤学彼得学院。
威廉能保持优异的学习成绩,要感谢⼀位“教培”⽼师威廉·霍普⾦斯。威廉经过霍普⾦斯严格培训后,于1845年1⽉⾛⼊三⻆凳考场。威廉的数学才华⼈尽皆知,他被寄予很⾼期望。考试结果出乎很多⼈意料,威廉获得第⼆名。
不过,在约⼀个⽉后更注重考⽣原创研究能⼒的史密斯奖考试中,威廉扳回⼀城,以较⼤优势夺得第⼀名。1845,威廉从剑桥⼤学毕业,获得⼀等学位。他不仅成绩优异,学术研究成果也很突出,发表了12篇论⽂。
威廉尚未毕业时,他的⽗亲已经在运作他毕业后的去向了。1841年,威廉·汤姆森⼊读剑桥时,格拉斯哥⼤学的⾃然哲学教授威廉·梅克勒姆身患重病,不⼤可能再回到⼯作岗位上了,正好威廉的⽗亲负责寻找梅克勒姆的接班⼈。詹姆斯希望继任者出身剑桥,注重教学,但要认同苏格兰教育系统的价值观。
1846年9⽉11⽇,威廉·汤姆森被⼀致推举为梅克勒姆的继任者,当时年仅22岁。1846年11⽉,威廉正式⾛上讲台上课,⾃此开始了他的教师⽣涯。他讲的课学⽣普遍还是欢迎的,只不过有⼀个严重的缺点:他假设学⽣像他⼀样天才,导致学⽣跟不上。
威廉⼊职之后,着⼿做的⼀件⼤事是重整格⼤的实验室。威廉看到当时的实验室充斥着⽼旧的仪器,动辄上百年的历史,甚⾄⼏乎没有五⼗年以内的仪器。因此威廉向学校申请采购新设备,学校决定由威廉领衔⼀个委员会具体负责此实验器材采购。威廉不辞⾟苦,克服重重困难,经过⼗余年的努⼒,终于建成整个英国最早的教学实验室,威廉对此⾮常⾃豪。
威廉在格⼤创建的物理教学实验室后来为英国众多名校效仿。威廉⾃身的科研⼯作也⼀样硕果累累。威廉与他的剑桥学⻓,数学家、物理学家乔治·斯托克斯经常在信中交流数学,留下650封信,著名的斯托克斯定理就来⾃威廉给斯托克斯的信,所以,这个定理应称为“汤姆森定理”。
威廉·汤姆森最早在热学上的成就来⾃与伟⼤的实验物理学家、啤酒酿造商焦⽿的交流。1847年,不列颠科学促进会在⽜津开学术会议,威廉听了焦⽿的学术报告。焦⽿总结⾃⼰过去四年所做的精细测量,提出很多新奇的观点。焦⽿认为,当时普遍接受的观点——热是⼀种叫做“热质”的物质——是错误的,热实质上是组成物质的原⼦的振动。
威廉还是能量守恒定律的确⽴者之⼀,他引⼊了“静态”和“动态”能量的概念——分别对应现在所说的势能和动能。他还是热⼒学第⼆定律的创⽴者之⼀。到了1850年代,威廉在纯科学领域建⽴了很⾼的声誉;⾄1854年末,他发表了80余篇论⽂,在电磁学、热学等⼴泛领域提出了深刻的洞⻅。
1856年,美国和英国商⼈创办了⼤⻄洋电报公司,计划敷设⼀条⻓度近五千公⾥的跨越⼤⻄洋,连接欧洲和北美的海底电缆,威廉·汤姆森被聘为科学顾问。威廉跟随施⼯队伍来到茫茫⼤海上,亲临第⼀线发挥⾃⼰的智慧。在威廉的科学决策下,海底电缆敷设经历四次失败后,终于在1866年成功,欧洲与北美可以通过电报互相沟通了。
威廉在电缆⽅⾯的⼯作也给他的科学事业提供了丰富的养料,⽐如他对很多地学问题产⽣了兴趣。威廉·汤姆森认为,地质学和进化⽣物学没有⽤到严格的数学,因⽽是不靠谱的。他现在要⽤严格的数学来研究⼀个地质学问题——地球的年龄。威廉使⽤他所钟爱的傅⾥叶⽅法来计算地球从熔融状态冷却到现在的温度所需的时间。
1892年1⽉1⽇,威廉·汤姆森被册封为第⼀代开尔⽂男爵,成为贵族。1896年,开尔⽂从教50周年庆祝⼤会在格拉斯哥⼤学隆重举⾏,活动持续三天之久,来宾2500余位,英国⼥王亲⾃发来贺电。庆祝活动的一部分是⼀个盛⼤的展览,展有开尔⽂的所有发明、奖章、80多个学术组织的会⼠或院⼠证书等。
1899年,75岁的开尔⽂退休。他不舍对格⼤的热爱,重新注册为格⼤的学⽣。他同时成为这所⼤学历史上最年轻和最年⻓的学⽣。1902年,开尔⽂成为英国⾸次颁发的功绩勋章获得者之⼀。1907年12⽉17⽇,开尔⽂去世,享年83岁。12⽉23⽇,开尔⽂男爵下葬⻄敏寺,其墓与⽜顿墓相邻。
开尔⽂男爵在数学、物理学、⼯程等领域取得不朽成就,⼀⽣发表论⽂660篇。他在技术创新⽅⾯也卓有建树,申请70项专利。他不是象⽛塔式学者,不羞于挣钱,也确实实现了财务⾃由。开尔⽂占全了功、名、利、禄,他丝毫没有汲汲于钻营,⽽是凭热情和天才⾏事,⾃然获得了⼀切。