威廉·湯姆森，即開爾文勳爵，是英國最傑出的科學家之一，在數學、實體學和工程學等領域取得了輝煌的成就。他的人生軌迹證明，憑借熱情和天賦，一個人可以自然地獲得功名利祿。2024年6月26日是開爾文誕辰200周年，我們簡要回顧這位偉大科學家的一生。
撰文 | 瞿立建
2024年6月26日是英國數學家、實體學家、工程師威廉·湯姆森（William Thomson，1824.6.26-1907.12.17），即開爾文勳爵（Lord Kelvin）誕辰200周年。他在純粹科學、應用技術、個人财富與名望方面都達到極高的高度。
開爾文勳爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin）丨圖源：wikimedia
天才顯露：10歲大學生
威廉·湯姆森生于現在的北愛爾蘭首府貝爾法斯特，自幼在每年6月25日慶祝生日，但他的官方檔案記載的生日是6月26日。英國維多利亞時代（1837-1901）流行記錄親朋好友的生日簿，湯姆森會在生日簿 6 月 25 日那欄簽下“威廉·湯姆森”，同時在 6 月 26 日簽下“開爾文”，并打趣地說：“有兩個名字就應過兩個生日。”
威廉·湯姆森的父親和姐姐确認他生于1824年6月26日淩晨，官方檔案沒有錯誤。威廉·湯姆森的父親詹姆斯·湯姆森（James Thomson）是數學家，在大學做教授。詹姆斯工作非常勤奮，每天淩晨4點就起來工作。
詹姆斯·湯姆森的工作機關現在是貝爾法斯特女王大學的一部分。丨圖源：wikimedia
詹姆斯特别注重對自己孩子的教育。一年冬天，一場風暴吹碎了家裡所有的窗戶，吹斷了煙囪，還将廚房砸了一個洞。詹姆斯老師拿出家裡的氣壓計，給孩子們講述氣象學的知識。
湯姆森一家有七個孩子，威廉排行第四。這是一個愛好學習的家庭，大孩子帶着小孩子讀書，一家人其樂融融。不幸的是，威廉六歲那年，他的母親因病去世了。
1832年，詹姆斯被蘇格蘭的格拉斯哥大學聘為教授，便帶着一家人離開了愛爾蘭。
威廉一直在父親教授的初等數學課堂裡學習，他年僅10歲便入讀父親任教的格拉斯哥大學（以下簡稱格大）。在當時來說，這并不算特别誇張，當時格大入學年齡一般是14歲，入學的孩子也不是直接學大學課程，而是先學初等課程。
1839年，詹姆斯帶着全家去歐洲大陸旅行。到了巴黎，詹姆斯把威廉和他的一個哥哥留了下來學法語，家裡其他人繼續去瑞典旅遊。威廉在酒店研讀法國數學家、實體學家拉普拉斯（Pierre-Simon Laplace，1749-1827）的著作《天體力學》（Mécanique Céleste），期間他自己完成了一篇85頁的論文《論地球的形狀》（Essay on the figure of the Earth），後來這篇論文還獲得了大學的獎。
1840年，詹姆斯帶領全家來到德國，讓全家人全身心學習德語。在出發前兩天，威廉讀到英國數學家、愛丁堡大學教授凱蘭（Philip Kelland，1808-1879）的書《熱的理論》（Theory of Heat），書中說法國數學家、實體學家傅裡葉的名著《熱的解析理論》（Théorie analytique de la chaleur）内容是錯的，這令他感到震驚，便随身帶了一本法語版《熱的解析理論》去德國。在德國他偷偷摸摸研習傅裡葉的著作。
詹姆斯發現兒子威廉沒有專心緻志學德語，對科學内容卻頗為上心，詹姆斯并沒有責備他，反而與兒子一起讨論發現的問題。威廉認為凱蘭錯了，傅裡葉是對的。詹姆斯細緻研究威廉的論證後，認為兒子是對的。威廉将他的論證整理出一篇論文并發表，這是他平生正式發表的第一篇論文。在1841年，他又發表兩篇關于熱傳導的論文。
威廉的數學才華在格拉斯哥聲名鵲起，每個人都知道，他應該去劍橋深造。1839年和1840年，威廉分别通過了格拉斯哥大學學士和碩士畢業考試，但他沒有選擇拿學位，因為擔心有學位後無法入讀劍橋。
1841年10月，17歲的威廉入讀劍橋大學彼得學院（Peterhouse, Cambridge）。
劍橋大學彼得學院丨圖源：wikimedia
父親詹姆斯經常給威廉寫信，叮囑他：劍橋學費占收入的三分之一，花錢可不要大手大腳，注意節約；與人為善，尤其不要和别人争論宗教話題；把心思用到學習上，而不是劃船和開Party上。
威廉給老爸回信，滿口答應一定将全部心思撲到學習上，還附上了自己的日程安排，顯示自己早睡早起，讀書、上課、宗教活動、體育鍛煉等活動，安排得非常緊湊。
不過很快，威廉就放飛了自我，他加入了賽艇隊，又搞起了樂隊，遠足、滑冰、遊泳等活動也不落下。威廉給父親寫信的内容也主要變成了要錢。威廉的轉變讓父親詹姆斯痛心不已，擔心一個好孩子完了。
父親的擔心多餘了，威廉的學習成績一如既往的優秀。
威廉能保持優異的學習成績，要感謝一位“教培”老師威廉·霍普金斯（William Hopkins，1793-1866）。劍橋大學一大特色是應試教育，數學三角凳（Mathematics Tripos）考試名震天下，這項考試的佼佼者很多人後來成為科學大家。有人的地方就有江湖，有考試的地方就有教培。霍普金斯老師就是一代三角凳教培傳奇。
威廉經過霍普金斯嚴格教育訓練後，于1845年1月走入三角凳考場。威廉的數學才華人盡皆知，他被寄予很高期望。考試前，數學家羅伯特·艾利斯（Robert Leslie Ellis）任考官，他對另一個考官哈維·古德溫（Harvey Goodwin）說：“我們隻配給威廉·湯姆森修筆。”考試結果出乎很多人意料，威廉獲得第二名。第一名斯蒂芬·帕金森（Stephen Parkinson）赢在應試能力更強，他後來也成為劍橋著名的老師。
威廉·霍普金斯（William Hopkins），英國地質學家和數學家，以三角凳考試教育訓練而聞名。丨圖源：wikimedia
不過，在約一個月後更注重考生原創研究能力的史密斯獎（Smith's Prize）考試中，威廉扳回一城，以較大優勢奪得第一名。
1845，威廉從劍橋大學畢業，獲得一等學位。他不僅成績優異，學術研究成果也很突出，發表了12篇論文。
擔起科教重任：重返格拉斯哥大學
威廉尚未畢業時，他的父親已經在運作他畢業後的去向了。1841年，威廉·湯姆森入讀劍橋時，格拉斯哥大學的自然哲學教授威廉·梅克勒姆（William Meikleham，1771-1846）身患重病，不大可能再回到工作崗位上了，正好威廉的父親負責尋找梅克勒姆的接班人。詹姆斯希望繼任者出身劍橋，注重教學，但要認同蘇格蘭教育系統的價值觀。
詹姆斯一直找不到合适的人選。1842年聖誕節那天，他突然靈光閃現：自己的兒子不就是最合适的人選嗎？有了這個想法之後，他開始不動聲色地指導威廉人情世故并完善履曆，要他注意維護人脈關系，在劍橋盡可能多修一些實驗課，尤其是天文儀器方面的課程（這是梅克勒姆的專長領域）。
威廉于1845年畢業後，聽從父親的建議，到法國巴黎大學進修化學和實體課。期間，他結識以精确測量氣體熱力性質而聞名的維克托·勒尼奧（Victor Regnault，1810-1878），進入他的實驗室工作。威廉很珍惜這次工作機會，整天泡在實驗室裡學習操作各種實驗儀器。威廉還得以與後來教科書上的衆多法國科學大家，如畢奧（Jean-Baptiste Biot，1774-1862）、柯西（Augustin-Louis Cauchy，1789-1857）、劉維爾（Joseph Liouville，1809-1882）、施圖姆（Jacques Charles François Sturm，1803-1855）等深入讨論科學；尤其是劉維爾，引導威廉關注法拉第、庫侖（Charles-Augustin de Coulomb，1736-1806）、泊松（Siméon Poisson，1781-1840）等人對電現象的研究。
法拉第提出電、磁互相作用是通過類似流體的媒體來進行的，同時代的人對這一觀念不以為然，普遍認為電、磁作用力為超距作用，而威廉·湯姆森是最早試圖用數學刻畫法拉第新觀念的人，發展出了一種解決靜電問題的強大方法——電像法。威廉在電磁學方面的工作後來啟發麥克斯韋建立了電磁學的完整理論——麥克斯韋方程組。
詹姆斯對威廉感到很欣慰，一則聽從了自己的建議，履曆無可挑剔；二則結識了衆多科學大家，能拿到有力的推薦信。
1846年5月6日，梅克勒姆教授去世。詹姆斯開始操作自己孩子接替梅克勒姆職位的事情。1846年9月11日，威廉·湯姆森被一緻推舉為梅克勒姆的繼任者，當時年僅22歲。
1846年11月，威廉正式走上講台上課，自此開始了他的教師生涯。他講的課學生普遍還是歡迎的，隻不過有一個嚴重的缺點：他假設學生像他一樣天才，導緻學生跟不上。
威廉入職之後，着手做的一件大事是重整格大的實驗室。威廉看到當時的實驗室充斥着老舊的儀器，動辄上百年的曆史，甚至幾乎沒有五十年以内的儀器。是以威廉向學校申請采購新裝置，學校決定由威廉領銜一個委員會具體負責此實驗器材采購。威廉不辭辛苦，克服重重困難，經過十餘年的努力，終于建成整個英國最早的教學實驗室，威廉對此非常自豪。威廉的實驗室不僅用于教學，還用于優秀學生開展嚴肅的科研工作。
威廉在格大建立的實體教學實驗室後來為英國衆多名校效仿。
威廉·湯姆森建立的實體教學實驗室位于圖中大樓丨圖源：Lord Kelvin: An Account of His Scientific Life and Work
威廉自身的科研工作也一樣碩果累累。
威廉與他的劍橋學長，數學家、實體學家喬治·斯托克斯（George Stokes，1819年-1903年）經常在信中交流數學，留下650封信，著名的斯托克斯定理就來自威廉給斯托克斯的信，是以，這個定理應稱為“湯姆森定理”。他們的信中還讨論了熱的理論與流體理論的相似之處。
威廉·湯姆森最早在熱學上的成就來自與偉大的實驗實體學家、啤酒釀造商焦耳（James P. Joule，1818-1889）的交流。
1847年，不列颠科學促進會（British Association for the Advancement of Science，BAAS）在牛津開學術會議，威廉聽了焦耳的學術報告。焦耳總結自己過去四年所做的精細測量，提出很多新奇的觀點。焦耳認為，當時普遍接受的觀點——熱是一種叫做“熱質”的物質——是錯誤的，熱實質上是組成物質的原子的振動。既然熱是一種運動的效應，在機械功與熱之間應該存在一定的當量關系，焦耳通過實驗确定了這一當量關系。
焦耳這次報告的階段性工作已經多次講過，得到的反響總是一片沉默，但這次不一樣，有人站起來提問了。提問者正是威廉·湯姆森，他的提問引發了激烈的讨論。會後威廉給父親寫信說，焦耳的發現非常有啟發性，但結論一定是錯的。
威廉經過仔細的思考，逐漸認識到焦耳是對的。他與焦耳在信中進行讨論，結下終身的友誼。威廉将焦耳的工作與卡諾（Nicolas Carnot，1796-1832）在熱機方面的工作聯系起來，設計了一種定量标定溫度的方法——實體學中稱為溫标，這種方法不依賴于任何特定的物質。由此得到的溫度機關後來以威廉·湯姆森獲封的爵位命名，即開爾文。
英國實體學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）丨圖源：wikimedia
威廉還是能量守恒定律的确立者之一，他引入了“靜态”和“動态”能量的概念——分别對應現在所說的勢能和動能。他還是熱力學第二定律的創立者之一。
到了1850年代，威廉在純科學領域建立了很高的聲譽；至1854年末，他發表了80餘篇論文，在電磁學、熱學等廣泛領域提出了深刻的洞見。後來，在應用科學方面，他收獲了更大的名聲。
進軍實業：電纜與海事
1856年，美國和英國商人創辦了大西洋電報公司（Atlantic Telegraph Company），計劃敷設一條長度近五千公裡的跨越大西洋，連接配接歐洲和北美的海底電纜，威廉·湯姆森被聘為科學顧問。威廉跟随施工隊伍來到茫茫大海上，親臨第一線發揮自己的智慧。在威廉的科學決策下，海底電纜敷設經曆四次失敗後，終于在1866年成功，歐洲與北美可以通過電報互相溝通了。這一成就被《泰晤士報》贊譽為“當下這個勝利世紀最偉大的成就”，也使42歲的威廉·湯姆森獲封為爵士。
威廉發展的新技術也用于敷設法國到加拿大的跨大西洋海底電纜。威廉還參與成立了一家工程顧問公司，從中擷取了大筆财富，成為了大富翁。
威廉在電纜方面的工作也給他的科學事業提供了豐富的養料，比如他對很多地學問題産生了興趣。
威廉·湯姆森認為，地質學和進化生物學沒有用到嚴格的數學，因而是不靠譜的。他現在要用嚴格的數學來研究一個地質學問題——地球的年齡。威廉使用他所鐘愛的傅裡葉方法來計算地球從熔融狀态冷卻到現在的溫度所需的時間。
地球年齡問題是威廉在劍橋讀書時就感興趣的問題，他一生就這個問題發表了20餘篇論文，一半以上是海底電纜工程之後發表的。
威廉一通計算，得出結果：地球年齡不超過1億年。這個數字讓進化論學家和地質學家無法接受，因為這麼短的時間，生物進化和地質演化的現象都不足以發生。
1869年，有“達爾文的鬥牛犬”之稱的生物學家赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825-1895）對威廉的工作評論道：
“數學就像一台精巧的磨面機，能磨出要多精細有多精細的粉料。但是，不管怎樣，你得到什麼取決于你投入了什麼，就像世界上最偉大的磨坊不可能從豌豆中磨出小麥粉一樣，一頁一頁的公式也不可能從零散的資料中得到确定的結果。”
他計算地球年齡的數學理論錯了嗎？
數學本身沒有太大錯誤，但是他遺漏了一個因素——放射性。20世紀初，實體學家意識到，放射性為地球提供了一種内部加熱機制，進而減緩了地球的冷卻程序，是以，地球曆史要比威廉的計算結果更久。但是，這也不能怪威廉，因為到他70多歲時放射性現象才被發現。
1870年，他的妻子因病去世，為了走出喪妻之痛，他買了艘船，準備出海而去，重溫海上敷設電纜的歲月。
威廉·湯姆森購置的船丨圖源：wikimedia
海上航行讓他對海事問題産生了興趣，此後十餘年裡，他寫了50餘篇相關論文，涉及潮汐、導航、燈塔、海深測量等問題。他設計出了當時世界上最穩定的羅盤，且不受船舶金屬艙體的幹擾。他還設計出一種預測潮汐的機械裝置。他設計出不停船測海深的方法。英國作為海上帝國，威廉開發的技術至關重要。
威廉·湯姆森1872年設計的潮汐預報機器丨圖源：Sciene Museum Group
晚年榮光
1892年1月1日，威廉·湯姆森被冊封為第一代開爾文男爵（1st Baron Kelvin），成為貴族。
1896年，開爾文從教50周年慶祝大會在格拉斯哥大學隆重舉行，活動持續三天之久，來賓2500餘位，英國女王親自發來賀電。慶祝活動的一部分是一個盛大的展覽，展有開爾文的所有發明、獎章、80多個學術組織的會士或院士證書等。會場專門設定了一座臨時電報站，接收世界各地——遠至莫斯科、多倫多、孟買、東京——發來的賀電。
1899年，75歲的開爾文退休。他不舍對格大的熱愛，重新注冊為格大的學生。他同時成為這所大學曆史上最年輕和最年長的學生。
1902年，開爾文成為英國首次頒發的功績勳章（Order of Merit）獲得者之一。
1907年12月17日，開爾文去世，享年83歲。12月23日，開爾文男爵下葬西敏寺，其墓與牛頓墓相鄰。
1913，開爾文的家鄉北愛爾蘭的貝爾法斯特為他樹立了一座雕像。
西敏寺開爾文的墓碑丨圖源：Westminster Abbey Library
開爾文男爵在數學、實體學、工程等領域取得不朽成就，一生發表論文660篇。他在技術創新方面也卓有建樹，申請70項專利。他不是象牙塔式學者，不羞于掙錢，也确實實作了财務自由。
開爾文占全了功、名、利、祿，他絲毫沒有汲汲于鑽營，而是憑熱情和天才行事，自然獲得了一切。
參考資料
- Kelvin Life, Labours, and Legacy, by Raymond Flood (Editor), Mark McCartney (Editor), Andrew Whitaker (Editor), Oxford University Press, 2008
- The Life of William Thomson, Baron Kelvin of Largs, by Thompson Silvanus Phillips, Legare Street Press, 2022
- William Thomson: king of Victorian physics, Mark McCartney, Phys. World, 2002, 15(12), 25
- https://en.wikipedia.org/wiki/Lord_Kelvin
- https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Thomson/
- https://www.mit.edu/~kardar/research/seminars/knots/history/Thomson.html
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