开尔文爵士的真名叫威廉·汤姆孙。他是本世纪的最伟大的人物之一，是一个伟大的数学物理学家兼电学家。他被看作英帝国的第一位物理学家，同时受到世界其他国家的赞赏。他的一生获得了一切可能给予的荣誉。而他也无愧于这一切，这是他在漫长的一生中所作的实际努力造成的。这些努力使他不仅有了名望和财富，而且赢得了广泛的声誉。
少年汤姆孙
威廉·汤姆孙的父亲名叫詹姆斯·汤姆孙。老汤姆孙出身贫寒，是一位著名的数学教授，他撰写的教科书曾多次再版。在他的七个孩子中，长子也叫詹姆斯，是一位著名的科学家和工程师，次子威廉也就是后来的开尔文爵士成为了著名的物理学家。
威廉的父母都是苏格兰血统，但他们在爱尔兰的贝尔斯特住了几年，威廉就是在那里诞生的。1832年，詹姆斯·汤姆孙被聘为格拉斯哥大学的数学教授。他的两个儿子尚在童年时就去听他的课，他们分别在十二岁和十岁时就被批准正式入学。威廉十五岁时读了拉格朗日的《分析力学》和傅里叶的《热的分析理论》，后一本书给他留下了深刻的印象并成为他喜爱并经常翻阅的读物。
汤姆孙一家在英国过着不错的日子，1839年，父亲带领他们全家在欧洲大陆上旅行。在当时天才的威廉除了本国语言外，已经学会了德语和法语。1841年他十七岁时，进入彼得豪斯的剑桥大学，一所传统的苏格兰学院。威廉很快就在剑桥出了名。他发表了一些数学论文，并形成了对音乐的兴趣。总之，他热爱生活。在三年多时间内父亲给了他774英镑，这在当时是非常大的一笔财富。因此老汤姆孙在给儿子的信中写道，"如何解释这一切？你是丢了钱还是被人骗了钱？要不就是你的生活水平太高了？认真考虑这件事情并给我一个清楚完整的说明。"这些话虽然非常严厉，但实际上他的父亲对他的幸福和成就是非常关心的。1841年，威廉参加了剑桥大学的荣誉学位考试并名列第二。这点颇令人失望，因为大学都以为他会取得第一名的。但是不久他到巴黎去完成学业。这时他发现了一篇非常重要的文章，格林（1793－1841）写的《数学分析在电磁理论中的应用》，文中有作者提出的著名的倒易定理。当时该文几乎不为人所知，并极难找到。威廉很快就理解了它的内容，并很好地付之应用。
在巴黎，这个年轻的物理学家结识了法国首都的许多数学家界名人，包括斯图谟、柯西和刘维尔。刘维尔听到汤姆孙有格林的论文时非常兴奋，因为他也独立地得到了格林的某些结果，但从未见过格林的文章。在索尔本的法国公学，汤姆孙听了化学家杜马和物理学家雷尼奥的讲课。他自愿协助雷尼奥，并作为实验室的一名正式助手开始与他一起工作。这时汤姆孙仔细阅读了克拉贝龙的文章，熟悉了它的内容。克拉贝龙是卡诺热机理论的坚决支持者。因此很自然地，汤姆孙急于希望得到一本卡诺的书。他曾说起过，为了找到拉扎尔或伊波利特·卡诺的著作，他走访了许多新旧书商。当时没有人知道萨迪。直到1848年，他才第一次看到《谈谈火的动力》一书。
执教格拉斯哥
1846年，格拉斯哥大学的自然哲学教授去世，这并非是件意外的事。在这前后，汤姆孙父子一直在作仔细认真的准备，希望让威廉接替这一职务。1846年，年仅二十二岁的威廉·汤姆孙被任命为自然哲学教授。他任此职达五十年之久。格拉斯哥大学具有应用研究的传统，瓦特曾是那里的仪器制造技师，以比热说著名的布莱克也在那里工作过。该大学收藏的仪器中既有纽可门（1663－1729）制造的古老的蒸汽机原型，也有现代仪器。汤姆孙从组织教学开始工作。例如，他将地下室改建成实验室，学生可以在那里做实际工作，这些工作又和汤姆孙本人的研究有关。当时，他的实验室是首批这种类型的实验室中的一个，它发展得相当快，并对汤姆孙在电机工程方面的半商业化企业提供了有力的帮助。
汤姆孙每星期有四天课，每天两节，内容包括课堂教学和实验室教学。他的讲课很生动，但难以理解。汤姆孙讲授的许多重要实验给学生留下了深刻的印象，但是在讲课中他的迅速而丰富的想法常常使他离题而转去叙述一个新的课题。然而，总的来说，通过举例和丰富的教学内容，他的课堂教学非常成功。当时在电机工程方面的许多权威都来自格拉斯哥大学。与教学相联系，他和爱丁堡大学的泰特教授合写了一部著名的教科书《自然哲学专论》。但是这书一直未完成，现有的两卷仅限于力学。今天，这书已经过时了。然而，汤姆孙的同时代人将它与牛顿的《原理》一书相比拟。麦克斯韦曾带有分析地评论过它，在读了麦克斯韦的评论后，我才醒悟到书中一些精采而恰到好处的幽默。格拉斯哥大学的这个职位对于汤姆孙来说是非常适宜的，其他许多大学和机构曾许诺给他以高级职务，都未能使汤姆孙离开这里。
汤姆孙的早期科学研究
1847年，汤姆孙研究了克拉贝龙的文章后，看出该文提供了一种作出与工作物质无关的温度刻度即绝对温标的方法。汤姆孙的想法是通过卡诺循环定义温度，因而与工作流体毫不相关。按新的定义，当温度降低一度时释放出的热量对应于一定量的功。气体温度计可以近似地看作提供了这种温标。如果气体定律在所有情况下都严格成立，则所有气体温度计应该给出同样的温度（这不是偶然的），但事实上气体温度计并不是绝对地与工作物质无关的。
在1848年的文章中，汤姆孙追随了卡诺关于热量守恒的假设，假定高温时进入热机的热量与低温时离开热机的热量相等。
他的原话是这样的：
"我现在所建议的温标的特点是刻度均匀，即从温度为T°（在该温标下）的物体A传送单位热量到温度为T°－1的物体B时，不论T°值为多少，均产生相同的机械效应。我们称这为绝对温标，因为它的特性与工作物质的物理性质无关。"
当然，这种叙述的出发点是有错误的，因为A提供的热量并不等于B接收的热量。但是这种方法很容易与数年以后的能量守恒定律相适应。值得注意的是，当这篇文章发表时，汤姆孙已经知道了焦耳的工作，这工作动摇了热质说的基础。在关于绝对温度的文章的一条脚注中，他写道：
"这一课题的论著者们看来几乎普遍持有热量守恒的观点。不过一个相反的观点已由曼彻斯特的焦耳先生提出，他研究运动流体的摩擦生热得到的重要发现以及大家熟知的磁发电机实验似乎都表明机械运动与热质之间是可以转换的。然而显示这种转换的实验至今尚未被引证。我们必须承认，关于自然哲学的许多基本问题，目前还是处于一种神秘的状态。"
实际上，1847年在牛津召开的英国科学协会会议上，汤姆孙就已经遇到过比他大六岁的焦耳。他从焦耳那里了解到焦耳所作的关于功以一个固定的比率转换为热的实验，即一定量的功等价于一定的热量，换算系数是一个常数。
许多年后，汤姆孙回忆道
"我永远不会忘记1847年牛津的那次英国科学协会会议，在一个分会上，我听到一个非常谦虚的年轻人的报告，他的表情表明了他要阐述一个伟大的思想。他的报告深深地打动了我。开始时，我认为他与卡诺的理论相矛盾，所以是不对的，在听完报告以后，我和作者焦耳说了几句话，这就是我们两人四十年交往和友谊的开始。当天晚上，在英国科学协会安排的学术谈话会上，我们交谈了一个小时，广泛地讨论热力学各方面的问题。我从他那里得到了许多我从未有的新思想，我相信当我谈到卡诺理论时，我也告诉他一些值得深思的事情。我们就在牛津拉德克利夫图书馆分手了，但是我可以肯定，我们两人都感到有许多问题要和对方进一步讨论。当晚谈的许多事是值得仔细回味的。"
在这以后，两人就开始了理论和实验的合作。他们首先要做的是重复和改进盖·吕萨克的实验，这是一个很重要的实验，因为它表明气体在真空中膨胀时温度不变。由此他们想到绝对温标的想法必须修正，这件事是由汤姆孙做的。最后的结果和卡诺证明的一样，如果热机的效率定义为怕获得的功W与热源供给热量Q的比值，这一效率仅仅是热源和冷凝器温度T和T'的函数。
这样定义的绝对温标必须与实际刻度比较，此事在以后几年中完成了。通常在摄氏温标中，将标准大气压下水的冰点和沸点之间的温度差定为100度。对真实气体和其他工作物质，焦耳和汤姆孙也定义了绝对温标的参考点。目前采用的绝对温标是精确定义水的三相点为273.16度（开氏）而得到的。在这三相点，冰、蒸气和液体处于平衡状态，它的压强和温度是固定的。
汤姆孙还将热力学应用于其他自然现象，包括电现象，并成为这方面的行家。热力学这门学科在当时还不能为许多人所理解，在汤姆孙所生活的时代里，他主要因为其他一些贡献而著名。
在电学方面，汤姆孙以极高明的技巧研究过各种不同类型的问题，从静电学到瞬变电流。他揭示了傅里叶热传导理论和势理论之间的相似性，讨论了法拉第关于电作用传播的概念，分析了振荡电路及由此产生的交变电流。他的文章影响了麦克斯韦，后者向他请教，希望能和他研究同一课题，并给了他极高的赞誉。
汤姆孙还将物理学用到完全不同的领域。他研究过太阳热能的起源和地球的热平衡。他的方法可靠而有趣，但只由于他不知道太阳和地球上的能量来自核能，因而不可能得到正确的结论。他试图用落到太阳上的陨石或用引力收缩来解释太阳热能的起源。约在1854年，他估算太阳的"年龄"小于5×108年，而这只是我们现在知道的值的十分之一。
从地球表面附近的温度梯度，汤姆孙试图推算出地球热的历史和年龄。他的估算仍然太低，仅为4×108年，而实际值约为5×109年。地质学家以地质现象的演变为理论根据，很快就发现他的估算是错误的。他们不能驳倒汤姆孙的数学，但他们肯定他的假定是错误的。同样，生物学家也发现汤姆孙给出的时间进程与最新的进化论的观念相悖。这一争论持续了多年，汤姆孙完全不理解别人的反对意见是正确的。最后，直到放射性和核反应的发现，才证明了汤姆孙假设的前提是完全错误的。
1855年，汤姆孙第一次见到亥姆霍兹，后来他们成为终生的朋友。他的这位德国朋友曾对妻子这样提到他：
我一直期望见到他，他年龄比我略大，是欧洲最优秀的数学物理学家之一。当我看到一位看起来非常年轻的人朝我走来时，我非常惊讶。他有着金色的头发，样子非常温柔。他已经在自己住处附近为我租了一间房间，我不得不将行李从旅馆搬往那里。很快，他的妻子也来了，她是一个非常迷人而且聪明的女子，但是非常瘦弱，他是为了妻子才停留在克劳兹纳赫的。就思维的敏锐、清晰和灵活来说，我认为他超过所有我知道的大科学家。以致我和他在一起就感到相形见绌了。
当时，汤姆孙年仅三十一岁，他已经写了他漫长的一生中发表的661篇著作中最好的90篇文章。他即将开始他生活中新的一页。
汤姆孙和大西洋海底电缆
那时，电报已出现了许多年，它的传送距离不断增加。建造一条横跨大西洋连接欧洲和美国的海底电缆的计划已成为可能，而且是一项有利可图的事业。经过初步研究以后，几个实业界巨头组织了大西洋电报公司，投资35万英镑，汤姆孙被苏格兰股东们推选为十八人董事会的董事长。
汤姆孙是唯一的深刻了解企业所面临的技术问题的董事长。前几年中，他发展了以"电报方程"为主体的信号传输理论，这一理论说明了信号在电缆中是如何传播的。他也了解铜的导电率、绝缘体的介电常数、沿着电缆的损耗等问题的重要性。他的另一位技术同行怀特豪斯是一个有经验的自学成材的人，他对这些技术问题的了解就少多了。
从事实际的电报开发工作改变了汤姆孙的生活。他成为一个实业家，担负的责任和工作与他的研究生涯完全不同。由于精通理论加上他出众的管理和富有创造性的特长，使他能出色地适应这一新的职业。针对所面临的实际问题，他不时地研制出许多仪器，其中有镜式电流计，它用无重量的一束光代替了指针。麦克斯韦还为此写了一首诗。
1856年汤姆孙开始参加铺设电缆的工作，当时因电缆质量不好，在铺设了330海里后就断裂了，汤姆孙就在架设电缆的船上。他研究了与铺设电缆工程有关的力学问题及与信号传送有关的电学问题，对此，光有实用的方法是不够的，还需紧密联系所要解决的具体问题。
1858年，一条新电缆的架设工作开始了，汤姆孙又上了船。在这次远征中他们遇到了暴风雨，几乎危及了整个施工工程，但是在1858年8月5日，汤姆孙终于送出了第一个信号。这条电缆仅仅维持了约一个月，损坏的部分原因是电缆的结构，另一个原因是怀特海德加在电缆上的高电压有问题。几年后，他们又进行了一次新的尝试。到1865年，公司有了一条质量很好的电缆并有一艘大船可以装载它。汤姆孙再一次随船铺设，然而在大西洋中间，电缆突然折断，公司不得不停止架设工作。1866年，第四次铺设终于成功了。当时还修复了前一年断裂的电缆，结果共有两条电缆可以使用。人们庆祝铺设电缆成功，汤姆孙被授予勋爵和格拉斯哥城的荣誉自由公民。
电缆工作及其他发明使汤姆孙成为富翁。他的仪器在格拉斯哥的眼镜商兼仪器制造者怀特的工场中生产，他们共建了一个公司，这公司发展得十分兴盛，因而成为本行业之首。
不倦的科研岁月
正值中年的汤姆孙，1860年圣诞夜在滑冰时不幸摔倒并跌断了左腿，伤势很严重，使他永远成了跛子，甚至影响了他的生活能力。后来在1870年，也就是婚后十八年，他失去了妻子。虽然他妻子一生体弱多病，她的去世并非出乎意外，但是这件事仍然使他非常悲伤。
1871年，威廉得到一艘126吨的快艇，从那时起，威廉有相当多时间是在快艇上渡过的。他常常邀请朋友们共游，有一次他计划与亥姆霍兹、麦克斯韦、赫胥黎、廷德尔和泰特一起乘船游弋，遗憾的是他们未能全部出席。在船上他不倦地研究物理数学问题，常常在航行中得到灵感。他经常随身带着朋友那著名的绿色笔记本，里面写满了数学计算。他显然常与他的朋友们（例如亥姆霍兹）比赛，看谁计算得快。
流体力学特别是其中的涡旋理论成为汤姆孙最喜爱的学科之一，他受亥姆霍兹工作的启示，发现了一些有价值的定理。另一方面，他关于涡旋原子的推测则是非常错误的。他航行的收获之一是在1876年发明了适用于铁船的特殊罗盘，这一发明后来为英国海军所采用，而且一直用到被现代回转罗盘代替为止。汤姆孙的企业生产了许多磁罗盘和水深探测仪，从中大为获利。
基于他的实践经验和理论知识，汤姆孙感到迫切需要统一电学单位，当然他不是唯一的做这方面的工作的人。公制的引入使法国革命向前跨了一大步，但是电学测量却产生了全新的问题。高斯和韦伯奠定了绝对单位制的理论基础，"绝对"意味着它们与特定的物质或标准无关，仅取决于普适的物理定律。在绝对单位制中如何确定刻度，如何选择合适的倍数因子使它能方便地应用于工业，如何劝说科技界共同接受这一单位制，所有这一切都是重要并且困难的任务。1861年英国科学协会任命一个委员会开始这项工作，汤姆孙是其中的一员。他们努力工作了许多年，一直到1881年，由汤姆孙和亥姆霍兹起主导作用的在巴黎召开的一次国际代表大会，和1893年，在芝加哥召开的另一次代表大会，才正式接受这一新的单位制，并采用伏特、安培、法拉和欧姆等作为电学单位，从此它们被普遍使用。然而，单位制的问题并未就此解决，后来的一些会议又改变了其中某些标准量的定义，它们的实际值也相应变动了，虽然这种变动是非常小的。
1873年，当汤姆孙为了有关电报的事务停留在马德拉时，他认识了马德拉一位富有的土地持有者的女儿布兰迪小姐。1874年他们结婚。他的新妻子爱好社交和娱乐。他们在格拉斯哥附近的拉格斯盖了一所豪华的苏格兰式的庄园。早在1881年，他们的房子里就装上了电灯。
曾有好几年，汤姆孙对政治非常感兴趣，他的思想从极端自由主义的色彩演变成后来的拥护自由联合和帝制，从追随格莱斯顿变为追随罗斯伯里和索尔兹伯里。1892年他被选为那时仍具有很大政治影响的上议院中的贵族，并成为格拉斯哥的开尔文勋爵。推荐他进入上议院的两名贵族中有一位是斯特拉特，即瑞利勋爵。
开尔文勋爵充沛的精力一直维持到他的晚年，并且他对物理学任何新发展都感兴趣。他看到了X射线和放射性的发现，曾帮助过居里夫妇。在他去世纪前夕，相对论和量子论已经萌芽，而他自己搞的物理学已经过时。1884年他在巴尔的摩发表的讲演虽然有某些可取之处，但是他抨击光的电磁说的理由显然是站不住脚的。开尔文勋爵过于依附力学模型，他非常精通力学模型，是一个经典力学的弹性力学的权威，他曾设想把整个物理学纳入力学体制中。在这方面他不是唯一的人。深刻的思想可以用模型作启发工具，然而在必要时还得超出模型的局限，这正式开尔文勋爵所欠缺的地方。
开尔文的一生是非常成功的，他可以算作世界上最伟大的科学家中的一位。他于1907年12月17日去世时，得到了几乎整个英国和全世界科学家的哀悼。他的遗体被安葬在威斯敏斯特教堂牛顿墓的旁边。 |
