第八十一回　绝对温标发明人，电磁理论缺缘分

啪，我三拍惊堂木：“列位看官，《科学家列传叁》开讲啦！”

读完前两册的朋友，您累了吗？若还没累，那就请继续往下读吧；若已累，那也请继续读吧，因为，本书的一个功效就是“提神，解困，陪您乐！”。

提起本回主角的名字“汤姆逊”，你肯定不陌生；但就像国内有太多“李二娃”一样，全球也有太多“汤姆逊”。到底是哪个汤姆逊呢，这可不好回答；因为，即使是限定人类历史上的顶级物理学家，那也至少还剩下3个汤姆逊：威廉·汤姆逊、约瑟夫·约翰·汤姆逊和乔治·佩吉特·汤姆逊。

幸好，时任英皇给本回的汤姆逊赐予了一个独特的名字，叫“开尔文”；所以，下面就主要称他为开尔文了。实际上，该名字至今还在多个科学领域频繁出现呢。比如开尔文波、开尔文材料、开尔文机制、开尔文光度、开尔文变换、开尔文电桥、开尔文天平、开尔文定理、开尔文函数、开尔文测量法、开尔文电报机、开尔文不稳定性、开尔文环流定理等。当然，大家最熟悉的莫过于国际单位制中的温度单位“开尔文”了。那英皇为啥要给这位汤姆逊赐名呢？当然是要表彰他在科研方面的巨大贡献。准确地说，英皇所赐的全称是“开尔文男爵”，即把一个名叫开尔文的小镇名义上赐给他作为领地。所以，至今在英国还有一条河，叫开尔文河；有一个公园，叫开尔文森林公园。开尔文一生在热学、光学、数学、电磁学、流体力学、地球物理、工程应用等许多领域，都取得了重大突破。用他自己的话来说“科学巅峰在哪里，我就在哪里攀登不息”，而且还声称“别把数学想象得太难，它只不过是常识的升华而已！”妈呀，口气好大！到底是何方神圣，竟如此胆大包天！欲知详情，请看下文。

刚好在小仲马诞生前一个月，即1824年6月26日，在英国贝尔法斯特城诞生了一个大胖小子。哇，小家伙好可爱哟，滴溜溜转的眼睛闪闪发光，既像玉娃娃，更像瓷宝宝。就像国内众多“狗剩”爹娘一样，父母一高兴就给他取了一个极平凡的名字，叫威廉·汤姆逊，希望“名贱命贵”；果然，后来英皇都得给他授勋赐爵并奖赏了一个“贵”名，叫开尔文；所以，我们下面称这位“洋狗剩”为开尔文。

呱呱坠地时，开尔文本该按“规定动作”扯着尖嗓子，不断“哇，哇”大哭；但很快他就破涕为笑了，因为他发现自己的命真好：父亲是英国皇家学院的数学教授，性情温和，治学勤奋；母亲乃富家千金，且为典型的贤妻良母；更幸福的是，自己作为家中老四，上有二个姐姐和一个哥哥，今后还将再有两个弟妹，全家6个兄弟姐妹，既非常热闹又和睦共处；特别是，小开尔文额外聪明伶俐，所以最受父母宠爱，“捧在手里怕摔了，含在嘴里怕化了”。但是，仅仅只笑了6年，开尔文就又哭了。因为，6岁那年，爱他的和他爱的妈妈竟不幸去世了！悲哭一阵子后，开尔文又笑了，因为农民出身且自学成才的老爸又毅然挑起了照料全家的担子：不但把更多的爱奉献给了子女，而且还特别重视孩子的早期教育，以至在家里培养出了多位神童。真的，你看，大约在开尔文7岁时，作为数学教授的老爸就开始向开尔文及哥哥系统性地教授数学了。此外，每天清晨，老爸还带着孩子们到郊外散步，并提出各种有趣的应景问题，以此激发和培养小家伙们的思考习惯；这时孩子们都兴奋得像麻雀，叽叽喳喳抢着发表意见；聪慧好学的“小麻雀”开尔文，当然就唱得更欢了，不但抢答问题，更会主动提出千奇百怪的问题。

书说至此，读者可能会担心啦：他们每天这样悠闲散步，上学迟到了咋办？嘿嘿，谢谢提醒，其实他们从未迟到过，因为他们压根儿就没上过学！原来，老爸天生就是教育家，其最大乐趣就是给宝贝们传授知识、把他们培养成才；所以，老爸亲自设计了一套教育体系，既有广度又有深度，既能保护孩子们的天性，又能磨砺其智力。比如，老爸给孩子的玩具就很特别，绝非平常人家的刀枪棍棒等玩意儿，而是地球仪或天球仪等另类智力“玩具”，这样便在不知不觉中，激发了孩子们的无尽想象。老爸还亲自编教材，亲自讲课，亲自批改作业；反正，一人独揽了子女们的启蒙教育、小学教育和中学教育等，直到开尔文8岁上大学为止。是的，你没看错，就是“8岁上大学”。实际上，开尔文8岁那年，老爸跳槽到母校格拉斯哥大学任教，于是，全家便搬迁到格拉斯哥这个英国北部第一大港城市定居。以至在若干科学史中都把开尔文称为“格拉斯哥的汤姆逊”，以区别于其他著名的“汤姆逊”们；因为，开尔文一生的主要故事都发生在这里。

当然，开尔文的第一个故事便是上大学的故事，准确地说是上格拉斯哥大学的故事。刚开始时，大家压根儿就没将这位本身长得像玩具而且书包里还装满玩具的8岁小屁孩儿放在眼里，甚至课间休息时还拿他当玩具，逗逗乐，解解闷；因为，他毕竟只是一个旁听生嘛。可几场考试下来，大哥哥、大姐姐们就眼直了、脸绿了、下巴也都快惊掉了；妈呀，“众里寻他千百度”，原来“学霸”却躲在玩具中！于是，昔日的“学霸”们大感“既生瑜何生亮”；成绩差的学生则终于抓到了救命稻草，一会儿孝敬“小老人家”一粒糖，一会儿再送一个新玩具，至于其目的嘛，嘿嘿，你懂的。经过旁听，开尔文眼界大开，不但所学知识更全面、系统，而且还接触到了许多有趣的实验。比如，有一次，这位“学霸”级调皮蛋，在电学实验课上学到了一招，然后回家便仿制了几个莱顿瓶和伏打电堆；再然后，他巧施妙计，骗得妹妹好奇地摸了一把，“啪”的一声，妹妹吓哭了，那显然是因为她被电击了；紧接着，又是“啪”的一声，开尔文也哭了，这次也是一击，只不过是被老爸在屁股上的一击而已。

10岁时，开尔文正式考入格拉斯哥大学预科班，潜心学习数学、物理和天文学等课程；12岁时，他对古典文学产生了兴趣，并因将萨莫萨塔的古诗《与上帝对话》从拉丁语翻译为英语而得奖；14岁时，他进入剑桥大学，开始正式学习大学课程。妈呀，同班的大哥哥和大姐姐们，这下可被小“学霸”羞惨啦。若问到底羞得有多惨，那简直是惨不忍睹，此处就别再揭旧伤疤了。反正，像什么考试状元啦、课堂上对答如流啦、作业轻松搞定啦等都只算小儿科了；更厉害的是，这位小小的“大学霸”，几乎独揽了剑桥大学设立的所有奖项：15岁时，获得全校物理学奖；16岁获全校天文学奖，同时，还因完成一篇出色的论文《地球的形状》而获得大学金质奖章等。对了，开尔文可不是书呆子哟。比如，他在剑桥读书时就积极参加体育运动，尤其擅长田径和单人划艇，并在1843年赢得过科尔克霍恩双桨。此外，他还对训诂、音乐和文学等都有浓厚的兴趣。

“羞”罢同学后，开尔文又开始“羞”教授了。咋“羞”呢？当然是用一连串高水平论文来打击教授们的自信心嘛！据说，第一次“羞”教授的故事，是这样开始的。仍然是他16岁那年的春天，老爸带着全家出国旅游，其既定路线是渡过多佛尔海峡顺着莱茵河南下，途经区域主要在德国境内，其目的显然是想借机提高孩子们的德语水平。知子莫如父，为了让孩子们玩个痛快，老爸事先抛出“群规”：旅游期间，不准带书，更不准读书，以免分散精力，影响玩耍质量。但是，如此软绵绵的“群规”咋管得住正陷入沉思的开尔文呢！只见他略施障眼法就将法国数学大师傅立叶的《热的数学分析》一书藏进了旅行袋。一路观景，一路读书；白天游玩，晚上读书；在老爸眼前玩耍，在老爸背后读书；即使当面与老爸一起玩耍时，其实也在积极思考傅里叶的书；甚至，实在看不懂时，他便假装若无其事地与老爸一起探讨，果然，“书虫”老爸很快就中招，主动扑上来与儿子一起“啃”书，早把“群规”给忘到九霄云外了。于是，旅游结束后，一篇有关傅立叶理论的论文也就完成了；此文指出了另一位权威老教授凯伦特的一个错误，并得到了该教授的认可，还被推荐到剑桥大学的数学杂志上公开发表。哇，开尔文顿时就名扬全校了！此后几年里，开尔文更像黄河决堤一样，“哗啦啦”，高水平论文一篇接一篇奔涌而出，内容涉及数学、电学和热力学等。比如，他17岁时，发现了电力线、磁力线和热力线的类比关系；18岁时，开始研究热传播的不可逆性，即热总是从高温物体传到低温物体，不能反向传递等。更加难能可贵的是，开尔文研究所有这些问题时，都能熟练运用很多数学定理；此时，他已显示出了今后成为杰出数学物理学家的潜质。这也许得益于著名数学家霍普金斯的指导。看来，还真是名师出高徒呀！

当然，在大风大浪中勇往直前的开尔文也曾经“在阴沟里翻过船”。故事发生在1845年1月，当时20岁的开尔文，虽然毫无悬念地通过了剑桥的毕业考试，但其成绩大失众望，因为，他竟破天荒地只得了一个“第二名”！妈呀，事前老爸确信“儿子稳拿第一名”哟；甚至，一个主考教授还自嘲道：我们也许不配判开尔文的卷子呢！幸好，在第二次史密斯奖考试时，开尔文夺得了桂冠，总算找回了一点面子。

此后，开尔文的简历就非常简单了：1845年，从剑桥大学毕业；然后，跟随物理学家和化学家勒尼奥在巴黎从事了一年的实验工作；1846年，受聘为格拉斯哥大学自然哲学教授，任职长达53年之久。他于1866年被封为爵士，1892年晋升为勋爵，1904年任格拉斯哥大学校长直至去世为止。不过，这里说“开尔文的履历简单”，绝非其故事简单，不信请君继续往下读。

先讲一个遗憾的故事：开尔文在电磁理论方面的成就虽然已经不小，比如建立了电磁量的精确单位标准、为近代电学奠定了基础等；但是，其实他的成就本来应该更大，甚至有可能提早发现“麦克斯韦方程”，结果却最终因为“缘分”不够，竟与这个伟大成就擦肩而过。

若按“事后诸葛亮们”的分析，其遗憾源自两方面。

其一，主观方面，也许因为成名太早，所以开尔文比较自负，不善于吸取别人的长处。比如，他撰写论文时，很少参考别人特别是同时代人的著作；而且在写论文时，也是龙飞凤舞，一挥而就，甚至据说他习惯于用铅笔写作，还常常写在零乱的稿纸上，未加认真整理就送出付印。实际上，早在1846年他就已开始“试图用数学公式把电力和磁力统一起来”；甚至，在1846年11月28日的日记里，开尔文清楚地写下了这样的话：“上午十点一刻，我终于成功地用‘力的活动影像法’统一表示了电力、磁力和电流。”换句话说，电磁理论在他笔下已呼之欲出了。只可惜，他就缺这一“呼”，否则，电磁统一理论的诞生就会提前至少10年。那么，开尔文所缺的这一“呼”，到底在哪里呢？答案是在法拉第那里！如果当初开尔文听从了法拉第的当面建议，或者认真阅读过法拉第的公开专著《电学实验研究》，那也许这一“呼”就不缺了。

其二，客观方面，开尔文没能及时得到法拉第的大力指导。其实，1847年夏天，开尔文曾将自己的论文抄寄给了法拉第，并附上了一封令今人惊叹不已的书信，因为该信中说：“这是我的一篇论文，它从数学上论述了电力和磁力的相同之处，表明了电力和磁力间存在着必然联系……若该理论成立，那么将它与光的波动理论联系起来，就完全可以解释磁性的极化效应了。”但非常可惜的是，不知何故，法拉第竟未回信；若开尔文能在该关键时刻得到法拉第的轻轻点拨，那么也许历史将会重写。书中暗表，从现在的角度来看，无论是何种原因导致法拉第未回此信，这件事对法拉第来说都是巨大损失。因为，一方面，“电与磁之间彼此相关”是法拉第的天才猜想，若他认真阅读了开尔文的那篇文章，也许他的猜想就很快变成了现实；另一方面，即使由于当时法拉第年老体衰，至少是久病初愈，但其实法拉第还可有另一个更好的办法，那就是聘请精通数学的开尔文为助手，从而一举两得。

虽然由于各种机缘巧合，开尔文和法拉第都未能最终完成“电磁的统一理论”，但是，开尔文的功绩决不可否认，因为：第一，开尔文确属“革命军中马前卒”，确实做了不少开拓性工作；第二，是开尔文把自己的思想毫无保留地告诉了麦克斯韦，才促使后者“笑到了最后”。书中暗表，其实，这也是开尔文的伟大之处，因为，他对自己的任何创新思想从不保密，只要遇到知音，便会爽快地“竹筒倒豆子”。

再讲一个喜剧故事。当开尔文被法拉第忽略时，当时的另一位伟大物理学家焦耳却慧眼识珠，发现了开尔文这个后起之秀；于是，焦耳手疾眼快，与开尔文合作将他引上了另一条完全不同的道路，即热力学研究，从而才最终成就了热力学中的最伟大人物之一，才催生了“热力学之父”。

开尔文与焦耳的相遇本身就富有戏剧性。早在1845年，当开尔文还是学生时，就在剑桥大学聆听过焦耳的精彩学术报告，并从此成为后者的忠实崇拜者。仅仅两年后，1847年，已是格拉斯哥大学教授的开尔文，在牛津大学的一个学术会议上又聆听了焦耳的一次学术报告。不过，这次焦耳的报告内容却广受质疑，当时的许多著名热力学家都反对焦耳报告的观点。开尔文也属反对派，他本想等焦耳的报告一结束就马上跳起来反驳；但是，他却突然“临阵叛变”，成了焦耳学说的坚定支持者，因为他听懂了报告中的真理。会后，他赶紧请教焦耳，于是，双方一见如故，大有相见恨晚之意。当时，焦耳29岁，开尔文23岁。从此，他俩成了莫逆之交。

在焦耳的鼓励下，开尔文转向了热力学研究。果然，其天才能力很快就获得了充分发挥；甚至在第二年，开尔文就发明了“绝对温标”。如今，它已成为国际单位制七个基本物理量之一，描述了客观世界的真实温度。1851年，开尔文更提出了热力学第二定律“不可能从单一热源吸热，使之完全变为有用功而不产生其他影响”；并用反证法指出，若此定律不成立，那就必定存在一种永动机：它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功，即所谓的“第二种永动机”。紧接着，他由热力学第二定律断言，能量耗散是普遍趋势。1852年，开尔文与焦耳合作改进了焦耳气体自由膨胀实验，进一步研究了气体的内能，从而发现了“焦耳-开尔文效应”，即被压缩的气体通过窄孔进入大容器以后，就会膨胀降温。这一重大发现是获得低温的主要方法之一，至今仍广泛应用于低温技术之中。1856年，开尔文从理论上预言了一种新的温差电效应，如今称为“开尔文效应”，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量。

最后，再讲一个感人的故事，那就是开尔文的爱情故事。1852年9月，功成名就的开尔文娶回了青梅竹马的首任媳妇克拉姆。可惜，蜜月还未度完，太太就突然病倒了，而且一病不起，直至17年后，于1870年6月17日不治身亡。期间，开尔文一边埋头科研，一边尽心照顾太太，不但毫无怨言，而且体贴之入微、照料之细心完全不亚于任何新婚夫妇，好像他们一直在度蜜月，整整度了17年的蜜月，让人好不羡慕、嫉妒、赞。开尔文的痴情感动了上帝，在首任妻子去世4年后，上帝安排37岁的芳妮走进了开尔文的心田；终于，已经50岁的开尔文在1874年6月24日与芳妮结成秦晋之好，并一起白头到老。这次，射中他们的丘比特之箭是名副其实的光速之箭；实际上，开尔文在千里之外给芳妮发了一封电报“嫁我？”，然后很快收到回复“耶！”。

1900年4月27日，开尔文在英国皇家研究院做了一次著名演讲，题为“覆盖热量和光线的动力学理论的19世纪的两朵乌云”（简称“两朵乌云”）。由于内容过于专业，此处虽然忽略了“两朵乌云”的具体含义，但是，必须指出的是，在20世纪人类为了驱赶这“两朵乌云”创立了两个伟大的物理理论：一个是相对论，另一个是量子力学。

1907年12月17日，开尔文在苏格兰的家中病逝，享年83岁。开尔文的生命故事至此虽已结束，但他的科学故事才刚刚开始，并将永垂不朽！