第八十一回 绝对温标发明人,电磁理论缺缘分

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!

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