来源：返朴
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。
撰文 | 瞿立建
2024年6月26日是英国数学家、物理学家、工程师威廉·汤姆森（William Thomson，1824.6.26-1907.12.17），即开尔文勋爵（Lord Kelvin）诞辰200周年。他在纯粹科学、应用技术、个人财富与名望方面都达到极高的高度。
开尔文勋爵（William Thomson, 1st Baron Kelvin）丨图源：wikimedia天才显露：10岁大学生
威廉·汤姆森生于现在的北爱尔兰首府贝尔法斯特，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。英国维多利亚时代（1837-1901）流行记录亲朋好友的生日簿，汤姆森会在生日簿 6 月 25 日那栏签下“威廉·汤姆森”，同时在 6 月 26 日签下“开尔文”，并打趣地说：“有两个名字就应过两个生日。”
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（James Thomson）是数学家，在大学做教授。詹姆斯工作非常勤奋，每天凌晨4点就起来工作。
詹姆斯·汤姆森的工作单位现在是贝尔法斯特女王大学的一部分。丨图源：wikimedia詹姆斯特别注重对自己孩子的教育。一年冬天，一场风暴吹碎了家里所有的窗户，吹断了烟囱，还将厨房砸了一个洞。詹姆斯老师拿出家里的气压计，给孩子们讲述气象学的知识。
汤姆森一家有七个孩子，威廉排行第四。这是一个爱好学习的家庭，大孩子带着小孩子读书，一家人其乐融融。不幸的是，威廉六岁那年，他的母亲因病去世了。
1832年，詹姆斯被苏格兰的格拉斯哥大学聘为教授，便带着一家人离开了爱尔兰。
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（以下简称格大）。在当时来说，这并不算特别夸张，当时格大入学年龄一般是14岁，入学的孩子也不是直接学大学课程，而是先学初等课程。
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（Pierre-Simon Laplace，1749-1827）的著作《天体力学》（Mécanique Céleste），期间他自己完成了一篇85页的论文《论地球的形状》（Essay on the figure of the Earth），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（Philip Kelland，1808-1879）的书《热的理论》（Theory of Heat），书中说法国数学家、物理学家傅里叶的名著《热的解析理论》（Théorie analytique de la chaleur）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。
詹姆斯发现儿子威廉没有专心致志学德语，对科学内容却颇为上心，詹姆斯并没有责备他，反而与儿子一起讨论发现的问题。威廉认为凯兰错了，傅里叶是对的。詹姆斯细致研究威廉的论证后，认为儿子是对的。威廉将他的论证整理出一篇论文并发表，这是他平生正式发表的第一篇论文。在1841年，他又发表两篇关于热传导的论文。
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（Peterhouse, Cambridge）。
剑桥大学彼得学院丨图源：wikimedia父亲詹姆斯经常给威廉写信，叮嘱他：剑桥学费占收入的三分之一，花钱可不要大手大脚，注意节约；与人为善，尤其不要和别人争论宗教话题；把心思用到学习上，而不是划船和开Party上。
威廉给老爸回信，满口答应一定将全部心思扑到学习上，还附上了自己的日程安排，显示自己早睡早起，读书、上课、宗教活动、体育锻炼等活动，安排得非常紧凑。
不过很快，威廉就放飞了自我，他加入了赛艇队，又搞起了乐队，远足、滑冰、游泳等活动也不落下。威廉给父亲写信的内容也主要变成了要钱。威廉的转变让父亲詹姆斯痛心不已，担心一个好孩子完了。
父亲的担心多余了，威廉的学习成绩一如既往的优秀。
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（William Hopkins，1793-1866）。剑桥大学一大特色是应试教育，数学三角凳（Mathematics Tripos）考试名震天下，这项考试的佼佼者很多人后来成为科学大家。有人的地方就有江湖，有考试的地方就有教培。霍普金斯老师就是一代三角凳教培传奇。
威廉经过霍普金斯严格培训后，于1845年1月走入三角凳考场。威廉的数学才华人尽皆知，他被寄予很高期望。考试前，数学家罗伯特·艾利斯（Robert Leslie Ellis）任考官，他对另一个考官哈维·古德温（Harvey Goodwin）说：“我们只配给威廉·汤姆森修笔。”考试结果出乎很多人意料，威廉获得第二名。第一名斯蒂芬·帕金森（Stephen Parkinson）赢在应试能力更强，他后来也成为剑桥著名的老师。
威廉·霍普金斯（William Hopkins），英国地质学家和数学家，以三角凳考试培训而闻名。丨图源：wikimedia
不过，在约一个月后更注重考生原创研究能力的史密斯奖（Smith's Prize）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。
担起科教重任：重返格拉斯哥大学
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（William Meikleham，1771-1846）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。
詹姆斯一直找不到合适的人选。1842年圣诞节那天，他突然灵光闪现：自己的儿子不就是最合适的人选吗？有了这个想法之后，他开始不动声色地指导威廉人情世故并完善履历，要他注意维护人脉关系，在剑桥尽可能多修一些实验课，尤其是天文仪器方面的课程（这是梅克勒姆的专长领域）。
威廉于1845年毕业后，听从父亲的建议，到法国巴黎大学进修化学和物理课。期间，他结识以精确测量气体热力性质而闻名的维克托·勒尼奥（Victor Regnault，1810-1878），进入他的实验室工作。威廉很珍惜这次工作机会，整天泡在实验室里学习操作各种实验仪器。威廉还得以与后来教科书上的众多法国科学大家，如毕奥（Jean-Baptiste Biot，1774-1862）、柯西（Augustin-Louis Cauchy，1789-1857）、刘维尔（Joseph Liouville，1809-1882）、施图姆（Jacques Charles François Sturm，1803-1855）等深入讨论科学；尤其是刘维尔，引导威廉关注法拉第、库仑（Charles-Augustin de Coulomb，1736-1806）、泊松（Siméon Poisson，1781-1840）等人对电现象的研究。
法拉第提出电、磁相互作用是通过类似流体的介质来进行的，同时代的人对这一观念不以为然，普遍认为电、磁作用力为超距作用，而威廉·汤姆森是最早试图用数学刻画法拉第新观念的人，发展出了一种解决静电问题的强大方法——电像法。威廉在电磁学方面的工作后来启发麦克斯韦建立了电磁学的完整理论——麦克斯韦方程组。
詹姆斯对威廉感到很欣慰，一则听从了自己的建议，履历无可挑剔；二则结识了众多科学大家，能拿到有力的推荐信。
1846年5月6日，梅克勒姆教授去世。詹姆斯开始操作自己孩子接替梅克勒姆职位的事情。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。威廉的实验室不仅用于教学，还用于优秀学生开展严肃的科研工作。
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·汤姆森创建的物理教学实验室位于图中大楼丨图源：Lord Kelvin: An Account of His Scientific Life and Work
威廉自身的科研工作也一样硕果累累。
威廉与他的剑桥学长，数学家、物理学家乔治·斯托克斯（George Stokes，1819年-1903年）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”。他们的信中还讨论了热的理论与流体理论的相似之处。
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（James P. Joule，1818-1889）的交流。
1847年，不列颠科学促进会（British Association for the Advancement of Science，BAAS）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。既然热是一种运动的效应，在机械功与热之间应该存在一定的当量关系，焦耳通过实验确定了这一当量关系。
焦耳这次报告的阶段性工作已经多次讲过，得到的反响总是一片沉默，但这次不一样，有人站起来提问了。提问者正是威廉·汤姆森，他的提问引发了激烈的讨论。会后威廉给父亲写信说，焦耳的发现非常有启发性，但结论一定是错的。
威廉经过仔细的思考，逐渐认识到焦耳是对的。他与焦耳在信中进行讨论，结下终身的友谊。威廉将焦耳的工作与卡诺（Nicolas Carnot，1796-1832）在热机方面的工作联系起来，设计了一种定量标定温度的方法——物理学中称为温标，这种方法不依赖于任何特定的物质。由此得到的温度单位后来以威廉·汤姆森获封的爵位命名，即开尔文。
英国物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳（James Prescott Joule）丨图源：wikimedia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见。后来，在应用科学方面，他收获了更大的名声。
进军实业：电缆与海事
1856年，美国和英国商人创办了大西洋电报公司（Atlantic Telegraph Company），计划敷设一条长度近五千公里的跨越大西洋，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。这一成就被《泰晤士报》赞誉为“当下这个胜利世纪最伟大的成就”，也使42岁的威廉·汤姆森获封为爵士。
威廉发展的新技术也用于敷设法国到加拿大的跨大西洋海底电缆。威廉还参与成立了一家工程顾问公司，从中获取了大笔财富，成为了大富翁。
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。
地球年龄问题是威廉在剑桥读书时就感兴趣的问题，他一生就这个问题发表了20余篇论文，一半以上是海底电缆工程之后发表的。
威廉一通计算，得出结果：地球年龄不超过1亿年。这个数字让进化论学家和地质学家无法接受，因为这么短的时间，生物进化和地质演化的现象都不足以发生。
1869年，有“达尔文的斗牛犬”之称的生物学家赫胥黎（Thomas Henry Huxley，1825-1895）对威廉的工作评论道：
“数学就像一台精巧的磨面机，能磨出要多精细有多精细的粉料。但是，不管怎样，你得到什么取决于你投入了什么，就像世界上最伟大的磨坊不可能从豌豆中磨出小麦粉一样，一页一页的公式也不可能从零散的数据中得到确定的结果。”
他计算地球年龄的数学理论错了吗？
数学本身没有太大错误，但是他遗漏了一个因素——放射性。20世纪初，物理学家意识到，放射性为地球提供了一种内部加热机制，从而减缓了地球的冷却进程，所以，地球历史要比威廉的计算结果更久。但是，这也不能怪威廉，因为到他70多岁时放射性现象才被发现。
1870年，他的妻子因病去世，为了走出丧妻之痛，他买了艘船，准备出海而去，重温海上敷设电缆的岁月。
威廉·汤姆森购置的船丨图源：wikimedia
海上航行让他对海事问题产生了兴趣，此后十余年里，他写了50余篇相关论文，涉及潮汐、导航、灯塔、海深测量等问题。他设计出了当时世界上最稳定的罗盘，且不受船舶金属舱体的干扰。他还设计出一种预测潮汐的机械装置。他设计出不停船测海深的方法。英国作为海上帝国，威廉开发的技术至关重要。
威廉·汤姆森1872年设计的潮汐预报机器丨图源：Sciene Museum Group晚年荣光
1892年1月1日，威廉·汤姆森被册封为第一代开尔文男爵（1st Baron Kelvin），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。会场专门设置了一座临时电报站，接收世界各地——远至莫斯科、多伦多、孟买、东京——发来的贺电。
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长的学生。
1902年，开尔文成为英国首次颁发的功绩勋章（Order of Merit）获得者之一。
1907年12月17日，开尔文去世，享年83岁。12月23日，开尔文男爵下葬西敏寺，其墓与牛顿墓相邻。
1913，开尔文的家乡北爱尔兰的贝尔法斯特为他树立了一座雕像。
西敏寺开尔文的墓碑丨图源：Westminster Abbey Library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。
参考资料
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
