威廉·湯姆森（英國數學(xué)物理學(xué)家、工程師）
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威廉·湯姆森
英國數學(xué)物理學(xué)家、工程師
生平簡(jiǎn)介
1846年開(kāi)爾文被選為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，自然哲學(xué)在當時(shí)是物理學(xué)的別名。開(kāi)爾文擔任教授53年之久，到1899年才退休。1904年他出任格拉斯哥大學(xué)校長(cháng)，直到逝世。
1824年6月26日開(kāi)爾文生于愛(ài)爾蘭的貝爾法斯特。他從小聰慧好學(xué)，10歲時(shí)就進(jìn)格拉斯哥大學(xué)預科學(xué)習。17歲時(shí)，曾立志：“科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息”。1845年畢業(yè)于劍橋大學(xué)，在大學(xué)學(xué)習期間曾獲蘭格勒獎金第二名，史密斯獎金第一名。畢業(yè)后他赴巴黎跟隨物理學(xué)家和化學(xué)家V.勒尼奧從事實(shí)驗工作一年，1846年受聘為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)（物理學(xué)當時(shí)的別名）教授，任職達53年之久。由于裝設第一條大西洋海底電纜有功，英政府于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開(kāi)爾文勛爵，開(kāi)爾文這個(gè)名字就是從此開(kāi)始的。1890～1895年任倫敦皇家學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)。1877年被選為法國科學(xué)院院士。1904年任格拉斯哥大學(xué)校長(cháng)，直到1907年12月17日在蘇格蘭的內瑟霍爾逝世為止。
開(kāi)爾文研究范圍廣泛，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數學(xué)、工程應用等方面都做出了貢獻。他一生發(fā)表論文多達600余篇，取得70種發(fā)明專(zhuān)利，他在當時(shí)科學(xué)界享有極高的名望，受到英國本國和歐美各國科學(xué)家、科學(xué)團體的推崇。他在熱學(xué)、電磁學(xué)及它們的工程應用方面的研究最為出色。
開(kāi)爾文是熱力學(xué)的主要奠基人之一，在熱力學(xué)的發(fā)展中作出了一系列的重大貢獻。他根據蓋-呂薩克、卡諾和克拉珀龍的理論于1848年創(chuàng )立了熱力學(xué)溫標。他指出：“這個(gè)溫標的特點(diǎn)是它完全不依賴(lài)于任何特殊物質(zhì)的物理性質(zhì)。”這是現代科學(xué)上的標準溫標。他是熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)主要奠基人之一（另一個(gè)是克勞修斯），1851年他提出熱力學(xué)第二定律：“不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)?/span>有用功而不產(chǎn)生其他影響。”這是公認的熱力學(xué)第二定律的標準說(shuō)法。并且指出，如果此定律不成立，就必須承認可以有一種永動(dòng)機，它借助于使海水或土壤冷卻而無(wú)限制地得到機械功，即所謂的第二種永動(dòng)機。他從熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。1852年他與焦耳合作進(jìn)一步研究氣體的內能，對焦耳氣體自由膨脹實(shí)驗作了改進(jìn)，進(jìn)行氣體膨脹的多孔塞實(shí)驗，發(fā)現了焦耳－湯姆孫效應，即氣體經(jīng)多孔塞絕熱膨脹后所引起的溫度的變化現象。這一發(fā)現成為獲得低溫的主要方法之一，廣泛地應用到低溫技術(shù)中。1856年他從理論研究上預言了一種新的溫差電效應，即當電流在溫度不均勻的導體中流過(guò)時(shí)，導體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱(chēng)為湯姆孫熱）。這一現象后叫湯姆孫效應。
在電學(xué)方面，湯姆孫以極高明的技巧研究過(guò)各種不同類(lèi)型的問(wèn)題，從靜電學(xué)到瞬變電流。他揭示了傅里葉熱傳導理論和勢理論之間的相似性，討論了法拉第關(guān)于電作用傳播的概念，分析了振蕩電路及由此產(chǎn)生的交變電流。他的文章影響了麥克斯韋，后者向他請教，希望能和他研究同一課題，并給了他極高的贊譽(yù)。
開(kāi)爾文在電磁學(xué)理論和工程應用上研究成果卓著(zhù)。1848年他發(fā)明了電像法，這是計算一定形狀導體電荷分布所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)問(wèn)題的有效方法。他深入研究了萊頓瓶的放電振蕩特性，于1853年發(fā)表了《萊頓瓶的振蕩放電》的論文，推算了振蕩的頻率，為電磁振蕩理論研究作出了開(kāi)拓性的貢獻。他曾用數學(xué)方法對電磁場(chǎng)的性質(zhì)作了有益的探討，試圖用數學(xué)公式把電力和磁力統一起來(lái)。1846年便成功地完成了電力、磁力和電流的“力的活動(dòng)影像法”，這已經(jīng)是電磁場(chǎng)理論的雛形了（如果再前進(jìn)一步，就會(huì )深入到電磁波問(wèn)題）。他曾在日記中寫(xiě)道：“假使我能把物體對于電磁和電流有關(guān)的狀態(tài)重新作一番更特殊的考察，我肯定會(huì )超出我現在所知道的范圍，不過(guò)那當然是以后的事了。”他的偉大之處，在于能把自己的全部研究成果，毫無(wú)保留地介紹給了麥克斯韋，并鼓勵麥克斯韋建立電磁現象的統一理論，為麥克斯韋最后完成電磁場(chǎng)理論奠定了基礎。
他十分重視理論聯(lián)系實(shí)際。1875年預言了城市將采用電力照明，1879年又提出了遠距離輸電的可能性。他的這些設想以后都得以實(shí)現。1881年他對電動(dòng)機進(jìn)行了改造，大大提高了電動(dòng)機的實(shí)用價(jià)值。在電工儀器方面，他的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密的測量?jì)x器。他發(fā)明了鏡式電流計（大大提高了測量靈敏度）、雙臂電橋、虹吸記錄器（可自動(dòng)記錄電報信號）等等，大大促進(jìn)了電測量?jì)x器的發(fā)展。根據他的建議，1861年英國科學(xué)協(xié)會(huì )設立了一個(gè)電學(xué)標準委員會(huì )，為近代電學(xué)量的單位標準奠定了基礎。在工程技術(shù)中，1855年他研究了電纜中信號傳播情況，解決了長(cháng)距離海底電纜通訊的一系列理論和技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)三次失敗，歷經(jīng)兩年的多方研究與試驗，終于在1858年協(xié)助裝設了第一條大西洋海底電纜，這是開(kāi)爾文相當出名的一項工作。他善于把教學(xué)、科研、工業(yè)應用結合在一起，在教學(xué)上注意培養學(xué)生的實(shí)際工作能力。在格拉斯哥大學(xué)他組建了英國第一個(gè)為學(xué)生用的課外實(shí)驗室。
湯姆孫還將物理學(xué)用到完全不同的領(lǐng)域。他研究過(guò)太陽(yáng)熱能的起源和地球的熱平衡。他的方法可靠而有趣，但只由于他不知道太陽(yáng)和地球上的能量來(lái)自核能，因而不可能得到正確的結論。他試圖用落到太陽(yáng)上的隕石或用引力收縮來(lái)解釋太陽(yáng)熱能的起源。約在1854年，他估算太陽(yáng)的"年齡"小于5×10^8年，而這只是我們現在知道的值的十分之一。
從地球表面附近的溫度梯度，湯姆孫試圖推算出地球熱的歷史和年齡。他的估算仍然太低，僅為4×108年，而實(shí)際值約為5×109年。地質(zhì)學(xué)家以地質(zhì)現象的演變?yōu)槔碚摳鶕芸炀桶l(fā)現他的估算是錯誤的。他們不能駁倒湯姆孫的數學(xué)，但他們肯定他的假定是錯誤的。同樣，生物學(xué)家也發(fā)現湯姆孫給出的時(shí)間進(jìn)程與最新的進(jìn)化論的觀(guān)念相悖。這一爭論持續了多年，湯姆孫完全不理解別人的反對意見(jiàn)是正確的。最后，直到放射性和核反應的發(fā)現，才證明了湯姆孫假設的前提是完全錯誤的。
流體力學(xué)特別是其中的渦旋理論成為湯姆孫最喜愛(ài)的學(xué)科之一，他受亥姆霍茲工作的啟示，發(fā)現了一些有價(jià)值的定理。他航行的收獲之一是在1876年發(fā)明了適用于鐵船的特殊羅盤(pán)，這一發(fā)明后來(lái)為英國海軍所采用，而且一直用到被現代回轉羅盤(pán)代替為止。湯姆孫的企業(yè)生產(chǎn)了許多磁羅盤(pán)和水深探測儀，從中大為獲利。
基于他的實(shí)踐經(jīng)驗和理論知識，湯姆孫感到迫切需要統一電學(xué)單位，公制的引入使法國革命向前跨了一大步，但是電學(xué)測量卻產(chǎn)生了全新的問(wèn)題。高斯和韋伯奠定了絕對單位制的理論基礎，"絕對"意味著(zhù)它們與特定的物質(zhì)或標準無(wú)關(guān)，僅取決于普適的物理定律。在絕對單位制中如何確定刻度，如何選擇合適的倍數因子使它能方便地應用于工業(yè)，如何勸說(shuō)科技界共同接受這一單位制，所有這一切都是重要并且困難的任務(wù)。1861年英國科學(xué)協(xié)會(huì )任命一個(gè)委員會(huì )開(kāi)始這項工作，湯姆孫是其中的一員。他們努力工作了許多年，一直到1881年，由湯姆孫和亥姆霍茲起主導作用的在巴黎召開(kāi)的一次國際代表大會(huì )，和1893年，在芝加哥召開(kāi)的另一次代表大會(huì )，才正式接受這一新的單位制，并采用伏特、安培、法拉和歐姆等作為電學(xué)單位，從此它們被普遍使用。然而，單位制的問(wèn)題并未就此解決，后來(lái)的一些會(huì )議又改變了其中某些標準量的定義，它們的實(shí)際值也相應變動(dòng)了，雖然這種變動(dòng)是非常小的。
開(kāi)爾文一生謙虛勤奮，意志堅強，不怕失敗，百折不撓。他這種終生不懈地為科學(xué)事業(yè)奮斗的精神，永遠為后人敬仰。1896年在格拉斯哥大學(xué)慶祝他50周年教授生涯大會(huì )上，他說(shuō)：“有兩個(gè)字最能代表我50年內在科學(xué)研究上的奮斗，就是‘失敗’兩字。”這足以說(shuō)明他的謙虛品德。為了紀念他在科學(xué)上的功績(jì)，國際計量大會(huì )把熱力學(xué)溫標（即絕對溫標）稱(chēng)為開(kāi)爾文（開(kāi)氏）溫標，熱力學(xué)溫度以開(kāi)爾文為單位，是現在國際單位制中七個(gè)基本單位之一。
開(kāi)爾文的一生是非常成功的，他可以算作世界上最偉大的科學(xué)家中的一位。他于1907年12月17日去世時(shí)，得到了幾乎整個(gè)英國和全世界科學(xué)家的哀悼。他的遺體被安葬在威斯敏斯特教堂牛頓墓的旁邊。
科學(xué)成就
開(kāi)爾文的科學(xué)活動(dòng)是多方面的。他對物理學(xué)的主要貢獻在電磁學(xué)和熱力學(xué)方面。那時(shí)電磁學(xué)剛剛開(kāi)始發(fā)展。逐步應用于工業(yè)而出現了電機工程，開(kāi)爾文在工程應用上作出了重要的貢獻。熱力學(xué)的情況卻是先有工業(yè)，而后才有理論。從18世紀到19世紀初，在工業(yè)方面已經(jīng)有了蒸汽機的廣泛應用，然而到19世紀中葉以后，熱力學(xué)才發(fā)展起來(lái)。開(kāi)爾文是熱力學(xué)的主要奠基者之一。
開(kāi)爾文在科學(xué)上的貢獻主要有以下幾個(gè)方面：
1.電磁學(xué)方面的成就
開(kāi)爾文在靜電和靜磁學(xué)的理論方面，在交流電方面，特別是關(guān)于萊頓瓶的放電振蕩性。靜電絕對測量和電磁測量方面，大氣電學(xué)方面等，都作出了重要的貢獻。電像法是開(kāi)爾文發(fā)明的一種很有效的解決電學(xué)問(wèn)題的方法。
2.在熱力學(xué)方面的成就
開(kāi)爾文在1848年提出、在1854年修改的絕對熱力學(xué)溫標，是現在科學(xué)上的標準溫標。1954年國際會(huì )議確定這一標準溫標，恰好在100年之后。開(kāi)爾文是熱力學(xué)第二定律的兩個(gè)主要奠基人之一（另一人是R.克勞修斯）。他關(guān)于第二定律的說(shuō)法是：“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a(chǎn)生其他影響”（1851），是公認的熱力學(xué)第二定律的標準說(shuō)法。開(kāi)爾文從熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍的趨勢。
在熱力學(xué)方面還應該提兩件事。一件事是開(kāi)爾文從理論研究上預言一種新的溫差電效應，后來(lái)叫做湯姆孫效應，這是當電流在溫度不均勻的導體上通過(guò)時(shí)導體吸收熱量的效應。另一件事是開(kāi)爾文和 J.P.焦耳合作的多孔塞實(shí)驗，研究氣體通過(guò)多孔塞后溫度改變的現象，在理論上是為了研究實(shí)際氣體與理想氣體的差別，在實(shí)用上后來(lái)成為制造液態(tài)空氣工業(yè)的重要方法（見(jiàn)焦耳-湯姆孫效應）。
3.裝設大西洋海底電纜
裝設大西洋海底電纜是開(kāi)爾文最出名的一項工作。當時(shí)由于電纜太長(cháng)，信號減弱很?chē)乐亍?855年開(kāi)爾文研究電纜中信號傳播的情況，得出了信號傳播速度減慢與電纜長(cháng)度平方成正比的規律。1851年開(kāi)始有第一條海底電纜，裝設在英國與法國相隔的海峽中。1856年新成立的大西洋電報公司籌劃裝設橫過(guò)大西洋的海底電纜，并委任開(kāi)爾文負責這項工作。經(jīng)過(guò)兩年的努力，幾經(jīng)周折，終于安裝成功。除了在工程的設計和制造上花費了很大的力量之外，開(kāi)爾文的科學(xué)研究對此也起了不小的作用。
4.對電工儀表的研究
開(kāi)爾文為了成功地裝設海底電纜，用了很大的力量來(lái)研究電工儀器。例如他發(fā)明的鏡式電流計可提高儀器測量的靈敏度。虹吸記錄器可自動(dòng)記錄電報信號。開(kāi)爾文在電工儀器上的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密測量的儀器，包括絕對靜電計、開(kāi)爾文電橋、圈轉電流計等。根據他的建議，1861年英國科學(xué)協(xié)會(huì )設立了一個(gè)電學(xué)標準委員會(huì )，為近代電學(xué)單位標準奠定了基礎。
5.創(chuàng )立波動(dòng)和渦流
開(kāi)爾文在波動(dòng)和渦流方面作出了許多理論貢獻。有許多是他在自己的快艇上的觀(guān)察中受到啟發(fā)的。他進(jìn)行這方面的研究，包括對彈性固體的研究，目的之一是為了航海事業(yè)的發(fā)展，另一個(gè)目的是發(fā)展他對世界萬(wàn)物的機械觀(guān)。企圖通過(guò)這方面的研究把電磁現象和光現象的完整理論在牛頓經(jīng)典力學(xué)的骨架上建造起來(lái)。因此他很熱心于以太理論，把假想的以太當作一種實(shí)際存在的物質(zhì)加以研究，以求能充分地解釋電磁現象和光現象作為以太的某種運動(dòng)形式。這種機械觀(guān)的失敗使他說(shuō)出“19世紀烏云”那樣的話(huà)。這是他在1900年一篇名為《遮蓋在熱和光的動(dòng)力理論上的19世紀烏云》的演說(shuō)中講的。他說(shuō)的“烏云”有兩片，一片是以太理論的困難，一片是能量均分定理的困難。這兩個(gè)困難到20世紀都得到了解決，以太理論的困難是由狹義相對論消除的，能量均分定理的困難是量子論解決的。
他也意識到，以太不過(guò)是人的主觀(guān)想象。他在1890年說(shuō)：“我想現在我們必須感覺(jué)到，以太、電、有重物三者聯(lián)合在一起，不過(guò)是我們缺乏知識和能力，不能超越目前物理學(xué)的限度去思考的一種結果，而不是自然界的真實(shí)。”
6.估算地球的年齡
開(kāi)爾文從地面散熱的快慢估計出，假如沒(méi)有其他熱的來(lái)源的話(huà)，地球從液態(tài)到達現在狀況的時(shí)間不能比一億年長(cháng)。這個(gè)時(shí)間比地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家的估計短得多。開(kāi)爾文與地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家為了地球年齡問(wèn)題有過(guò)長(cháng)期的爭論，地質(zhì)學(xué)家從巖石形成的年代，生物學(xué)家從生命發(fā)展的歷史，都認為開(kāi)爾文估計的年限太短，但是又無(wú)法駁倒他的理論。后來(lái)，到1896年發(fā)現了放射性物質(zhì)，出現了熱的新來(lái)源，開(kāi)爾文的估計不成立了，這問(wèn)題才解決。
趣聞軼事
1.“第十一條誡律”
開(kāi)爾文出身于一個(gè)由于宗教壓迫而離國逃遷的蘇格蘭誓約派教徒的家族。10歲時(shí)喪母。父親是格拉斯哥大學(xué)的自然哲學(xué)教授。他為他的6個(gè)子女，提供了一套旨在保護他們的心靈而磨礪他們智力的教育方式。他所設計的這個(gè)教育方式，既有廣度，又有深度。幾乎從嬰兒時(shí)期起，孩子們的成長(cháng)就與思想的廣闊天地結成友誼。他們被地質(zhì)學(xué)和天文學(xué)的原理所吸引，而植物則是他們游玩時(shí)的小伙伴。當他們圍坐在桌子四周時(shí)，他們驚奇地注視著(zhù)桌上的玩具地球儀；他們夢(mèng)想著(zhù)到地球上最遙遠的地方去遨游。而后他們的眼睛又轉移到另外一個(gè)更大的球體上。這是他們的父親為他們購買(mǎi)的一個(gè)天球儀——它講出了天體的史詩(shī)，而地球只不過(guò)是這個(gè)偉大史詩(shī)中一個(gè)小小的音節而已。
威廉在弟兄中排行最小，但他的想象力卻是最敏捷的。他發(fā)現自己完全被這兩個(gè)球的故事迷住了。盡管年齡還小，他已決心接受挑戰，把這個(gè)故事的神秘弄清楚。當他還只有16歲時(shí)，就在日記中寫(xiě)下了第十一條誡律。正如十誡是宗教對他的良心的召喚一樣，這第十一條誡律則是心智對開(kāi)爾文理性的召喚：
科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息；
前進(jìn)吧，去測量大地，衡量空氣，記錄潮汐；
2.第一所現代實(shí)驗室在酒窖里誕生
開(kāi)爾文的智力成熟得很快。他17歲進(jìn)入劍橋大學(xué)，18歲就寫(xiě)出了一篇杰出的熱力學(xué)方面的論文，還在《劍橋數學(xué)學(xué)報》上發(fā)表了幾篇文章。畢業(yè)時(shí)，他認識了法國和英國一些第一流物理學(xué)家，并對他們提出頗有價(jià)值的研究建議。22歲時(shí)，他被任命為格拉斯哥大學(xué)教授。
大學(xué)里文質(zhì)彬彬的蘇格蘭同事們，對于開(kāi)爾文的血氣方剛的那種進(jìn)取勁頭，頗有點(diǎn)受不了。開(kāi)爾文剛剛被選拔到很多白發(fā)蒼蒼的對手們求之不得的光榮職位上，就決定在格拉斯哥的物理系來(lái)一場(chǎng)革命。他到幾個(gè)老前輩那里，申請撥給他一間房子，以便進(jìn)行課堂以外的實(shí)驗。這種狂妄氣焰是他們前所未聞的。多年以來(lái)，節約成癖的蘇格蘭教授們滿(mǎn)足于把實(shí)驗統統擠到教室里去進(jìn)行。這個(gè)剛被提升的小伙子竟然要求自己占一間房子，天下哪有這個(gè)道理？
然而，他們的好奇心戰勝了他們的反感。“假若你一定要的話(huà)，那么你可以把那間地窖拿去，我們把那些酒桶搬走就是了。”
這樣，英國的第一所現代實(shí)驗室，就在一個(gè)酒窖里誕生了。
3.用塔頂樓作思考的房屋
年輕的湯姆孫的工作勁頭，就像一股龍卷風(fēng)。他就是他自己提出的動(dòng)力學(xué)理論的化身。他從班級里的90個(gè)學(xué)生中，挑選了30人。組成了一個(gè)志愿隊伍，他促使他們飛快地工作。工作成果累積得如此之快，以致他發(fā)現他需要更多的空間——“再給我一間作思考的房屋。”
他的同事們又奇怪地看著(zhù)他了。他們說(shuō)：“你用那間塔頂樓好了。”
從早到晚，他鉆入深處，爬到高處，進(jìn)行實(shí)驗活動(dòng)或抽象的設想。晚上，他散步回家——只有50碼之遙—把一個(gè)技術(shù)專(zhuān)家的身軀和一個(gè)哲學(xué)家的心靈送進(jìn)了睡鄉—一個(gè)身強力壯的人的休憩。
4.把證明“浸透”到學(xué)生心里
對于學(xué)生來(lái)說(shuō)，這位冷熱無(wú)常的大教授是很令人興奮的。沒(méi)有人知道他下一步會(huì )干什么。有一天，他的朋友德國科學(xué)家 亥姆霍茲來(lái)到他的實(shí)驗室，參觀(guān)開(kāi)爾文進(jìn)行陀螺儀的實(shí)驗。一個(gè)厚的金屬圓盤(pán)正在快速旋轉。大教授打算證明，圓盤(pán)在旋轉中，應該是垂直不動(dòng)的，從而可以用類(lèi)比法來(lái)說(shuō)明，地球就其軸心來(lái)說(shuō)，也是垂直不動(dòng)的。突然間，他抓起一個(gè)釘錘，對著(zhù)圓盤(pán)猛擊了一下。金屬圓盤(pán)失去平衡，馬上向離心方向飛去，恰巧擊中了衣帽架上懸桂著(zhù)的亥姆霍茲的帽子，并將帽子砸破了。學(xué)生們哄堂大學(xué)。亥姆霍茲無(wú)可奈何，只得也隨著(zhù)大家笑了。開(kāi)爾文倒是滿(mǎn)天真的，他輕描淡寫(xiě)地說(shuō)：“出了點(diǎn)毛病，我會(huì )賠你一頂新帽子的。”
他的話(huà)從不沉悶。他說(shuō)：“我取消了上課宣讀發(fā)了霉的論文的辦法。”他的課堂和實(shí)驗室堆滿(mǎn)了各種各樣的儀器，真是五花八門(mén)，樣樣俱全。小配件堆積在桌上，有的吊在天花板上，有的還掛在墻上。至于大件，有一套三件的螺旋彈簧振蕩器；一座30英尺長(cháng)的擺鐘，擺的尾巴上還懸掛著(zhù)一個(gè)12磅重的炮彈；一部怪樣子的機器，里面裝著(zhù)許多的彈子球，球不斷地向各個(gè)方向滾動(dòng)，藉以揭示星云的動(dòng)力學(xué)運動(dòng)；此外還有成堆的陀螺儀。他把一個(gè)陀螺儀放在另一個(gè)陀螺儀上面旋轉，藉以研究行星的運動(dòng)。他把這些陀螺儀用各種方式放到一起，扭來(lái)扭去。在課堂的一角，從天花板上吊下一件看上去平凡無(wú)奇的裝置——一個(gè)覆蓋著(zhù)橡皮薄膜的金屬圈，是用來(lái)揭示露滴的性質(zhì)的。有一天，他叫人弄了水來(lái)，把水澆在金屬圈上，使橡皮往下垂脹。加上更多的水。最后橡皮破裂，“像一個(gè)負載過(guò)重的露滴。”水一直潑到了教室前排學(xué)生的頭上。教授笑了，“我向來(lái)喜歡把我的證明浸透到你們的心里去。”
5.“每個(gè)困難一定有解決的辦法”
開(kāi)爾文的思想很豐富，數學(xué)能力很強，在物理學(xué)的各個(gè)方面都開(kāi)辟了許多新的道路。他在當時(shí)科學(xué)界享有極高的名望，受到英國本國和歐美各國科學(xué)家的推崇。他的科學(xué)觀(guān)點(diǎn)可以引用1800年5月他在倫敦皇家研究所關(guān)于大氣電學(xué)的講演中對現象與本質(zhì)問(wèn)題的話(huà)來(lái)說(shuō)明：
“常常提出這樣的問(wèn)題，人們是否只管事實(shí)和現象，而放棄追究隱藏在現象后面的物質(zhì)的最終性質(zhì)呢？這是一個(gè)必然由純正哲學(xué)者回答的問(wèn)題，它不屬于自然哲學(xué)的范圍。但是近許多年來(lái)世界上看到從這個(gè)屋子的實(shí)驗結果中所發(fā)生的，在實(shí)驗科學(xué)史上未曾有過(guò)的一連串的令人驚奇的發(fā)現。這些發(fā)現必然把人們的知識引導到這樣一個(gè)階段，將使無(wú)生物世界的規律表現出每一現象基本上與所有全體現象相連，而無(wú)窮無(wú)盡的多樣化的運用規律所達到的統一性將被認為是創(chuàng )造性智慧的產(chǎn)物。”
這一段話(huà)表達了開(kāi)爾文的理想，他想像一個(gè)完善的統一的理論，能把世界的現象包羅無(wú)遺。他的意志是堅強的。他在1904年出版的《巴爾的摩講演集》的序言上關(guān)于如何對待困難有這幾句話(huà)：
“我們都感到，對困難必須正視，不能回避；應當把它放在心里，希望能夠解決它。無(wú)論如何，每個(gè)困難一定有解決的辦法，雖然我們可能一生沒(méi)有能找到。”
開(kāi)爾文終生不懈地致力于科學(xué)事業(yè)，他不怕失敗，永遠保持著(zhù)樂(lè )觀(guān)的戰斗精神。1896年，在紀念他在格拉斯哥大學(xué)任教50年的會(huì )上，他說(shuō)過(guò)：“我在過(guò)去55年里所極力追求的科學(xué)進(jìn)展，可以有‘失敗'這個(gè)詞來(lái)標志。我現在不比50年以前當我開(kāi)始擔任教授時(shí)知道更多關(guān)于電和磁的力，或者關(guān)于以太、電與有重物之間的關(guān)系，或者關(guān)于化學(xué)親合的性質(zhì)。在失敗中必有一些悲傷；但是在科學(xué)的追求中，本身包含的必要努力帶來(lái)很多愉快的斗爭，這就使科學(xué)家避免了苦悶，而或許還會(huì )使他在日常工作中相當快樂(lè )。”開(kāi)爾文的這段話(huà)，可以說(shuō)是對自己的科學(xué)生涯的總結。
6.“開(kāi)爾文勛爵，研究生”
他更老了。他抱怨光陰流逝得太快。“一秒鐘是太短促了，我們需要長(cháng)一些的時(shí)間量度。”每天，他口授幾個(gè)小時(shí)，身旁有兩名秘書(shū)，一左一右。兩名秘書(shū)各自記錄他分別口授的東西，題目各不相同。
而現在，他已經(jīng)快走到生命之路的盡頭了。用畢生時(shí)間搞出來(lái)的學(xué)說(shuō)和發(fā)明，眼看就要被更新的一些學(xué)說(shuō)和發(fā)明擠進(jìn)陰暗的角落里。威廉·倫琴、亨利·貝克勒耳以及 瑪麗·居里等人，他們?yōu)閷?lái)開(kāi)辟了多么豐富的研究園地！在科學(xué)的世界觀(guān)方面，他們又進(jìn)行了一場(chǎng)什么樣的革命！比起他們來(lái)，他又顯得多么渺小和不足！在他擔任格拉斯哥大學(xué)教授五十周年紀念日時(shí)，他有點(diǎn)自嘲地笑了。
任職五十周年慶祝后又過(guò)了三年，他辭去了格拉斯哥大學(xué)教授的職務(wù)。董事會(huì )希望他不要退休，繼續工作。但是他搖搖頭。“請不必感情用事吧，我已經(jīng)沒(méi)有什么用處了。”
他最后一次看到了他的學(xué)生們。“我最近相信，當一個(gè)人老了的時(shí)候，他在家內爐邊最欣賞的，就是那些把他帶回到大學(xué)生活時(shí)代的照片……使你們的生活充滿(mǎn)光明和純潔的那些照片……”就這樣，他離開(kāi)了他的教授崗位，可是并沒(méi)有離開(kāi)格拉斯哥大學(xué)。只要一息尚存，他無(wú)法割斷他同格拉斯哥的紐帶。1899年，當學(xué)年開(kāi)始時(shí)，這位76歲的年邁學(xué)者，同大學(xué)本科生一道，走進(jìn)注冊室，也報了名：“開(kāi)爾文勛爵，研究生。”他終于懂得，他不能再教了；從現在起，他只是學(xué)。
7.預言20世紀初物理學(xué)的兩朵烏云
1900年4月27日，是特別的一天。英國的倫敦市，是特別的城市。阿爾伯馬爾街，是一個(gè)特別的地方。此時(shí)此刻歐洲著(zhù)名科學(xué)家正匯聚一堂。此時(shí)這里正舉行一場(chǎng)世紀之交的物理學(xué)報告會(huì )。在雷動(dòng)的掌聲中，白發(fā)蒼蒼、已是76歲高齡的德高望重的開(kāi)爾文勛爵走上了講臺，發(fā)表了開(kāi)幕祝詞——《在熱和光動(dòng)力理論上空的19世紀烏云》的演講，他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理大廈已經(jīng)落成，所剩的只是一些修飾工作．同時(shí)，他在展望20世紀物理學(xué)前景時(shí)講道：“動(dòng)力學(xué)理論斷言，熱和光都是運動(dòng)的形式。但是現在這一理論的優(yōu)美性和明晰性卻被兩朵烏云遮蔽而顯得黯然失色，第一朵烏云出現在黑體輻射實(shí)驗和理論的不一致（光的波動(dòng)理論爭議上），第二朵烏云出現在關(guān)于能量均分的麥克斯韋一玻爾茲曼理論上（發(fā)現光速不隨運動(dòng)參考系而變）。”……
物理學(xué)后來(lái)發(fā)展的歷史表明，正是19世紀初的這兩朵小小的烏云，釀成了一場(chǎng)大風(fēng)暴。
第二朵烏云導致相對論的爆發(fā)。
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