世界100位物理学奇才

物理学的一代奇才[英国]汤姆孙(1824～1907)

近代物理史上，有这样一位奇才，叫开尔文勋爵。他22岁荣登教授宝座，24岁提出绝对温标，30岁不到且磁学和热力学颇有研究而名震欧洲。但也正是他，曾两次走到真理边缘，而又停滞徘徊，与真理擦肩而过，为NA感叹万千。这位勋爵本名叫威廉．汤姆孙，他不仅是伟大的理论家，更是一位杰出的实践家。他一生建树的最大业绩，就在于他在理论界孜孜不倦的奋斗，在实践上领导了世界上第一条大西洋海底电缆的制造与铺设，为人类通信事业的进步写下了壮丽的诗篇。

良好的家庭教育

威廉汤姆孙(WiUi锄Thomson)是英国物理学家。1824年6月26日他出生于爱尔兰贝尔法斯特一个由于宗教压迫而离徙的苏格兰誓约派教徒的家族。父亲J．汤姆孙是贝尔法斯特皇家学院有名的教学教授，生性温和，治学严谨，母亲是典型的贤妻良母。不幸的是，汤姆孙7岁时，母亲辞别人世。父亲很疼爱失去母亲的孩子．但对他们的教育却很严格，他为他的子女们提供了一套旨在保护他们心灵而磨砺他们智力的教育方式，注重通过讨论培养孩子们的思维习惯。毋庸讳言，父亲望子成龙，颇费了一番苦心。

汤姆孙8岁那年，父亲被聘任为格拉斯哥大学自然哲学教授，携全家前往。这一年新学期，这位新聘教授开始授课，每次上课都带着两个漂亮的小男孩，让他们坐在教室最后旁听。起初，同学们都以为他们是跟来玩的，后来发现电学教授授课时，他们竟然认认真真地做笔记，才吃了一惊。因为他们实在太小，一个是10岁的杰姆，一个便是8岁的汤姆孙。

汤姆孙10岁时，与哥哥一道正式进格拉斯哥大学预科班学习。大学的学习使汤姆孙兄弟大开眼界，当他们围坐在桌子四周时，他们惊奇地注视着桌上的玩具地球仪，梦想去全球遨游，而后目光又转移到更大的天球仪。汤姆孙完全被这两个球的故事迷住了，尽管年龄还小，但已决心接受挑战，他在日记中写道：科学领路到哪里，就在哪里攀登不息。前进吧，去测量大地，衡量空气，记录潮汐；去指示行星奔跑的轨迹，去纠正老皇历，叫太阳遵从你的规律。

有志者事竟成，15岁时他获得天文学奖；同一年，他因一篇出色的论文《地球的形状》，得到大学的金质奖牌。1845年1月，年仅20岁的汤姆孙通过了紧张的毕业考试，以优异的成绩给大学生涯画上了一个圆满的句号。

走到了电磁学的边缘

这位才华横溢、英姿勃发的高才生，还在儿童时代就迷上了电学。1831年大物理学家法拉第发现电磁感应更强烈地促使他在大学毕业后把电磁学作为进军的首选目标。

汤姆孙的父亲则一心要儿子竞争教授席位，特意安排汤姆孙去巴黎留学。但汤姆孙没有忘记自己的志向，1845年初夏，汤姆孙从巴黎回到剑桥，参加了英国科学协会的大会，面对世界第一流的大科学家，他不迷信权威，大胆发表自己的见解，博得大家的赞赏与肯定。正是在这次会议上，汤姆孙结识了仰慕已久的法拉第，并向法拉第请教疑难，交流思想。法拉第很欣赏汤姆孙出众的才华，并热情地鼓励汤姆孙继续努力，在电磁学研究上更进一步。

汤姆孙虽几次试图把他对电磁学的研究总结成理论，但最终都失败了。他的主要缺点在于不善于吸取他人之长。这也许与他一直受父亲单独教育过多有关。他很少认真读几本他人的著作与研究成果，他的发现，都是全凭自己实验得来的，其中有的确实闪耀着天才的光芒，有的则是别人早就发现了的东西。

1846年9月，通过一场激烈的竞争淘汰，22岁的汤姆孙击败所有对手，脱颖而出，坐上教授交椅。汤姆孙的父亲为此欣喜若狂。但汤姆孙仍然潜心于电磁学，年轻的汤姆孙的工作劲头，就像一股龙卷风，他充沛的精力更让大学里文质彬彬的同事们敬羡不已。汤姆孙刻苦钻研，并积极关注实验的每一个细节，他试图用数学公式将电力和磁力统一起来，这的确是一个天才的设想。汤姆孙把研究成果写成一篇论文，论文完成时，他兴奋地在日记中写到：上午十时一刻我终于成功地用力的活动影像法来表示电力、磁力、电流了。实际上，他已走到了电磁理论的边缘，离真理只差最后一步，可是他在这关键时刻又止步了。因而建立电磁理论的桂冠，后来就只能由麦克斯韦去摘取了。尽管如此，汤姆孙的功绩是不可否认的，他为这一理论的建立做了开拓性的工作，他把自己多年积累的思想成果毫无保留地告诉了麦克斯韦。这充分体现了一个真正的科学家的坦荡与伟大。

热力学领域中硕果累累

山重水复疑无路，柳暗花明又一村。正当汤姆孙在电磁理论边缘徘徊不前时，他非常幸运地遇上了另一位大物理学家焦耳，把他的兴趣引上了另一条道路一热力学研究。

他们的相遇、相识与相知也是富有戏剧性的。1847年，在牛津召开的英国科学协会的会议上，焦耳再次宣传当时未被人们接受的热功当量理论。这位不屈不挠的实验家，面对怀疑和非难，坚定地说明各种形式的能可以定量地相互转化。汤姆孙出席了这次会议，最初也准备反驳，但听完后却明白其中包含真理。会后，他同焦耳亲切交谈，两人成了莫逆之交。在焦耳的鼓励下，汤姆孙开始倾注于热力学的研究。天道酬勤，他的天才在电磁学未充分发挥，在热力学领域却放出了奇光异彩。1848年，他发表了第一部内容相当丰富的热力学著作，书中，以卡诺原理为基础，确立了绝对温标的概念。1851年，汤姆孙发表了《热力学理论》一书，他从卡诺理论出发，作为他对热力学第二定律的一种表述，发展了热力学理论，使其成为物理学的奠基石之一。他的很多工作都是和焦耳共同完成的。1853年至1854年期间，他们共同研究了气体的扩散对温度的变化，并发现了著名的焦耳一汤姆孙效应(气体受压通过窄孔后膨胀降温)，这个效应为近代低温工程提供了重要的理论基础。

汤姆孙对热力学的研究，包括的方面很广，从宇宙的极限到自己的身体。他经常观察周围的事物，目的是要改进这些事物。有一天，他看着自己的晚餐，突发奇想：在高温下食物的分子是很活跃的，在低温下分子运动却特别迟缓。热可以加速变化的过程，而冷则可以减慢这个过程，细菌可以在高温下被杀死，也可以在低温下停止活动。这样，食物不就可以通过冷却来保存吗?当他清晨从田间走过时，他观察到露水如何保护农作物不受夜间霜冻的侵袭。从这个简单的现象中，他领悟到一种最新工艺冷藏的原理。

汤姆孙是这样的勤于观察、勤于思考，热爱研究。他在热力学领域的研究使他成为物理学界荟萃群星中耀眼的一颗。(www.xing528.com)

横越大西洋海底电缆的成功

1853年，29岁的汤姆孙在热力学研究取得丰硕成果后，再次把注意力投向了电磁学，经过反复实验，证明了莱顿瓶放电具有振荡性质，这是发现电磁波的前兆，他又一次走在了真理的边缘!遗憾的是他没有继续研究下去，个中缘由种种，或许当时举世瞩目的大西洋海底电缆工程吸引了他的注意力。因为汤姆孙不是法拉第那样的实验科学家，也不是麦克斯韦那样的理论科学家，他更多地具有工程师的气质。

要建造和铺设数千公里的海底电缆，工程艰巨可想而知，有许多理论和技术问题需要解决。汤姆孙以其丰富的理论知识和超群出众的才华脱颖而出，被选聘为大西洋海底电缆公司的董事，尽管工程成功之前，董事没有薪金。汤姆孙却热爱这份事业，期盼着自己的理论能够付诸实践，在工程建设中大显身手。

然而，年轻的董事开始并未受到重用，公司选择老资格的、独断专行的华特霍斯担任电气工程师。工程开始时，由于按华特霍斯合同订做的电缆的直径比理论要求小得多，刚开始时就陷入混乱。为了补救这一严重错误，汤姆孙废寝忘食，进行突击研究，及时解决了这一问题。

1857年，电缆敷设沉放工程开始，身为电气工程师的华特霍斯却以身体不适为名拒绝出航。汤姆孙接替华氏披甲上阵。不幸的是，电缆沉放到300多海里时突然折断，而且信号微弱，第一次沉放失败。但汤姆孙并没有气馁，而是全心分析研究，最后得知，电缆折断是由于外层机械强度不够。而为克服信号微弱这一困难，他从阳光下镜片反射光的放大中受到启发，发明了镜式电流计、电报机，这种电报机灵敏度很高，为长途电缆通信提供了实用、快捷、灵敏的终端设备。

这二难题的解决为电缆再次沉放奠定了基础。1858年春夏之交，汤姆孙再向大海征战，与风浪搏击一个多月，8月5日上午电缆终于着陆。汤姆孙拍发出从欧洲到美洲的第一份电报，5分钟后，美洲清晰地收到了电报。茫茫大西洋终于被征服了!大西洋两岸的人们激动不已。

然而，正如马克思所说，在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望到达光辉的顶点。大西洋海底电缆使用一个月后，出现严重故障，信号模糊，不久信号完全中断。公众反应非常强烈，各种批评接踵而至。后来调查分析表明电缆制造不合要求，绝缘层抗腐蚀性太差。汤姆孙竭力说服众股东继续努力，就一定能获得成功。

1865年初，经过改良的第二条电缆终于闪亮登场，汤姆孙为此花费了不少心血。这年6月，汤姆孙再次远航，领导了这次沉放工程。人们对这次沉放寄予了莫大希望，但想不到电缆再次折断，坠入万丈深渊。几年的心血付之东流，怎能不让人痛心惋惜?整整9年的心血，9年的代价，汤姆孙又怎能就此甘心?何况多次的失败正孕育着成功的新生儿，成功正在前方召唤，犹如即将升起的太阳、母腹中躁动的婴儿。大西洋阻挡不住人类的进步!这是汤姆孙坚定不变的信念；只要再造出一条电缆，我保证能够成功!这是汤姆孙自知自信的豪迈。总经理塞拉斯菲尔德先生被汤姆孙的精神所感动，公司鼓足勇气决定建造第3条电缆。

又是一番艰苦奋战，1866年春天，电缆建成，汤姆孙肩负使命：再次出征，主持了第四次沉放。苍天不负有心人，这次沉放总算圆满成功，信号接收令人十分满意。至此，历尽千辛万苦，一项人间奇迹长途海底电缆通信在汤姆孙手下变成活生生的现实。

汤姆孙这一伟大功绩揭开了人类文明史的新篇章，全球性远距离通信日益密切而快捷，其意义的深远重大有史可鉴。直到今天，海底电缆仍然是国际通信的一种重要手段。汤姆孙因此获得了很高的声誉，后来被授予开尔文勋爵的封号。

伟大的科学向导

人生之路，曲折如藤；人生之诗，壮丽如虹。道路靠双手开拓，坎坷靠双脚踏平。汤姆孙是人生之路的开拓者也是科学之路的开拓者，30岁不到，他就以惊人的成就成为电磁理论的开路先锋和热力学的奠基人之一。虽然他本人没有登上理论的巅峰，却为后人开辟了前进的道路。他是一名科学的尖兵，一位伟大的科学向导。

理论探索之外，在应用工程上，更是到处有他的足迹。他做了50多年的大学教授，其实是以教授的名义当了50多年的工程师。他刚刚被选拔到很多白发苍苍的对手们求之不得的教授职位，就决定在格拉斯哥大学的物理系来一场革命。他的课堂和实验室堆满了各种各样的仪器，五花八门。小配件堆积在桌上，吊在天花板上，挂在墙上。至于大件，有一套三件的螺旋弹簧振荡器；一座30英尺长的摆钟等等。他所主持的格拉斯哥大学物理学，实际上成了工程应用系。他的众多发明专利给他带来了丰厚的收入，但他把大量的金钱都用于新的研究。他热爱大海，把全部精力投入航海研究，发明了几种很轻便的新式指南针。除航海发明，汤姆孙对于电学测量也卓有贡献。他的镜式电流计不仅成功地用于海底电缆通信，也成了电学上的标准测量仪器。此外，汤姆孙的虹吸记录器电笔的发明，则把电缆传来的信号最后从波浪形线条译成了文字。

我们很难逐一列举汤姆孙在理论科学和应用工程方面所做的贡献，因为他的一生是开拓进取、奋斗不息的一生。但他一生干的事太多太杂，因而有的传记作者说他博而不专。汤姆孙就因为对于科学思想缺乏健全的直觉，所以不能在科学上完成更伟大的功绩。他能翻过科学上崇山峻岭一般的障碍，不过他一经到达了山巅，就不能想像雾层以外的景色了。他不能察觉光的电磁学含育在他自己的研究里。这个批评是中肯的。正因为如此，他几次走在了真理边缘，又几次失之交臂。汤姆孙的成功与失败，对每个人的人生都具有借鉴意义。

1896年，格拉斯哥大学隆重集会，纪念汤姆孙荣任该校教授50周年。在纪念会上，他的朋友们正在一一列举他生平事业中所有的贡献。但这位72岁的勋爵却有点自嘲地笑了：有两个字最能代表我50年内在科学进步上的奋斗，就是失败二字失败当然会产生忧虑的，可是对于从事科学的人，天赋的才能常会带来一种特别的兴致，借此使他不致十分失望，也许反会使他的日常生活格外快乐。这席话惊动全座。作为一名世界闻名的科学巨子、物理学的一代奇才，竞用失败二字来概括自己的一生。这是一个科学上不知足的人的谦逊与自知。

1899年，当新学年开始时，这位75岁的年迈老人，同大学本科生一道，走进注册室，也报了名：开尔文勋爵，研究生，因为他深深懂得：学无止境。