田 川

(重慶市第八中學校，重慶 400030)

我國早期的書籍中有將湯姆孫音譯為湯姆森、湯姆生、湯姆遜的．現在的高中物理課本中基本都譯作湯姆孫．課本中多次出現對湯姆孫的記載,以致于許多學生對此容易混淆．實際上課本在科學家的名字后都注明了英文名字,所以對比英文名字就可以發(fā)現威廉·湯姆孫(William Thomson)、約瑟夫·約翰·湯姆孫(Joseph John Thomson)、喬治·佩吉特·湯姆孫(George Paget Thomson)．由此可見他們是3個不同的人．那究竟那一個湯姆孫是開爾文呢?焦耳——湯姆孫效應中的湯姆孫又是哪一個湯姆孫呢?

下面分別對這3位進行介紹,希望有助于讀者將其區(qū)分清楚．

1 父子雙諾獎,桃李滿天下

圖1 約瑟夫·約翰·湯姆孫

約瑟夫·約翰·湯姆孫和G·P·湯姆孫實際上是一對父子,約瑟夫·約翰·湯姆孫是G·P·湯姆孫的父親．約瑟夫·約翰·湯姆孫1856年12月18日出生于英國的曼徹斯特,1880年在劍橋大學取得學士學位,同年成為劍橋大學三一學院的研究生．1883年任講師,第二年接替瑞利任卡文迪許實驗室教授,這個實驗室在約瑟夫·約翰·湯姆孫的領導下成為了全世界引人注目的物理實驗中心,后來有7位獲得諾貝爾獎,其中就包括盧瑟福和威爾遜．

J·J·湯姆孫最大的貢獻在于利用實驗證明了電子的存在,這也是他獲得1906年諾貝爾物理學獎的原因．

人類對電現象本質的認識過程是漫長而曲折的,1834年法拉第就發(fā)現了電解定律,法拉第的電解定律使不少科學家受到啟發(fā),產生了電的“原子性”的念想．

1858年普呂克(Plucker)在研究氣體放電時發(fā)現了陰極射線．陰極射線究竟是什么?這個問題引起了科學家們很大的興趣,于是,圍繞這個問題出現了一場大爭論．有趣的是,這場爭論幾乎是按照國家劃分的．德國的物理學家主張“電磁波”論,而英法的物理學家主張“粒子”論,這一爭論持續(xù)了近20年,最后由J·J·湯姆孫解決了．

1893年,赫茲曾經試圖利用靜電場使陰極射線發(fā)生偏轉,但未成功．J·J·湯姆孫發(fā)現這是由于真空管的真空度不高引起管內殘余氣體電離所致．J·J·湯姆孫得到了工藝師傅Everett的幫助,提高了放電管的真空度,從而獲得成功．

湯姆孫還給放電管分別充入各種氣體,并用鉛和鐵等不同的金屬做電極進行實驗,所得的比荷大致相同．于是,他得出結論說:陰極射線是由同樣的帶電“微?！苯M成．湯姆孫將這種微粒叫做電子．

1897年8月,J·J·湯姆孫把他的發(fā)現寫成長篇論文《陰極射線》,10月發(fā)表在《哲學雜志》上．[1]電子的發(fā)現被稱為19世紀的3大發(fā)現之一,電子的發(fā)現標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的層次,它打破了人們千百年來一直認為原子是組成物質的最小單元的傳統(tǒng)觀念,揭示出原子還有內部結構．從此向原子內部探索和“分裂原子”就成了20世紀初期物理領域中最振奮人心的口號．

憑借對氣體通電的研究以及電子的發(fā)現,J·J·湯姆孫獲得1906年諾貝爾物理學獎．1908年J·J·湯姆孫受封爵士．從1909年開始,他幾次連任近代物理世界年會主席．1915年當選英國倫敦皇家學會會長．1918年任劍橋大學三一學院院長．

J·J·湯姆孫生活到84歲高齡,于1940年8月30日在劍橋去世．他的遺體和牛頓、達爾文、開爾文等著名學者安放在倫敦市中心的威斯敏斯特教堂．

喬治·佩吉特·湯姆孫于1892年在英國劍橋出生．作為J·J·湯姆孫的獨生子,G·P·湯姆孫從小受到了良好的教育,1913年從劍橋畢業(yè),從事空氣動力學問題的研究．1922年他成為阿伯丁大學自然哲學的教授．

1924年,德布羅意在他的博士論文《關于量子理論的研究》中指出“可以將波和量子綜合起來的重要指南”,并預言電子束在穿過狹縫或小孔時會像光一樣,產生衍射現象．

德布羅意的理論由于缺乏實驗驗證,并沒有引起人們的注意．當德布羅意的導師郎之萬將此論文寄給愛因斯坦時,愛因斯坦對此大加贊賞．認為他揭示了“自然界巨大面罩的一角”．經過愛因斯坦的舉薦,德布羅意的這篇論文遂為人們所熟知．其中就包括G·P·湯姆孫．

1927年,G·P·湯姆孫用高速電子進行實驗,果然獲得了電子的衍射圖樣．[1]同年,戴維孫用低速電子進行實驗,也獲得了電子的衍射圖樣,這兩個實驗得出的結果,完全證實了德布羅意假設的正確性．

G·P·湯姆孫的驗證實驗使得波粒二象性這一觀念得以深入人心,使得量子理論得以進一步深入．

1929年德布羅意獲得物理學諾貝爾獎,1937年G·P·湯姆孫和戴維孫獲得物理學諾貝爾獎．一個實驗能夠催生兩個諾貝爾獎,這在物理學史上是罕有的．

1943年,G·P·湯姆孫受封爵士．1975年G·P·湯姆孫逝世于劍橋．

2 電纜冊爵士,一生傳佳話

威廉·湯姆孫(WilliamThomson)1824年7月26日生于愛爾蘭的一個知識分子家庭．威廉·湯姆孫幼年喪母,在皇家學院任教的父親親自對湯姆孫進行嚴格的教育,湯姆孫6歲起就在父親的指導下學習數學, 8歲時就在父親的課堂上旁聽,10歲進入大學預科學習,15歲時,他寫的論文《地球的圖形》獲得大學金質獎章．17歲又進入劍橋大學．1845年以數學第二名、史密斯獎金考試第一名的優(yōu)異成績畢業(yè),畢業(yè)后到法國留學．1846年回國后到父親所在的格拉斯哥大學任教,1851年被選為英國皇家學會會員,由于成功裝設大西洋的海底電纜,1866年被封為爵士,1890年到1895年之間擔任皇家學會會長, 1892年英國維多利亞女王晉封他為貴族,因為他常年在開爾文河畔的格拉斯哥大學任教,因此領銜開爾文勛爵(Lord,Kelvin)．所以現在的物理課本往往稱他為開爾文．

湯姆孫在電學方面的成就始于1845年的法國留學．

1845年湯姆孫去巴黎留學,成為法國物理學家雷尼奧的研究生,主攻熱力學．但是4個月后湯姆孫卻發(fā)表了一篇電學方面的論文《運用鏡像法闡述靜電感應的電荷分布》．[2]并且在研究溫差電現象的過程中發(fā)現湯姆孫效應．

1845年夏天,湯姆孫在劍橋大學科協的一次會議上作報告,提出磁力線可以用數學來表示．就在這次會議上,湯姆孫和法拉第結成了忘年之交．

1853年,湯姆孫用萊頓瓶研究了振蕩放電的性質,用數學分析導出了電振蕩方程和振蕩頻率公式,寫成《瞬態(tài)電流》這篇有名的論文,走到了發(fā)現電磁波的邊緣．遺憾的是,湯姆孫沒有進一步研究,因此失去了發(fā)現電磁波的機會．但令人欣慰的是,1854年當麥克斯韋向湯姆孫請教電磁理論研究的時候,湯姆孫毫無保留得把自己精彩的物理思想和巧妙的數學技巧全部告訴了他,為他日后完整地提出電磁理論提供了決定性的幫助．

從1856年起,湯姆孫轉向海底電纜的研制工作,在他的率領下,英國大西洋海底電纜公司經過10年的艱巨工作,終于在1866年成功鋪設了世界上第一條跨大西洋的海底電纜．同年,湯姆孫受封爵士．

湯姆孫對熱學展開有價值的研究始于結識焦耳．

1847年,在牛津召開的英國科學協會會議上,湯姆孫結識了焦耳．在焦耳的影響下,湯姆孫對熱力學開始了深入的研究．

1848年湯姆孫在論文《建立在卡諾熱的動力論的基礎上和由雷諾的觀察結果計算出來的一種絕對溫標》中提倡利用卡諾的循環(huán)理論來制造不受物質特定性質影響的溫標．[3]

湯姆孫的研究為熱力學定律開辟了道路．[4]

1849年,湯姆孫在《關于卡諾學說的說明》中指出,卡諾關于熱只在機器中重新分配而并不消耗的觀點是不正確的．1851年湯姆孫在《愛丁堡皇家學會會刊》發(fā)表了題目為《論熱的動力理論》[5]的論文,在該文中湯姆孫提出:“通過使物質的任何部分冷卻到比周圍物體的最低溫度還要低的溫度的方法而獲得機械效應,是不可能的.”這個原理后來被表述為:“從單一熱源吸取熱量使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ划a生其它影響是不可能的”．德國物理學家奧斯特瓦德(Ostwald)把這一原理表述為:“第二類永動機不可能制成”．

1852年,湯姆孫發(fā)表論文《關于自然界中機械能的逸散的普遍傾向》也就是能量的相互轉換,在很多情況下都只在一個方向上形成,能量在數量上不消失,但在有用程度上卻逐漸消失,不僅僅要考慮能量的數量,而且要考慮它的品質．[6]同年湯姆孫和克勞修斯一起提出“熱寂”學說,根據這一思想,他把熱的動力理論的兩個基本定律概括為:宇宙的能量恒定不變、宇宙的熵趨于一個極大值．

熱力學說的爭議在于,把有限的時空問題,不合理地外推到無限的宇宙中去,犯了形而上學的錯誤,也是難以置信的．關于這個問題的討論一直延續(xù)至今．

1852年,焦耳和湯姆孫在研究氣體的內能與體積變化的關系時,發(fā)現充分預冷的高壓氣體通過多孔塞向低壓空間絕熱膨脹時,溫度會降低,這就是“焦耳——湯姆孫效應”．焦耳——湯姆孫效應為人類獲得低溫提供了一個新的方法．借助這一效應,1877年12月瑞士的皮克泰特(Pictet)獲得液態(tài)氧．1898年,英國的杜瓦(Dewar)成功地將氫液化．1908年荷蘭的昂內斯(Onnes)實現了氦氣的液化,從而消除了最后一種“永久氣體”,并將低溫的記錄推至1.15 K．

向越來越低的溫度逼近,雖然越來越困難,但總還是可以的,那么是否存在著低溫的極限呢?湯姆孫最初在確立熱力學溫標時就提出了絕對零度的想法．他認為:“當我們仔細考慮無限冷相當于空氣溫度計零度以下的某一確定的溫度時,如果把分度推延足夠地遠,我們就可以達到這樣一個點,在這個點上空氣的體積將縮減到無,在刻度上可以標以-273℃,所以空氣溫度計的-273℃是這樣一個點,不管溫度降到多低都無法達到這個點”．[7]

1906年,德國物理學家能斯特(Nernst)把熱力學原理用在低溫過程中時發(fā)現一個新的定律:“絕對零度時,凝聚態(tài)的熵趨于零”．1912年,能斯特又把這一規(guī)律表述為絕對零度不可能達到,這就是熱力學第三定律．

湯姆孫是一位公認的知識淵博的學者,但是他晚年仍舊積極學習新知識．1899年新學期開學的時候,一位七旬的老人和一群大學新生一起走進格拉斯哥大學的新生報到室,這位七旬的老人在新生報名單上寫下:“開爾文”．

湯姆孫一生發(fā)表的論文有600多篇,發(fā)明專利70多項,真是一位多才多藝多產的偉大學者．

湯姆孫于1907年12月17日在格拉斯哥大學去世,安葬在牛頓墓地的旁邊,終年83歲．

“科學領路到哪里,就在哪里攀登不息”——威廉·湯姆孫．