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ウィリアム・トムソン、初代ケルビン男爵（1824年6月26日 - 1907年12月17日[7]）は、イギリスの数学者、数理物理学者、技術者であった。[8] [9]ベルファスト生まれ。グラスゴー大学で53年間自然哲学の教授を務め、電気に関する重要な研究と数学的分析を行い、熱力学の第一法則と第二法則の定式化に貢献し、[10] [11]当時新興の学問分野として発展の初期段階にあった統一物理学に大きく貢献した。1883年に王立協会のコプリー賞を受賞し、1890年から1895年まで会長を務めた。 1892年、科学者として初めて貴族院に昇格した。[12]
絶対温度はケルビン卿に敬意を表してケルビン単位で表記される。絶対零度という最低温度の存在はケルビン卿の研究以前に知られていたが、ケルビン卿はその正確な値を摂氏約-273.15度、華氏-459.67度と定めた。[13]ジュール・トムソン効果もケルビン卿に敬意を表して名付けられた。
ケルビンは、数学教授ヒュー・ブラックバーンと緊密に協力して研究に取り組みました。また、電気電信技師および発明家としての経歴があり、それが彼を世間の注目を集め、富、名声、栄誉を獲得しました。大西洋横断電信プロジェクトでの功績により、1866年にヴィクトリア女王からナイトの称号を授かり、サー・ウィリアム・トムソンとなりました。彼は海洋に多大な関心を持ち、それまで信頼性が限られていた航海用コンパスの開発に取り組みました。
ケルビンは1892年に熱力学における業績とアイルランド自治に反対した功績が認められ貴族に叙せられ、[14] [15] [16]ラーグス県のケルビン男爵となった。この称号はヒルヘッドにあるグラスゴー大学ギルモアヒル校舎の彼の研究室の近くを流れるケルビン川にちなんでいる。いくつかの世界的に有名な大学から昇進の打診があったにもかかわらず、ケルビンはグラスゴーを離れることを拒み、1899年にその職を退くまで留まった。[7]産業研究開発に積極的だった彼は、1899年頃にジョージ・イーストマンに引き抜かれ、イーストマン・コダック傘下のイギリス企業コダック・リミテッドの取締役会副会長を務めた。[17] 1904年にグラスゴー大学の総長となった。[7]
ケルビンは、 1870年代にラーグスに建てたレッドストーン造りの邸宅、ネザーホールに住み、1907年にそこで亡くなりました。グラスゴー大学のハンテリアン博物館には、ケルビンの作品に関する常設展示があり、そこには彼のオリジナルの論文、楽器、喫煙パイプなどの工芸品が多数含まれています。
幼少期と仕事
家族
トムソンの父ジェームズ・トムソンは、ロイヤル・ベルファスト学術研究所の数学と工学の教師であり、農家の息子であった。ジェームズ・トムソンは1817年にマーガレット・ガードナーと結婚し、彼らの子供のうち4人の男の子と2人の女の子が幼児期を生き延びた。マーガレット・トムソンは1830年にウィリアムが6歳のときに亡くなった。[18]
ウィリアムと兄のジェームズは父親から家庭教師を受け、弟たちは姉から家庭教師を受けました。ジェームズは父親の励まし、愛情、経済的支援の恩恵を大いに受け、エンジニアとしてのキャリアを積むつもりでした。
1832年、父はグラスゴーの数学教授に任命され、家族は1833年10月にそこへ引っ越した。トムソン家の子供たちは、父親の田舎での育ちよりも幅広い国際的な経験を積むことになり、1839年半ばをロンドンで過ごし、男の子たちはパリでフランス語の家庭教師を受けた。1840年代半ばのトムソンの人生の多くはドイツとオランダで過ごした。言語の勉強は高い優先順位が付けられた。
彼の妹アンナ・トムソンは物理学者ジェームズ・トムソン・ボトムリーFRSEの母親である。[19]
若者
トムソンは、父親が大学学部の教授を務めていたロイヤルベルファスト学術機関に通った。1834年、10歳でグラスゴー大学で勉強を始めたが、早熟だったわけではない。大学は優秀な生徒のために小学校の設備を多く提供しており、これは典型的な入学年齢だった。学校では、科学に対する生来の興味とともに、古典に対する強い関心を示した。12歳のとき、サモサタのルシアンの『神々の対話』を古代ギリシャ語から英語に翻訳して賞を受賞した。
1839/1840年度、トムソンは数学的分析と創造性の才能を早期に示し、天文学のクラス賞を受賞した。この時の彼の物理学の家庭教師は、彼と同名のデイビッド・トムソンであった。[20]彼は生涯を通じて、個人的なストレスの対処法として、このエッセイで提起された問題に取り組んだ。このエッセイの表紙に、トムソンはアレクサンダー・ポープの「人間に関するエッセイ」から次の一節を書いた。これらの一節は、科学の力と方法を用いて自然界を理解するようトムソンに刺激を与えた。
行け、不思議な生き物よ！科学が導くところへ登れ。
地球を測り、空気を量り、潮の満ち引きを測れ。
惑星に軌道を指示し、
古い時間を修正し、太陽を調節しろ。
トムソンはジョセフ・フーリエの 『熱の解析理論』に興味をそそられ、アイザック・ニュートン卿の影に隠れて活動していたイギリスの権威が抵抗していた「大陸」数学の研究に身を投じた。当然のことながら、フーリエの研究は国内の数学者から攻撃を受けており、フィリップ・ケランドは批判的な本を執筆した。この本がきっかけでトムソンはフーリエを擁護する初の科学論文[21]をPQRというペンネームで執筆し、父親によってケンブリッジ数学ジャーナルに投稿された。PQR の 2 本目の論文がほぼすぐに続いた。[22]
1841年に家族とラムラッシュで休暇を過ごしていたとき、彼は3番目の、より充実したPQR論文「均質固体中の熱の均一な運動と電気の数学的理論との関連について」を執筆した。[23]この論文で彼は熱伝導と静電気の数学的理論の間に注目すべき関連を示しており、この類推はジェームズ・クラーク・マクスウェルが最終的に最も価値のある科学形成のアイデアの1つとして説明することになるものであった。[24]
ケンブリッジ
ウィリアムの父は、お気に入りの息子の教育のために惜しみなく資金を準備することができ、1841年に、大量の紹介状と十分な住居を彼に与えて、ケンブリッジのピーターハウスに入学させた。ケンブリッジ在学中、トムソンはスポーツ、陸上競技、スカル競技に熱心に取り組み、1843年にはコルクホーン・スカル競技で優勝した。[25]彼は古典、音楽、文学に熱心に関心を寄せたが、彼の知的生活における真の愛は科学の追求だった。数学、物理学、特に電気の研究は彼の想像力を魅了した。1845年、トムソンは2等賞で卒業した。[26]彼はまた、三等賞とは異なり、独創的な研究を問う第1回スミス賞も受賞した。審査員の1人であるロバート・レスリー・エリスは、別の審査員に「あなたと私は彼のペンを修理するのにちょうどいいくらいだ」と言ったと言われている。[27]
1845年、彼はマイケル・ファラデーの「電気誘導は介在媒体、つまり「誘電体」を通じて起こるのであって、理解しがたい「遠隔作用」によって起こるのではない」という考えを初めて数学的に展開した。また、彼は電気像の数学的手法を考案し、これは静電気学、すなわち静止した電荷を帯びた物体間の力を扱う科学の問題を解決する強力な手段となった。ファラデーが1845年9月にファラデー効果の発見につながる研究に着手したのは、彼の奨励に部分的に応えるためで、この研究は光と磁気（したがって電気）現象が関連していることを確立した。
彼は1845年6月にセント・ピーターズ（当時ピーターハウスはよくそう呼ばれていた）のフェローに選ばれた。[28]フェローシップを獲得すると、パリの高名なアンリ・ヴィクトル・ルニョーの研究室でしばらく過ごしたが、1846年にグラスゴー大学の自然哲学の教授に任命された。22歳のとき、彼はイギリス最古の大学の一つで教授のガウンを着て、数年前まで自分が1年生だったクラスで講義をすることになった。
熱力学
1847年、オックスフォードで開催された英国科学振興協会の年次総会に出席したトムソンは、早熟で型破りな科学者という評判をすでに得ていた。その総会でトムソンは、ジェームズ・プレスコット・ジュールが、熱の熱量理論と、それに基づいてサディ・カルノーとエミール・クラペイロンが構築した熱機関の理論を信用できないものにしようとする、これまでのところ効果のない試みをまたも行っているのを耳にした。ジュールは、熱と機械的仕事の相互変換性とそれらの機械的等価性を主張した。
トムソンは興味をそそられたものの懐疑的だった。ジュールの結果には理論的な説明が必要だと感じていたものの、彼はカルノー・クラペイロン学派へのより深い傾倒へと退いた。彼は、氷の融点は圧力によって下がるに違いないと予測した。そうでなければ、氷が凍結すると膨張し、それを永久機関に利用できるだろう。彼の研究室での実験的確認は、彼の信念を大いに強化した。
1848年、トムソンは、ガス温度計が温度の操作的定義しか提供していないことに不満を抱き、カルノー・クラペイロン理論をさらに拡張した。彼は絶対温度スケール[29]を提案した。このスケールでは、「このスケールの温度T °にある物体 A から温度 ( T −1) ° にある物体 B に下がった熱の単位は、 Tの数値が何であれ、同じ機械的効果[仕事]を与える」。このようなスケールは、「特定の物質の物理的特性とはまったく無関係である」。[30]このような「滝」を採用することで、トムソンは、それ以上熱 (カロリー) を伝達できなくなる点、つまりギヨーム・アモントンが1702年に推測した絶対零度の点に到達すると仮定した。カルノーが1824年にフランス語で出版した「熱の動力に関する考察」は、ケルビン卿の生誕年で、絶対零度の推定温度として −267 を使用した。トムソンは、レグノーが公開したデータを使用して、既存の測定基準に対して自分のスケールを較正しました。
トムソンは著書の中で次のように書いている。
...熱（またはカロリー）を機械的効果に変換することはおそらく不可能であり、確かに未発見である。
—しかし、脚注でジュールの非常に注目すべき発見に言及し、熱量理論に対する彼の最初の疑念を示しました。驚いたことに、トムソンはジュールに論文のコピーを送りませんでしたが、最終的にそれを読んだジュールは10月6日にトムソンに手紙を書き、自分の研究で熱から仕事への変換が実証されたが、さらなる実験を計画していると主張しました。トムソンは10月27日に返信し、独自の実験を計画していることを明らかにし、両者の和解を望んでいます。
トムソンはカルノーの最初の論文を批判するために戻り、1849年1月にエディンバラ王立協会でその分析を発表し、 [31]理論が根本的に正しいと依然として確信していた。しかし、トムソンは新しい実験を行わなかったにもかかわらず、次の2年間でカルノーの理論にますます不満を抱き、ジュールの理論を確信するようになった。1851年2月、彼は新しい考えを明確にするために腰を据えた。彼は自分の理論をどのように組み立てるべきか確信が持てず、論文はカルノーとジュールを調和させる試みに落ち着くまで何度も草稿を経た。書き直しの過程で、彼は後に熱力学の第二法則を生み出すことになる考えを検討したようだ。カルノーの理論では、失われた熱は絶対に失われるが、トムソンはそれが「人間にとっては回復不能に失われるが、物質世界では失われない」と主張した。さらに、トムソンは神学的な信念に基づいて第二法則を宇宙に当てはめ、宇宙の熱死という考えを生み出した。
私は、物質界では運動が拡散する傾向があり、全体として集中の逆の方向が徐々に進行していると信じている。いかなる物理的作用も太陽から発せられる熱を回復させることはできず、この熱源は無尽蔵ではないと私は信じている。また、地球や他の惑星の運動は、熱に変換される生命力を失っている。そして、地球は太陽から受け取る熱やその他の手段によって生命力をいくらか回復できるかもしれないが、その損失を正確に補償することはできず、おそらく補償不足であると私は考えている。[32]
補償には創造行為かそれに似た力を持つ行為が必要であり[32]、その結果宇宙は若返ります（トムソンは以前、宇宙の熱的死をどんどん遅くなっていく時計に例えていましたが、最終的に熱力学的平衡に達して永遠に止まるかどうかはわかりませんでした）。[33]トムソンはまた、1862年に熱的死のパラドックス（ケルビンのパラドックス）を定式化しました。これは、熱力学の第二法則を使用して、無限に古い宇宙の可能性を反証するものです。このパラドックスは後にウィリアム・ランキンによって拡張されました。[34]
最終的な出版では、トムソンは急進的な逸脱から撤退し、「熱の原動力に関する理論全体は、それぞれジュールとカルノーとクラウジウスによる2つの命題に基づいている」と宣言した。[35]トムソンはさらに第二法則の形を述べた。
無生物の物質的手段によって、周囲の物体の中で最も冷たい温度よりも低い温度に冷却することによって、物質のどの部分からも機械的効果を引き出すことは不可能である。[36]
論文の中で、トムソンは熱が運動の一形態であるという理論を支持しているが、自分が影響を受けたのはサー・ハンフリー・デービーの思想とジュール、ユリウス・ロバート・フォン・マイヤーの実験だけであることを認めており、熱から仕事への変換の実験的実証はまだ未解決であると主張している。[37]ジュールは論文を読むとすぐにトムソンにコメントと質問を書いた。こうして、ジュールが実験を行い、トムソンが結果を分析し、更なる実験を提案するという、主に書簡形式ではあるが実りある二人の協力関係が始まった。この協力関係は1852年から1856年まで続き、その発見にはジュール・トムソン効果（ケルビン・ジュール効果とも呼ばれる）が含まれ、発表された結果[38] はジュールの研究と運動論の一般的な受容に大きく貢献した。
トムソンは650本以上の科学論文[2]を発表し、70件の特許を申請しました（すべてが発行されたわけではありません）。科学に関して、トムソンは次のように書いています。
物理科学において、どんな主題を学ぶにしても、まず最初に必要なのは、数値計算の原理と、それに関連する何らかの性質を測定する実用的な方法を見つけることです。私はよく、自分が話していることを測定して数値で表現できるなら、それについて何かを知っていることになります。しかし、それを測定できず、数値で表現できない場合、あなたの知識は貧弱で不十分なものです。それは知識の始まりかもしれませんが、どんな問題であれ、あなたの思考は科学の段階にはほとんど進んでいません。 [39]
大西洋横断ケーブル
データレートの計算
トムソンは学問の世界では著名な人物であったが、一般大衆には無名であった。1852年9月、彼は幼なじみのウォルター・クラムの娘マーガレット・クラムと結婚したが[7]、彼女の健康は新婚旅行中に悪化し、その後17年間、トムソンは彼女の苦しみに悩まされた。1854年10月16日、ジョージ・ガブリエル・ストークスはトムソンに手紙を書き、ファラデーが計画していた大西洋横断電信ケーブルに関するいくつかの実験について意見を求めることで、彼の仕事への関心を再び引き付けようとした。
ファラデーは、ケーブルの構造によってメッセージの送信速度（現代の言葉で言えば帯域幅）が制限されることを実証した。トムソンはこの問題に飛びつき、その月に回答を発表した。[40]彼は達成可能なデータ速度と大西洋横断事業の潜在的収益の観点からの経済的影響という観点から結果を表現した。1855年のさらなる分析で、[41]トムソンはケーブルの設計が収益性に与える影響を強調した。
トムソンは、与えられたケーブルを通した信号速度はケーブルの長さの二乗に反比例すると主張した。トムソンの結果は、1856 年の英国協会の会議で、アトランティック テレグラフ カンパニーの電気技師であるワイルドマン ホワイトハウスによって異議を唱えられた。ホワイトハウスは、自身の実験結果を誤って解釈した可能性もあったが、ケーブルの計画がすでに順調に進んでいたため、間違いなく財政的なプレッシャーを感じていた。彼は、トムソンの計算は、ケーブルが「実際上も商業的にも不可能であるため放棄しなければならない」ことを示唆していると信じていた。
トムソンは、人気のある雑誌「アセナエウム」に宛てた手紙の中でホワイトハウスの主張を攻撃し、[42]世間の注目を集めた。トムソンは、より大きな導体とより大きな絶縁体の断面積を推奨した。彼はホワイトハウスが愚か者ではないと考え、既存の設計を機能させる実践的なスキルを持っているのではないかと疑っていた。トムソンの仕事はプロジェクトの実行者の注目を集めていた。1856年12月、彼はアトランティック・テレグラフ・カンパニーの取締役に選出された。
科学者からエンジニアへ
トムソンは、ホワイトハウスを主任電気技師、サー・チャールズ・ティルストン・ブライトを主任技術者とするチームの科学顧問となったが、ホワイトハウスはファラデーとサミュエル・FB・モースの支持を得て仕様を独自に決定した。
トムソンは1857年8月にケーブル敷設船HMS アガメムノン号に乗り込み、ホワイトハウスは病気のため陸に留まっていたが、航海は380マイル（610 km）を航海した後、ケーブルが切れて終了した。トムソンはエンジニア誌に海底通信ケーブル敷設に関わる応力の全理論を発表してこの取り組みに貢献し、ケーブルが船から一定の速度で一定の水深で伸びている場合、水に入った地点から底に触れる地点まで斜めまたは直線的に沈むことを示した。[43]
トムソンは、3.5秒ごとに1文字を送信できる海底電信機を運用するための完全なシステムを開発した。彼は、1858年にシステムの主要要素であるミラーガルバノメーターとサイフォンレコーダーの特許を取得した。ホワイトハウスは、トムソンの多くの提案や提言を無視できると感じていた。トムソンが委員会を説得して、失われたケーブル部分をより純粋な銅で置き換えるとデータ容量が向上すると確信するまで、彼はプロジェクトの実行に変化をもたらすことはなかった。[44]
委員会は、トムソンが1858年のケーブル敷設遠征に金銭的報酬なしで参加し、プロジェクトに積極的に参加することを強く主張した。その見返りとして、トムソンはホワイトハウスの機器とともに、委員会が乗り気ではなかった鏡付き検流計の試験運用を確保した。トムソンは自分に与えられたアクセスに満足せず、アガメムノン号は1858年6月の壊滅的な嵐の後、帰国せざるを得なかった。ロンドンでは、委員会がプロジェクトを断念し、ケーブルを売却して損失を軽減しようとしていた。トムソン、サイラス・ウェスト・フィールド、カーティス・M・ランプソンは、技術的な問題は解決可能であると主張して再度の試みを主張し、これが認められた。顧問として雇用されていたにもかかわらず、トムソンは航海中に、プレッシャーの下での実際の問題解決における真のエンジニアの本能とスキルを身につけ、緊急事態への対応でしばしば先頭に立ったり、手作業の支援を恐れなかったりした。ケーブルは8月5日に完成しました。
災難と勝利
トムソンの懸念は、ホワイトハウスの装置の感度が不十分であることが判明し、トムソンの鏡面検流計に交換しなければならなくなったときに現実のものとなった。ホワイトハウスは、サービスを提供しているのは自分の装置であると主張し続け、いくつかの問題を解決するための必死の手段に着手した。彼は2,000ボルトをかけてケーブルに致命的な損傷を与えた。ケーブルが完全に機能しなくなったとき、ホワイトハウスは解雇されたが、トムソンは異議を唱え、その干渉について取締役会から叱責された。トムソンはその後、ホワイトハウスの提案の多くにあまりにも簡単に従ってしまい、十分な力でホワイトハウスに異議を唱えなかったことを後悔した。[45]
商務省とアトランティック・テレグラフ社による合同調査委員会が設立された。ケーブルの故障の責任の大部分はホワイトハウスにあると判明した。[46]委員会は、海底ケーブルは信頼性の低さで有名だが、ほとんどの問題は既知の回避可能な原因から生じていると結論付けた。トムソンは、新しいケーブルの仕様を勧告する5人委員会の1人に任命された。委員会は1863年10月に報告書を提出した。[47]
1865年7月、トムソンはSS グレート・イースタン号のケーブル敷設遠征に参加したが、この航海は技術的な問題に悩まされた。1,200マイル(1,900 km)敷設された後にケーブルが失われ、プロジェクトは中止された。1866年のさらなる試みでは、2週間で新しいケーブルを敷設し、その後1865年のケーブルを回収して完成させた。この事業は大成功として世間から祝福され、トムソンは大いに称賛された。トムソンはプロジェクトの他の主要人物とともに、 1866年11月10日にナイトの称号を授かった。長い海底ケーブルでの信号送信に自らの発明を活用するため、トムソンはCFヴァーリーおよびフリーミング・ジェンキンと共同事業を開始した。後者と共同で、ケーブルでメッセージを送信するための 一種の電信キーである自動カーブ・センダーも考案した。
その後の探検
トムソンは1869年のフランス大西洋海底通信ケーブル敷設に参加し、休暇中の学生ジェームズ・アルフレッド・ユーイングの助力を得て、ジェンキンとともに西ブラジルおよびプラティーノ・ブラジル間のケーブルの技術者となった。 1873年にはブラジル海岸ケーブルの パラ州からペルナンブコ州までの敷設にも立ち会った。
トムソンの妻マーガレットは1870年6月17日に亡くなり、彼は人生を変えることを決意した。すでに船乗りに夢中になっていた彼は、9月に126トンのスクーナー船ララ・ルーク[48] [49]を購入し、友人や科学者の同僚をもてなす拠点として利用した。彼の海事への関心は、1871年、HMS キャプテン号の沈没に関する調査委員会に任命されたときも続いた。
1873年6月、トムソンとジェンキンはフーパー号に乗船し、2,500マイル (4,020 km) のケーブルを積んでリスボンに向かっていたが、ケーブルに不具合が発生した。その後、マデイラ島で予定外の16日間の寄港があり、トムソンはチャールズ・R・ブランディとその3人の娘と親しくなった。1874年5月2日、彼はララ・ルーク号に乗ってマデイラ島に向けて出航した。港に近づくと、彼はブランディ邸に「結婚してくれないか」と合図し、ファニー (ブランディの娘フランシス・アンナ・ブランディ) は「はい」と合図を返した。トムソンは1874年6月24日、13歳年下のファニーと結婚した。
その他の貢献
自然哲学論文
1855年から1867年にかけて、トムソンはピーター・ガスリー・テイトと共同で教科書を執筆した。この教科書は、力に関係のない運動の記述である運動学の数学に初めて基づいた力学の研究の基礎を作った。この教科書はさまざまな分野の力学を展開したが、統一原理としてのエネルギーに常に注意を払っていた。1879年に第2版が出版され、2部に分けて製本された。この教科書は数理物理学の早期教育の基準を確立した。
大気電気
トムソンは、1859年頃という比較的短期間に大気電気に関する研究に多大な貢献をした。 [50]彼は、当初は電信業務のために開発した電位計のいくつかを使用して、大気電場を測定するためのいくつかの機器を開発し、グラスゴーとアラン島での休暇中にテストを行った。アラン島での彼の測定は十分に厳密で、十分に校正されていたため、大気電場への影響を通じてグラスゴー地域の大気汚染を推測するのに使用することができた。[51]トムソンの水滴型電位計は、長年にわたりキュー天文台とエスクデールミュア天文台で大気電場を測定するために使用され、 [52]そのうちの1つは日本の柿岡天文台で2021年初頭まで運用されていた[ 53 ]。トムソンは、1859年9月初旬のキャリントンイベント（重大な磁気嵐）によって引き起こされた大気の電気的影響を無意識のうちに観察していた可能性がある。 [50]
原子の渦理論
1870年から1890年にかけて、原子はエーテル内の渦であるとする渦原子理論がイギリスの物理学者や数学者の間で人気を博した。トムソンがこの理論の先駆者となったが、これは17世紀のルネ・デカルトの渦理論とは異なっており、トムソンは単一連続体理論の観点から考えていたのに対し、デカルトはそれぞれ光の放射、透過、反射に関連する3つの異なる種類の物質の観点から考えていた。[54]約25人の科学者によって約60の科学論文が執筆された。トムソンとテイトに続いて、[55]結び目理論と呼ばれる位相幾何学の一分野が開発された。新しい数学を刺激し続けているこの複雑な研究におけるトムソンの先駆的な取り組みにより、このテーマは科学史に残ることになった。[56]
マリン
トムソンは熱心なヨットマンで、海に関するあらゆることへの興味は、おそらくアガメムノン号やグレート・イースタン号での経験から生じたか、あるいはその経験によって育まれたものであろう。トムソンは深海深度測定の新しい方法を導入した。この方法では、通常の手釣り糸の代わりに鋼鉄のピアノ線が使われる。この線は海底まで簡単に滑るので、船が全速力で航行している間に「フライング・サウンディング」を行うことができる。トムソンは、シンカーの深さを記録するために圧力計を追加した。[57]ほぼ同じころ、彼は船の位置を見つけるサムナー法を復活させ、すぐに使えるように一連の表を計算した。
1880年代、トムソンは、造船業で鉄の使用が増えたことで生じた磁気偏差から生じる誤差を修正するため、調整可能なコンパスを完成させようと努力した。トムソンの設計は、従来の機器に比べて安定性が高く、摩擦による影響が少ないという点で大きな改良点であった。船の磁気による偏差は、ビナクルにある可動式の鉄の塊によって修正された。トムソンの革新には、ジョージ・ビデル・エアリーらが特定した原理を発展させる詳細な作業が数多く含まれていたが、新しい物理的思考という点での貢献は少なかった。トムソンの精力的なロビー活動とネットワーク作りは、海軍本部による彼の機器の承認を得るのに効果的であることが証明された。
トムソンの科学的な伝記作家たちは、彼のコンパスの革新に少しでも注意を払ったことがあるとしても、一般的に、その問題を、卓越した科学的精神から生まれた素晴らしい革新に抵抗する愚かな海軍管理者たちの哀れな物語と捉えてきた。一方、海軍に同情的な作家たちは、トムソンを、疑いようのない才能と熱意を持ち、本物の海に関する知識を持つ人物として描写している。彼は、コンパス設計に関するいくつかのささやかなアイデアを自分の製造会社の商業的独占に変え、法廷での棍棒としての評判を利用して、他者からの独創性に関するささいな主張さえも打ち負かし、海軍本部と法律に自分の設計の欠陥と競争相手の設計の長所の両方を無視するよう説得した。
真実は必然的に、この2つの極端な意見の間のどこかにあるように思われる。[58]
チャールズ・バベッジは、灯台の光の掩蔽によって特定の数字を信号で知らせることができると最初に提案した人の一人だったが、トムソンは、その目的にはモールス信号の利点を指摘し、信号は点と線を表すために光の短い点滅と長い点滅で構成すべきだと主張した。
電気規格
トムソンは、電気を測定するための正確な方法と装置を導入することにおいて、同時代の他のどの電気技師よりも多くのことを成し遂げた。1845年には早くも、ウィリアム・スノー・ハリスの実験結果がクーロンの法則に従っていることを指摘した。 1857年のローマ科学アカデミーの回顧録では、ヨハン・ゴットリープ・フリードリヒ・フォン・ボーネンベルガーの検電器を基にした分割リング式電位計について記述している。彼は、静電気測定の全分野をカバーする、象限電位計を含む一連の効果的な機器を導入した。彼は、電流の標準単位であるアンペアを正確に指定するために、ケルビン天秤またはアンペア天秤( SiC )としても知られる電流天秤を発明した。1880年頃から、彼は電気技師マグナス・マクリーンFRSEの助けを借りて電気実験を行った。[59]
1893年、トムソンはナイアガラの滝 発電所の設計を決定する国際委員会の委員長を務めた。直流 送電の優位性を信じていたにもかかわらず、彼はその年のシカゴ万国博覧会で実演されたウェスティングハウスの交流システムを支持した。ナイアガラの滝の後も、トムソンは直流の方が優れたシステムであるという信念を貫いた。[60]
国際電気標準会議は、電気規格化へのトムソンの貢献を認め、1906年6月26日～27日にロンドンで開催された予備会議で彼を初代会長に選出した。予備会議報告書の議事録には、「会長（イギリスのアレクサンダー・シーメンス氏）の提案とマイルー氏（米国電気技術者協会）の賛成により、ケルビン卿（GCVO、OM）が満場一致で委員会の初代会長に選出された」と記されている。[61]
地球の年齢
ケルビンは、初期の物理学に基づく地球の年齢の推定を行った。彼が若い頃に地球の形状に関する研究を行い、熱伝導に興味を持っていたことを考えると、彼が地球の冷却を調査し、計算から地球の年齢の歴史的推論を行うことを選んだのは驚くことではない。トムソンは広い意味で創造論者であったが、「洪水地質学者」ではなかった[62]（この見解は1840年代までに主流の科学的支持を失った） [63] [64] 。彼は、熱力学の法則は宇宙の誕生から作用していると主張し、太陽系やその他の構造の組織化と進化、それに続く緩やかな「熱死」という動的なプロセスを想定。彼は、地球はかつて生命を維持するには熱すぎたという見解を展開し、この見解を、不確定な過去から条件が一定であったとする斉一説の見解と対比した。彼は、「この地球は、確かに数百万年前は、赤く熱く燃える球体であった...」と主張した。[65]
1859年にチャールズ・ダーウィンの『種の起源』が出版された後、トムソンは、地球の居住可能な年齢が比較的短いという証拠が、生物の多様性をもたらす緩やかな自然淘汰というダーウィンの漸進主義的な説明と矛盾する傾向があると考えた。トムソン自身の見解は、神の導きによって加速された有神論的進化論のバージョンを支持していた。[66]彼の計算によると、太陽は、ビクトリア朝時代の科学の知識を超えたエネルギー源によって加熱されない限り、進化による緩やかな漸進的な発達を可能にするほど長く存在することはあり得ないことが示された。彼はすぐに、地質学者やダーウィンの支持者であるジョン・ティンダルとTH・ハクスリーとの公的な意見の相違に巻き込まれた。ハクスリーがロンドン地質学会で行った演説（1868年）に対する返答として、彼は「地質学的ダイナミクスについて」（1869年）[67]という演説を発表し、その中で、彼の他の著作の中でも、地球の年齢はおそらく数十億年と非常に古いという地質学者の主張に異議を唱えた。[68]
トムソンが1864年に最初に地球の年齢を推定したとき、その年齢は2000万年から4億年だった。この広い範囲は、地球の内部温度を岩石の融点と同等とみなした彼の不確実性[69] [70]と、岩石の熱伝導率と比熱の不確実性によるものだった。彼は何年もかけて議論を洗練させ、上限を10分の1に引き下げ、1897年にトムソン（ケルビン卿）は最終的に地球の年齢を2000万年から4000万年と推定した[65] [71] 。 1895年にサイエンティフィック・アメリカン・サプリメントに掲載された手紙の中で、ケルビンはダーウィンの見解を含む地質学者による岩石の年齢と地球の年齢の推定を「漠然として広大な年齢」と批判した[72] 。
この推定値に関する彼の考察は、1897年にヴィクトリア研究所長ジョージ・ストークスの要請で行った講演で見ることができる[73] 。これは同研究所の機関誌Transactionsに記録されている。[74]かつての助手ジョン・ペリーは1895年に、地球内部の熱伝導率が低いというケルビンの仮定に異議を唱え、したがってケルビンの年齢がはるかに古いことを示す論文を発表したが、 [75]これはすぐにはほとんど影響を与えなかった。1903年に放射性崩壊によって熱が放出されることが発見されると、ケルビンの推定値は疑問視され、アーネスト・ラザフォードはケルビンが出席した1904年の講義で、これがケルビンが示唆した未知のエネルギー源であると主張したが、この推定値が覆されたのは1907年に岩石の放射年代測定が開発されるまでのことだった。[68]
放射能の発見により、ケルビンによる地球の年齢の推定はほぼ無効となった。ケルビンは最終的に、地球の地質学における放射能の重要性についてストラットと紳士の賭けをし、それを勝ち取ったが、太陽の年齢を2000万年以内に制限するより強力な議論があると考えていたため、これを公に認めることはなかった。太陽光がなければ、地球表面の堆積記録を説明することはできない。当時、太陽エネルギーの唯一の既知の発生源は重力崩壊であった。1930年代に熱核融合が認識されて初めて、ケルビンの年齢のパラドックスは真に解決された。[76]しかし、現代の宇宙論では、恒星の初期の生涯にケルビン期が認められており、この期間中は、核融合と主系列が始まる前に、重力エネルギー（ケルビンによって正しく計算された）によって恒星が輝く。
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その後の人生と死
1860年から1861年の冬、ケルビンはネザーホールの自宅近くでカーリング中に氷の上で滑って足を骨折し、1861年にマンチェスターで行われた英国科学振興協会の会議を欠席し、その後足を引きずることになった。 [7]彼は死ぬまで大西洋の両側で有名人であり続けた。
トムソンは生涯を通じて敬虔なキリスト教信者であり、礼拝に通うことは彼の日課の一部でした。[77]彼はキリスト教の信仰が彼の科学的研究を支え、啓発するものであるとみなしていました。それは1889年5月23日のキリスト教証拠協会の年次総会[78]での彼の演説からも明らかです。 [79]
1902年6月26日（エドワード7世とアレクサンドラの戴冠式の本来の日）に発表された1902年の戴冠式栄誉リストで、 [80]ケルビンは枢密顧問官に任命され、新しいメリット勲章（OM）の最初のメンバーの一人となった。彼は1902年8月8日に国王から勲章を受け、 [81] [82] 1902年8月11日にバッキンガム宮殿で評議会のメンバーに宣誓した。 [83]晩年はロンドンのベルグレイヴィア地区イートン・スクエア近くのイートン・プレイス15番地にあるタウンハウスによく出かけていた。[7]
1907年11月に彼は悪寒をひき、容態が悪化し、12月17日にスコットランドの別荘地であるラーグスのネザーホールで亡くなった。[84]ウェストミンスター寺院の要請により、葬儀屋のワイリー＆ロックヘッドは鉛で裏打ちされたオーク材の棺を用意した。冬の夜の暗闇の中、葬列はネザーホールから約1マイル離れたラーグス鉄道駅に向けて出発した。大勢の群衆が葬列の通過を見守り、店主たちは店を閉めて照明を暗くした。棺はミッドランド・アンド・グラスゴー・アンド・サウス・ウェスタン鉄道の特別貨車に載せられた。列車は午後8時30分にキルマーノックに向けて出発し、そこで貨車はロンドンのセント・パンクラス駅行きの夜行急行に連結された。 [85]
ケルビンの葬儀は1907年12月23日に行われた。[7]修道院にはグラスゴー大学とケンブリッジ大学の代表者をはじめ、フランス、イタリア、ドイツ、オーストリア＝ハンガリー帝国、ロシア、アメリカ、カナダ、オーストラリア、日本、モナコの代表者が集まり、盛大に葬られた。ケルビンの墓は身廊の聖歌隊席近く、アイザック・ニュートン、ジョン・ハーシェル、チャールズ・ダーウィンの墓の近くにある。[86]ダーウィンの息子、ジョージ・ダーウィン卿も棺を担いだ。[87]
グラスゴー大学はビュートホールでケルビンの追悼式を挙行した。ケルビンはスコットランド聖公会の信者で、ラーグスの聖コロンバ聖公会教会に所属し、グラスゴー滞在中は聖メアリー聖公会教会（現グラスゴー聖メアリー大聖堂）に所属していた。[85]ウェストミンスター寺院での葬儀と同時刻に、ラーグスの聖コロンバ聖公会教会で式典が挙行され、自治体の高官を含む大勢の信者が参列した。[88]
グラスゴー墓地にあるトムソン家の墓にはケルヴィン卿の記念碑が建てられている。この家族の墓には2つ目の近代的な記念碑があり、グラスゴー王立哲学協会によって建てられたものである。ケルヴィン卿は1856年から1858年、および1874年から1877年にかけて同協会の会長を務めていた。[89]
遺産
古典物理学の限界
1884年、ケルビン卿はジョンズ・ホプキンス大学で「分子動力学と光の波動理論」に関するマスタークラスを主催した。[90]ケルビンは、音を空気中の圧力の波として記述する音波方程式に言及し、振動の影響を受けやすい発光エーテルを仮定して電磁波方程式の記述も試みた。研究グループには、後にマイケルソン・モーリー実験を行ったアルバート・A・マイケルソンとエドワード・W・モーリーが含まれ、この実験では発光エーテルは発見されなかった。ケルビンはテキストを提供しなかったが、ASハサウェイがメモを取り、パピルスで複製した。主題が活発に開発中であったため、ケルビンはそのテキストを修正し、1904年にタイプセットされて出版された。ケルビンの機械的モデルを提供する試みは、最終的に電磁気領域では失敗した。1884年の講義を皮切りに、彼は暗黒物質の仮説的概念を定式化した最初の科学者となった。その後、彼は天の川銀河のいくつかの「暗黒天体」を定義し、その位置を特定しようと試みた。[91] [92]
彼はマクスウェルの放射圧の予測には懐疑的だったが、ピョートル・レベデフの放射圧の実験的証明を見て、それが実際に存在することを認めた。 [93]
1900年4月27日、彼は王立研究所で「19世紀の熱と光の力学理論の暗雲」と題する講演を行い、広く報道された。[94] [95]彼が言及した2つの「暗雲」とは、物質がエーテル中を移動する仕組みをめぐる混乱（マイケルソン・モーリーの実験の不可解な結果を含む）と、統計力学における等分配定理が破綻するかもしれないという兆候である。20世紀には、これらの問題から2つの主要な物理理論が開発された。前者は相対性理論、後者は量子力学である。 1905年、アルバート・アインシュタインはいわゆる「奇跡の年」の論文を発表しました。そのうちの1つは量子力学の基礎となったマックス・プランクのエネルギー量子の発見に基づいて光電効果を説明するものであり、もう1つは特殊相対性理論を説明するものであり、最後の1つは統計力学の観点からブラウン運動を説明するものであり、原子の存在に対する強力な議論を提供しました。
後に虚偽であることが判明した声明
多くの科学者と同様に、トムソン氏もテクノロジーの将来を予測する際にいくつかの間違いを犯した。
伝記作家のシルバヌス・P・トンプソンは、「 1895年末にレントゲンのX線発見が発表されたとき、ケルビン卿は完全に懐疑的で、発表は作り話だとみなしていた。新聞はレントゲンの放射線の驚異で満ちていたが、ケルビン卿はレントゲン自身が回想録のコピーを送ったときまで、それについて非常に懐疑的だった」と書いている。1896年1月17日、彼はその新聞を読み、写真を見た後、レントゲンに手紙を書き、「その新聞を読んだとき、私は非常に驚き、喜んだことは言うまでもありません。あなたが成し遂げた偉大な発見を心から祝福する以外に、今は何も言うことはありません」と述べた。[96]ケルビンは1896年5月に自分の手のX線検査を受けた。[97]
実用航空（つまり、空気より重い航空機）に対する彼の予測は否定的だった。1896年、彼は航空協会への入会の招待を断り、「気球以外の航空航法には全く信頼を置いておらず、耳にする実験のどれでも良い結果が出るとは期待していない」と書いた。[98] 1902年の新聞のインタビューでは、「気球も飛行機も実用的には成功しないだろう」と予言した。[99]
ケルビンの発言として誤って伝えられているのが、「物理学で今や発見すべき新しいものは何もない。残っているのは、より精密な測定だけだ」という発言である。これは1980年代から、引用もされずに、あるいは英国科学振興協会（1900年）での演説でなされたと述べられて、広くケルビンの発言とされてきた。[100]ケルビンがこのように言ったという証拠はなく、[101] [102]この引用はアルバート・A・マイケルソンの1894年の発言を言い換えたものである。「… おそらく、大原則のほとんどはしっかりと確立されていると思われる… ある著名な物理学者は、物理科学の将来の真実は小数点第6位に求められると述べた。」[102]同様の発言は、フィリップ・フォン・ジョリーなど他の人物によって以前にもなされている。[103] 1900年にケルビンに帰属させたのは、おそらく彼の「二つの雲」の講義と混同されたもので、むしろその後革命が起こる領域を指摘していた。
1898年、ケルビンは可燃物の燃焼速度により、地球上の酸素供給はわずか400年分しか残っていないと予測した。[104] [105]計算では、ケルビンは光合成が自由酸素の唯一の供給源であると仮定したが、酸素循環の構成要素を全て知っていたわけではない。[疑わしい–議論する]彼は光合成の供給源を全て知っていたはずがない。例えば、海洋光合成の半分以上を占めるシアノバクテリアの プロクロロコッカスは1986年まで発見されていなかった。
エポニム
トムソンに関連するさまざまな物理現象や概念にはケルビンという名前が付けられており、その中には次のようなものがあります。
- 熱電トムソン効果
- ケルビン橋（トムソン橋とも呼ばれる）
- ケルビン関数
- ケルビン・ヘルムホルツ不安定性
- ケルビン・ヘルムホルツ輝度
- ケルビン・ヘルムホルツ機構
- ケルビン材料
- ジュール・ケルビン効果
- ケルビンセンシング
- ポテンシャル理論におけるケルビン変換
- ケルビン航跡パターン
- ケルビン水滴器
- ケルビン波
- ケルビンの熱死のパラドックス
- ケルビンの循環定理
- ケルビン・ストークスの定理
- ケルビン・バーリー除算器
- SI温度単位、ケルビン
ニュージーランドのパパロア山脈にあるケルビン山は、植物学者ウィリアム・トラウソンによって彼にちなんで名付けられました。[106]
栄誉
- 1847年、エディンバラ王立協会会員。
- キースメダル、1864年。
- ガニング・ビクトリア・ジュビリー賞、1887年。
- 1873年～1878年、1886年～1890年、1895年～1907年大統領。
- 1851年、スウェーデン王立科学アカデミーの外国人会員。
- 1851年、 王立協会会員。
- 1858年、英国王立教師大学（教師大学）名誉会員。
- 1859年スコットランド技術者・造船業者協会名誉会員。 [107]
- 1866年にナイト爵を授与された。 [108]
- 帝国薔薇勲章（ブラジル）の勲章受勲者、1873年。
- レジオンドヌール勲章コマンドル（フランス）、1881年。
- 1889年、レジオンドヌール勲章グランドオフィサー受章。
- 1884年、プロイセン勲章プール・ル・メリット勲章受章。
- 1890年、レオポルド勲章（ベルギー）の勲章受章。
- 1892年、エア州ラーグスのケルビン男爵。 [109]この称号はグラスゴー大学の敷地内を流れるケルビン川に由来する。彼には相続人も近親者もいなかったため、称号も彼とともに消滅した。
グラスゴー大学の隣にあるケルビングローブ公園にあるウィリアム・トムソン・ケルビン男爵の記念碑 - 1896年、ヴィクトリア勲章ナイト大十字章受章。 [110]
- 1902 年 5 月 5 日、イェール大学名誉学位レガム博士(LL.D.) [111]
- 1902年、功労勲章受章者の一人。 [112]
- 枢密顧問官、1902年8月11日。[83]
- 1902年9月6日、ロイヤル・フレデリック大学は数学者ニールス・ヘンリック・アーベルの生誕100周年を記念して、同大学から名誉数学博士号を授与した。[113] [114]
- 1905年、ジョン・フリッツ・メダルを初めて海外で受賞。
- 1901年勲一等瑞宝章受章。
- 彼はロンドンのウェストミンスター寺院でアイザック・ニュートンの隣に埋葬されている。
- ケルビン卿は1971年にクライズデール銀行が発行した20ポンド紙幣に記念されており、現在発行されている紙幣では、同銀行の100ポンド紙幣に彼の肖像が描かれている。彼は調節可能なコンパスを持っており、背景には大西洋横断ケーブルの地図が描かれている。[115]
- 2011年に彼はスコットランド工学殿堂入りを果たした。[116]
- 世界冷凍デーは6月26日です。この日は彼の誕生日を祝うために選ばれ、2019年から毎年開催されています。
武器
参照
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外部リンク
ウィキソースには、ウィリアム・トムソン（初代ケルビン男爵）の著作や、ウィリアム・トムソンに関する著作があります。
Wikiquote にケルビン卿に関する引用があります。
ウィキメディア・コモンズには、ウィリアム・トムソン (初代ケルビン男爵)に関連するメディアがあります。
- プロジェクト・グーテンベルクにおけるケルビン卿の作品
- オコナー、ジョン J.、ロバートソン、エドマンド F.、「ケルビン卿」、マクチューター数学史アーカイブ、セントアンドリュース大学
- インターネット アーカイブにあるケルビン卿の著作またはケルビン卿に関する作品
- LibriVoxの Lord Kelvin の作品(パブリック ドメインのオーディオブック)
- オンライン書籍ページのテレグラフの英雄たち
- 「火星の馬」、ロード・ケルビンより
- ウィリアム・トムソン：ビクトリア朝物理学の王、物理学研究所のウェブサイト
- 絶対値の測定: ウィリアム・トムソンと温度(2019 年 5 月 2 日、 Wayback Machineにアーカイブ)、Hasok Changおよび Sang Wook Yi ( PDFファイル)
- 静電気と磁気に関する論文の再版（ガリカ）
- 結晶の分子戦術（インターネットアーカイブ）
- 引用文 - このコレクションには、多くの引用文のソースが含まれています。
- ケルビン ビルのオープン – ケンブリッジのレイズ スクール (1893)
- ケルビン図書館