بیوگرافی ویلیام تامسون مشهور به لرد کلوین، دانشمند بزرگ الکتریسیته و ترمودینامیک

ویلیام تامسون لرد کلوین (William Thomson, 1st Baron Kelvin) فیزیک‌دان ریاضیاتی اسکاتلندی ایرلندی بود که دستاوردهای بزرگی در قرن ۱۹ میلادی از خود بر جای گذاشت. او یکی از مشهورترین اساتید تاریخ دانشگاه گلاسکو بود و اکثر یافته‌های علمی‌اش را نیز در همین مرکز کسب کرد. تحلیل‌های ریاضیاتی الکتریسیته، تدوین قانون دوم ترمودینامیک، تألیف مفاهیم اصولی فیزیک مدرن و از همه مهم‌تر فعالیت در حوزه‌ی تلگراف، همگی در سابقه‌ی کاری و علمی تامسون دیده می‌شوند.

فعالیت‌های تامسون در حوزه‌ی تلگراف و پیاده‌سازی اولین خطوط تلگراف زیر اقیانوس اطلس، مقام شوالیه را از سوی ملکه ویکتوریا برای او به‌همراه داشت. درنتیجه تامسون از سال ۱۸۶۶ ملقب به سر ویلیام تامسون شد. او علاقه‌ی شدیدی هم به دریانوردی داشت و بهینه‌سازی قطب‌نمای دریایی نیز در تاریخچه‌ی فعالیت‌هایش دیده می‌شود. به‌علاوه تامسون در محاسبه‌ی دقیق صفر مطلق هم تحقیقاتی انجام داد و به‌همین دلیل امروز این دما را به‌نام صفر کلوین هم می‌شناسیم.

کلوین با وجود پیشنهادهای متعددی که از سرتاسر جهان برای موقعیت‌های عالی تدریس در دانشگاه‌های بزرگ دریافت می‌کرد، هیچ‌گاه تصمیم به ترک گلاسکو نگرفت. او به مدت ۵۰ سال به‌عنوان استاد فیزیک (در آن زمان به‌نام فلسفه‌ی طبیعی شناخته می‌شد) در آن دانشگاه تدریس کرد. از آخرین فعالیت‌های گلاسکو نیز می‌توان به معاونت ارشد در هیئت‌مدیره‌ی شرکت برینانیایی کداک اشاره کرد. جورج ایستمن او را به‌خاطر تحقیقات صنعتی استخدام کرده بود تا در پیشرفت شرکت کداک به او کمک کند.

امضای لرد کلوین

تولد و تحصیل

ویلیام تامسون در ۲۵ ژوئن سال ۱۸۲۴ در بلفاست متولد شد. پدر او جیمز تامسون از یک خانواده‌ی اسکاتلندی بود و تأثیرات زیادی بر پیشرفت‌های آتی ویلیام داشت. او به تشویق پدرش برای ارضای کنجاوی‌های متعدد خود به تحصیل ریاضیات پرداخت و تا مقام استادیاری پیش رفت. او درنهایت به‌عنوان مدیر دانشکده‌ی ریاضی و هندسه‌ی مؤسسه‌ی آکادمیک سلطنتی بلفاست انتخاب شد و در همان‌جا تشکیل خانواده داد. جیمز پنح دختر و سه پسر داشت که به‌جز ویلیام، پسر بزرگ‌ترش جیمز هم شخصیت علمی مشهوری شد.

ویلیام و خواهر و برادرهایش تحصیلات ابتدایی را نزد پدر آموختند. او در ۱۰ سالگی به مدرسه‌ی رسمی رفت و یک سال بعد به‌همراه برادرش جیمز به دانشگاه راه یافت. ویلیام به‌سرعت روند موفقیت را در دانشگاه شروع کرد. او در دوره‌های ابتدایی و پیشرفته‌ی ریاضیات مدارک عالی کسب کرد و جوایزی در داخل دانشگاه نیز به‌خاطر نمره‌ها و همچنین مقاله‌های متعدد به او اهدا شد.

دانشگاه گلاسکو، مرکز اصلی فعالیت‌های علمی کلوین

کالج سنت پیتر کمبریج از سال ۱۸۳۹ تا ۱۸۴۵ میزبان ویلیام بود. او در آن دانشگاه با وجود قرار گرفتن در رتبه‌ی دوم میان دانشجویان، بالاترین مدرک ریاضیاتی دانشگاه یعنی جایزه‌ی اسمیث را دریافت کرد. تامسون در کمبریج هم مانند گلاسکو به دستاوردها و همکاری‌های گسترده مشهور بود. درواقع دانشجوی اسکاتلندی نه‌تنها در علوم، بلکه در زمینه‌های متعدد انسانی هم شخصیتی محبوب بود. تامسون پس از کمبریج هم مدتی را در پاریس و تحت آموزه‌های آنری ویکتور رگنولت گذراند.

اولین مقاله‌ها

اولین یادداشت‌‌های علمی تامسون در دوران تحصیل، اهمیت بالایی دارند و تأثیرات عمیقی هم در ادامه‌ی زندگی علمی او داشته‌اند. اولین مقاله‌ی منتشرشده از او در ۱۶ سالگی نوشته و در ژورنال ریاضی کمبریج چاپ شد. تامسون در آن مقاله به دفاع و تشریح نظریه‌های بنیادی تحلیل فوریه پرداخته بود. مقاله‌ی بعدی در سال ۱۸۴۲ و در پیرو مقاله‌ی اول چاپ شد که به تحلیل ریاضیاتی حرکت گرما در اجسام صلب و ارتباط آن با نظریه‌ی ریاضیاتی الکتریسیته می‌پرداخت.

پرتره‌ی کلوین در جوانی

مقاله‌ی تامسون درباره‌ی ارتباط گرما و الکتریسیته را می‌توان بنیادی بر ویژگی‌های تحقیقاتی بعدی او دانست. دانشمند جوان بریتانیایی در آن سا‌ل‌ها با مقایسه‌ی جریان گرما در اجسام صلب و نظریه‌ی جذب الکتریکی و مغناطیسی‌، به‌نوعی از نظریه‌های مشهور گرمایی برای پیدا کردن راهکاری برای مسائل الکتریسیته و مغناطیس استفاده کرد.

تدریس در دانشگاه گلاسکو

ویلیام در سال ۱۸۴۶ به‌عنوان استاد فلسفه‌ی طبیعی (فیزیک امروزی) در دانشگاه محل تحصیلش، گلاسکو انتخاب شد. او در آن زمان ۲۲ ساله بود، اما شهرت خوبی در میان جامعه‌ی علمی داشت. تامسون تا آن زمان مقاله‌های متعددی را پیرامون نظریه‌های گرمایی و الکتریسیته‌ی ساکن منتشر کرده بود و به دستاوردهای علمی منحصربه‌فرد و قابل اعتنا شناخته می‌شد.

یکی از زمینه‌های مطالعاتی تامسون در جوانی، بررسی تاریخ‌‌های مطلق جغرافیایی با مطالعه‌ی دمای زیر زمین بود. او در مقاله‌ای در سال ۱۸۴۴ به این موارد پرداخته بود و آن‌ها را با نظریه‌ی گرما مرتبط می‌دانست. مطالعات بعدی در حوزه‌‌ی مذکور، باعث انتشار مقاله‌های متعدد شد که عموما در همکاری با انجمن سلطنتی ادینبرا و انجمن جغرافیای گلاسکو تدوین شدند.

مطالعات گرمایی برای شناسایی تاریخ‌های مهم زمین‌شناسی در سال ۱۸۸۵ توسط تامسون با اهمیت بیشتری مطرح شدند. در آن زمان اندازه‌گیری‌های دمایی فوربز از مناطقی در اطراف ادینبرا، داده‌های مورد نیز تامسون را فراهم کرد تا سن حدودی زمین را تخمین بزند. او ابتدا از نظریه‌های فوریه برای کاهش آزمایش‌های مورد نیاز استفاده کرد و سپس با استفاده از نتایج ۱۸ سال آزمایش فوربز، تحقیقات خود را با تکیه بر اختلاف دمایی سطح و عمق زمین پیش برد.

آزمایشگاه فیزیک دانشگاه گلاسکو

در سال ۱۸۶۲ مقاله‌ای در انجمن سلطنتی ادینبرا از سوی تامسون ارائه شد که منبع گرمای زیر زمین را توضیح می‌داد. او نظریه‌های گذشته همچون واکنش‌های شیمیایی و نظریه‌های پواسون را درباره‌ی گرمای زیر زمین نقض کرد. تامسون ادعا می‌کرد که وضعیت کنونی گرمای زیر زمین به ماهیت این سیاره بستگی دارد. او زمین را مایعی تابان در نظر گرفت که در اثر از دست دادن گرما منجمد شده و با تابش گرما، هنوز درحال خنک شدن است.

پرتره‌هایی از لرد کلوین

تامسون در ادامه‌ی بررسی‌های خود و باتوجه‌به متغیر بودن داده‌ها، یک بازه را برای زمان انجماد زمین مطرح کرد که بیشتر از ۲۰ میلیون سال و کمتر از ۴۰۰ میلیون سال بود. به‌هرحال مطالعات تامسون در این حوزه دستاوردهای مهمی داشت که منجر به پیدایش روش‌های مطالعاتی در علوم فیزیک ریاضی و حتی جغرافیا شد. امروزه تاریخ ۱۰۰ میلیون سال تامسون به‌عنوان عددی قابل اعتنا شناخته می‌شود.

مطالعات تامسون در حوزه‌ی زمین‌شناسی، تمرکز او را در سال‌های ابتدایی ورود به دانشگاه گلاسکو به خود معطوف می‌کردند. او علاوه‌بر نظریه‌های عمر و گرما، به بررسی نظریه‌ی مایع بودن هسته‌ی زمین نیز پرداخت. به‌علاوه مقاله‌های متعددی در حوزه‌هایی همچون زمان زمین‌شناسی، دینامیک و آب‌وهوا، وضعیت لایه‌های داخلی زمین و کوه‌های یخی قطب‌های شمال و جنوب توسط او منتشر شدند.

تامسون در فیزیک نجومی نیز فعالیت‌های قابل‌توجهی داشت. او مواردی همچون انرژی‌های مکانیکی در منظومه‌ی خورشیدی، منشأ، مقدار مجموع و افت سالانه‌ی گرمای خورشید، دمای کنونی خورشید، سن خورشید، وضعیت‌های آتی و منشأ تابش‌های آینده‌ی این ستاره‌ی حیاتی را مورد بررسی قرار داد.

تأثیرگذاری روی صنعت تلگراف

ترکیب دانش بالای ریاضیاتی و درک مکانیکی تامسون از حقایق علمی، در دستاوردهایش در صنعت تلگراف روشن شد. پیاده‌سازی خطوط تلگراف از سال ۱۸۳۷ شروع شده بود و ۹ سال بعد، اولین خط زیردریایی در بندر پورتسموث نصب شد. موفقیت خط زیر دریایی شگفتی جوامع صنعتی و علمی را به‌همراه داشت. کابل‌های طولانی‌تر در سال‌های بعد نصب شدند و تا سال ۱۸۵۵ شبکه‌ای قابل‌توجه در دریای مدیترانه مشغول به کار شد.

کتابخانه‌ی لرد کلوین

بازدهی خطوط تلگراف و مقرون‌به‌صرفه بودن آن‌ها، وابستگی شدیدی به سرعت ارسال و دریافت سیگنال‌ها داشت. جریان‌هایی که ازطریق خطوط تلگراف ارسال می‌شدند، برای دریافت و درک پیام در سوی دیگر خط به زمان زیادی نیاز داشتند. به‌علاوه جریان‌های متناوب نیز در طول ارسال و دریافت دچار افت می‌شدند. چنین چالش‌هایی توجه متخصصان صنعت الکتریسیته را به خود جلب کرد.

تامسون با استفاده از دستاوردهای فارادی تحقیقات خود را روی جریان‌های الکتریسیته‌ی تلگراف توسعه داد. او ابتدا توضیحی ریاضیاتی برای ظرفیت کابل ارئه کرد و وابستگی آن را به ابعاد و ماده‌ی عایق تشریح کرد. او در سال ۱۸۵۴ ابتدا در نامه‌ای به استوکس و سپس در یادداشتی به انجمن سلطنتی، مفاهیم مورد نظر خود را توضیح داد. ویلیام در ابتدا اثر القای الکترومغناطیسی را در جریان کابل حذف کرد، چون آن را در طول زیاد کابل ناچیز می‌دانست. سپس ظرفیت را با مفهومی مرتبط با «قانون مربع‌ها» توضیح داد.

خانه‌ی کلوین در نثرهال لارگز

مطالعات تامسون اثبات می‌کرد که ضربه (نوسان) الکتریکی واردشده به یک انتهای کابل، بلافاصله به انتهای دیگر نمی‌رسد؛ بلکه نوسان به‌مرور افزایش می‌یابد تا به حداکثر برسد و سپس به سمت صفر میل می‌کند. در کابل‌هایی از مواد یکسان و با سطح مقطع برابر، اما طول نابرابر، زمان مورد نیاز برای رسیدن به حداکثر تأثیر ضربان یا هر نسبتی از آن، با مربع طول کابل مرتبط خواهد بود. در کابل‌هایی با طول یکسان و سطح مقطع متفاوت نیز زمان مذکور به مقاومت و ظرفیت کابل مرتبط خواهد بود.

تامسون برای تشریح مفاهیم بالا از مفاهیم هیدرولیکی استفاده کرد. او کابل را به‌صورت لوله‌ای پر از مایع در نظر گرفت که نوسانی را از یک انتها به انتهای دیگر منتقل می‌کند. اگر لوله را صلب و مایع داخل آن را تراکم‌ناپذیر و بدون اینرسی و ویسکوزیته در نظر بگیریم، ضربان بدون کاهش و بلافاصله به انتهای دیگر می‌رسد. اکنون اگر لوله را الاستیک و مایع را تراکم‌پذیر در نظر بگیریم، مفهوم ظرفیت به آن اضافه می‌شود. با افزودن ویسکوزیته نیز مفهوم مقاومت در نمونه‌ی آزمایشی دیده می‌شود.

مطالعات تامسون برای پیدا کردن روشی در جهت بهبود کابل‌های ارتباطی، با جدیت در میانه‌های قرن ۱۹ ادامه داشت. در همان زمان شرکت‌های متعدد و حتی دولت‌ها تلاش می‌کردند تا با سعی و خطا راهی برای افزایش بازدهی کابل‌های تلگرافی پیدا کنند. تامسون در جریان تحقیقات خود به بررسی مواد کابل‌ها هم پرداخت و متوجه اهمیت ناخالصی سیم‌های مسی در رسانایی آن‌ها شد. او حتی نمونه‌های متعدد از یک کارخانه را بررسی می‌کرد و درنهایت به این نتیجه رسید که روش ساخت سیم مسی هم در بازدهی آن تأثیر می‌گذارد.

نمایشگاه اختراع‌های کلوین در دانشگاه گلاسکو

شرکت Atlantic Telegraph به‌عنوان اولین سازمان، نتایج تحقیقات تامسون را به‌کار گرفت و در پروژه‌های آتی خود، سفارش سیم‌هایی با رسانایی بیشتر داد. تامسون در ادامه‌ی تحقیقات خود در حوزه‌ی تلگراف، به بهینه‌سازی ابزارهای تست و عملکرد تلگراف‌های الکتریکی پرداخت. او اولین پتنت مهم خود در این حوزه را در سال ۱۸۵۸ ثبت کرد که عناصر کلیدی انتقال پیام و بازگشت سیگنال در دریافت‌کننده‌ی سیگنال را شرح می‌داد.

در سال ۱۸۵۸، شرکت تلگراف آتلانتیک تصمیم گرفت تا از تجهیزات جدید برای بازسازی خطوط خود استفاده کند. آن‌ها به سفارش جیمز تامسون، ویلیام را به‌عنوان متخصص برق پروژه‌ی جدید انتخاب کردند و پروژه با هدف اتصال ایرلند و نیوفاندلند اجرا شد. در ۶ اوت آن سال، اولین پیام توسط تجهیزات تامسون ارسال شد و بازدهی بالای کابل‌های زیر اقیانوس اطلس را تأیید کرد. گالوانومتر آینه‌ای تامسون، اختراع مهم او در تجهیزات جدید بود که نقش مهمی در بهبود بازدهی آن‌ها داشت.

موفقیت‌های اختراعات تامسون در حوزه‌های تلگرافی، موقعیت مشاوره و مدیریت را در شرکت‌های متعدد صنعت به او داد. دانشمند بریتانیایی در سال ۱۸۶۶ به‌عنوان مشاور چندین شرکت مشغول به کار شد و فرصت ۶ ماهه‌ی تنفس فعالیت حرفه‌ای، امکان همکاری در پروژه‌های جدید را فراهم کرده بود. فعالیت‌های گسترده‌ی تامسون در صنعت تلگراف باعث شد تا او در همان سال، نشان شوالیه را نیز از ملکه‌ی انگلستان دریافت کند.

طرح دستگاه‌های اندازی‌گیری آمپر و وات کلوین

علم دریا و قطب‌نما

تامسون از جوانی علاقه‌ی شدیدی به علم مسیریابی داشت و سال‌ها فعالیت در دریاها برای نظارت بر پیاده‌سازی کابل‌های تلگراف، علاقه‌ی او را تشدید کرده بود. از اولین دستاوردهای او در حوزه‌ی دریایی، می‌توان به محاسبه‌گر عمق دریا اشاره کرد که بهبودهای قابل‌توجهی در آن ایجاد شد.

اولین پتنت تامسون برای قطب‌نمای جدید در سال ۱۸۷۶ ثبت شد، اما تغییرات متعدد ایجادشده در قطب‌نماهای موجود، دریانوردان را از استفاده از دستگاه او منصرف می‌کرد. به‌هرحال در سال ۱۸۸۹  قطب‌نمای ۱۰ اینچی تامسون برای اولین‌بار از سوی دریاسالارهای بریتانیا مورد استفاده قرار گرفت.

طراحی قطب‌نمای کلوین

قطب‌نماهایی که پیش از اختراع تامسون استفاده می‌شدند، عموما عقربه‌هایی بزرگ داشتند، چرا که سازنده‌ها تصور می‌کردند با بزرگ‌تر کردن آهنرباها می‌توان قدرت جهت‌یابی آن‌ها را افزایش داد. همین تصور باعث می‌شد تا اصطکاک و خطای قطب‌نماها بیشتر شود. تامسون اثبات کرد که با عقربه‌های کوچک‌تر و آهن‌رباهای کوچک‌تر می‌توان نتایج قابل‌قبولی در جهت‌یابی به‌دست آورد. به‌علاوه استفاده از عقربه‌های کوچک‌تر امکان استفاده از آهنرباهای فولادی و مواد بهینه‌‌تر را به سازنده‌ها می‌داد.

دانش ترکیبی تامسون با علم دریانوردی، باعث شد تا او تلاش‌هایی برای درک و ساخت تجهیزات و فرمول‌هایی برای اندازه‌گیری جزرومد در بنادر سرتاسر جهان داشته باشد. نظریه‌ی جزرومد تا آن سال‌ها به‌خوبی توسعه یافته بود و افرادی همچون لاپلاس و ایری به‌خوبی مفاهیمش را توضیح داده بودند. درنتیجه فرمول‌های لازم برای اندازه‌گیری جزرومد در دسترس بود و تنها ساخت ابزاری برای پیاده‌سازی آن‌ها، به‌عنوان چالش اصلی شناخته می‌شد.

تامسون در سال ۱۸۶۷ موضوع ساخت تجهیزی برای اندازه‌گیری را به انجمن علمی بریتانیا ارائه کرد. تجهیزاتی که بعدا بر اثر نوآوری‌های تامسون ساخته شدند، برای ضبط رخدادهای جزرومد و همچنین اندازه‌گیری‌های آن به‌صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفتند.

نمونه‌ی واقعی قطب‌نمای کلوین

دستاوردهای لرد کلوین در علم ترمودینامیک

شاید هیچ علمی به‌اندازه‌ی ترمودینامیک به لرد کلوین و دستاوردهایش بدهکار نباشد. سال‌های ۱۸۴۰ تا ۱۸۵۰ را می‌توان زمان تولد نظریه‌ی مدرن دینامیکی گرما دانست. در آن دوران، تعریف سنتی گرما به تعریفی مدرن تغییر کرد. در تعریف سنتی، گرما را ماده‌ای غیرقابل اندازه‌گیری و غیرقابل تغییر به عنصری دیگر تشریح می‌کردند که هیچ انرژی فیزیکی قابلیت تولید آن را نداشت. در تعریف مدرن، گرما به‌عنوان نوعی از حرکت (در کتابی به همین نام) تشریح شد.

ویلیام تامسون در سال ۱۸۴۷ برای اولین‌بار به‌صورت جدی با ترمودینامیک برخورد داشت. او در رویداد سالانه‌ی انجمن پیشرفت علوم بریتانیا در آکسفورد شرکت کرد که جیمز ژول سخنرانی مهمی را در آن انجام می‌داد. ژول در سخنرانی خود مانند بسیاری از رویدادهای گذشته تلاش می‌کرد تا نظریه‌های سنتی همچون کالری را درباره‌ی گرما نقض کند و همچنین عدم بازدهی کافی ماشین کارنو را شرح دهد.

دستگاه‌های اندازه‌گیری وات و آمپر کلوین

سخنرانی ژول توجه تامسون را به خود جلب کرد، اما او هنوز نسبت به صحت ادعاها شک داشت. او به‌هرحال بررسی نظریه‌های ژول و کارنو را درکنار یکدیگر انجام می‌داد و مفاهیم گرمایی را با درنظرگرفتن هردو، بررسی می‌کرد. به‌عنوان مثال تامسون ابتدا پیش‌بینی کرد که نقطه‌ی ذوب یخ با افزایش فشار کاهش می‌یابد. او توضیحاتی را هم در رابطه با افزایش حجم یخ پس از انجماد ارائه کرد و در آزمایش‌های تجربی‌اش، اثبات‌هایی برای آن‌ها پیدا کرد. 

دانشمند اسکاتلندی با بررسی عمیق‌تر نظریه‌های گرمایی خود، دمایی را کشف کرد که در آن هیچ گرمایی منتقل نمی‌شود و آن را صفر مطلق نامید. چنین مفهومی در سال ۱۷۰۲ توسط گویلام امنتنس مطرح شده بود. کارنو نیز در سال ۱۸۲۴ در مقاله‌ای دمای ۲۶۷- درجه را به‌عنوان صفر مطلق در نظر گرفته بود. تامسون با استفاده از یافته‌های رگنولت تصمیم گرفت تا عددی دقیق‌‌تر برای این دما پیدا کند.

دستگاه‌های اندازه‌گیری ولت و وات کلوین

تامسون در جریان انتشار یافته‌هایش پیرامون صفر مطلق، به‌صورت ناخواسته اشاره‌ای به دستاوردهای ژول و نقض نظریه‌های کالریک داشت. یافته‌های او اشاره‌ای به نکات مطرح‌شده توسط ژول داشت، اما تامسون نامه‌ای در جهت معرفی دستاوردهای خود به ژول ننوشت. درنهایت ژول مقاله‌ی تامسون را خواند و به‌هرحال دو دانشمند تصمیم گرفتند تا نتایج تحقیقات را با یکدیگر به اشتراک بگذارند.

انجمن سلطنتی علوم ادینبرا در ژانویه‌ی سال ۱۸۴۹ میزبان تامسون بود تا نظریه‌هایش را در نقض یافته‌های کارنو بشنود. در آن رویداد باز هم ایده‌های کارنو نقش نشدند و انجمن به صحت عملکرد ماشین کارنو اعتماد داشت. با‌اینکه تامسون هیچ آزمایش جدیدی انجام نداده بود، در دو سال بعد به‌مرور بیش‌از پیش درباره‌ی یافته‌های کارنو شک کرد و به‌سمت ژول جذب شد.

تامسون در سال ۱۸۵۱ تصمیم گرفت تا دستاورد سال‌ها تحقیقات پیرامون نظریه‌های ژول و کارنو را مکتوب کند. او نمی‌توانست ایده‌هایش را به‌خوبی روی کاغذ پیاده کند و به‌همین دلیل پیش‌نویس‌های متعددی از مقاله آماده کرد. در جریان نوشتن همین پیش‌نویس‌ها، ایده‌های قانون دوم ترمودینامیک به ذهن او خطور کردند. در نظریه‌ی کارنو، گرمای ازدست‌رفته به‌صورت کامل از دست‌رفته تلقی می‌شد، اما تامسون ادعا می‌کرد که گرما به‌خاطر عدم توانایی انسان در ایزوله کردن از دست می‌رود و نابود نمی‌شود. در ادامه، نظریه‌های او به مفهومی به‌نام مرگ گرمای کیهان منجر شد.

دستگاه‌های ولت‌متر الکترواستاتیک کلوین

مطالعات تامسون پیرامون مفاهیم گرما و قانون ترمودینامیک تا انتشار مقاله‌ی رسمی ادامه یافت. او درنهایت قانون دوم ترمودینامیک را این‌گونه بیان کرد:

با استفاده از یک ماده‌ی بدون حرکت، می‌توان تأثیرات مکانیکی را با سرد کردن ماده پایین‌تر از دمای سردترین جسم اطرافش، از آن استخراج کرد.

تامسون در مقاله‌ی انتهایی که پیرامون یافته‌هایش منتشر کرد، نظریه‌ی اصلی یعنی تعریف گرما به‌صورت نوعی از حرکت را پذیرفت. او به صراحت بیان کرد که دستاوردهایش تحت تأثیر سر همفری دیوی، ژول و جولیوس رابرت فون مایر بوده‌اند. به‌محض اینکه ژول مقاله‌ی تامسون را خواند، با او وارد مکاتبه شد. مکاتبه‌‌های ژول و تامسون را می‌توان از تاریخی‌ترین مکاتبه‌های علمی نامید. در جریان آن‌ها، ژول آزمایش‌ها را انجام می‌داد و تامسون تحلیل‌هایی برای بهینه‌سازی آن‌ها ارائه می‌کرد.

همکاری ژول و تامسون از سال ۱۸۵۲ تا ۱۸۵۶ ادامه داشت. یکی از دستاوردهای مهم آن همکاری به‌نام اثر ژول-تاموسن یا کلوین-ژول شناخته می‌شود. نتایجی که از مکاتبه‌های این دو دانشمند بزرگ استخراج شد، تأثیرات بزرگی در پذیرش نظریه‌های ژول و همچنین نظریه‌ی جنبشی گازها داشت.

دستاوردهای علمی دیگر لرد کلوین

تامسون که بخش عمده‌ای از عمر خود را به تدریس در دانشگاه گذراند، برنامه‌هایی برای تدوین کتب آموزشی هم پیاده کرد. او در خلال سال‌های ۱۸۵۵ تا ۱۸۶۷ با پیتر تیت همکاری‌هایی داشت تا کتابی با هدف آموزش مکانیک براساس مفاهیم سینماتیک تألیف کنند. کتاب آن‌ها توضیحاتی دقیق پیرامون علم دینامیک داشت و آن را از منظرهای گوناگون بررسی می‌کرد. به‌علاوه تامسون در کتاب خود به‌صورت جدی به مفاهیم انرژی پرداخته بود. نسخه‌ی دوم کتاب در سال ۱۸۷۹ چاپ شد و دو حوزه‌ی اصلی مذکور را در بخش‌های مجزا شرح داد. این کتاب پایه‌های استاندارد تحصیل در حوزه‌ی فیزیک ریاضیاتی را بنا کرد.

لرد کلوین مطالعاتی را پیرامون خصوصیات اتم نیز انجام داد. در دهه‌‌های ۱۸۷۰ تا ۱۸۹۰، نظریه‌ای برای توضیح ساختار اتم در میان دانشمندان بریتانیایی شهرت داشت که این راه را به‌صورت تاوه‌ای (Vortex) درون اتر تشریح می‌کرد. تامسون از اولین دانشمندانی بود که این نظریه را با جدیت دنبال می‌کرد و از پیش‌گامان اثبات آن محسوب می‌شود. او نظریه‌های خود را براساس مفاهیمی بیان می‌کرد که دکارت در قرن ۱۷ برای تشریح ساختار اتم ارائه کرده بود. در نتیجه‌ی مطالعه پیرامون همین نظریه، ۶۰ مقاله‌ی علمی توسط ۲۵ دانشمند از جمله تامسون و تیت نگارش شد که از دستاوردهای آن‌ها می‌توان به تولد نظریه‌ی گره در علم توپولوژی اشاره کرد.

طرح قطره‌چکان کلوین

اندازه‌گیری مفاهیم الکتریسیته، یکی دیگر از حوزه‌های جدی تمرکز و مطالعات تامسون بود. او بیش از هر متخصصی در زمان خود تلاش کرد تا روش‌ها و ابزارهایی برای اندازه‌گیری الکتریسیته پیدا کند. از اولین دستگاه‌های ساخته‌شده توسط تامسون می‌توان به دستگاهی برای اندازه‌گیری بار الکتریکی اشاره کرد که در سال ۱۸۵۷ معرفی شد. تامسون از الکترواسکوپ طراحی‌شده توسط یوهان گاتلیب فریدریش فون بوننبرگر برای ساخت دستگاه جدید استفاده کرد.

دستگاه‌های متعدد دیگری توسط لرد کلوین برای اندازه‌گیری مقادیر الکتریسیته معرفی شدند که از‌این‌میان می‌توان به دستگاه پیشرفته‌ی بار الکتریکی به‌روش ربعی اشاره کرد که کل حوزه‌ی اندازه‌گیری الکترواستاتیک را پوشش می‌داد. او دستگاهی برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی هم اختراع کرد که امروزه به‌نام Kelvin Balance شناخته می‌شود.

دستاوردهای متعدد تامسون در حوزه‌ی الکتریسیته باعث شد تا کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک IEC در سال ۱۹۰۶ او را به‌عنوان اولین مدیر انتخاب کند. 

سال‌های پایانی و مرگ

ویلیام تامسون در سال ۱۸۹۲ به مقام نجیب‌زادگی در بریتانیا رسید. دستاوردهای مهم او در علم ترمودینامیک، دلیل اهدای این لقب از سوی حکومت بود. از آن زمان لقب بارون کلوین منطقه‌ی لارگز به تامسون داده شد. از لقب کلوین نیز از نام رودخانه‌ای برداشته شد که در نزدیکی دانشگاه گلاسکو (محل همیشگی تدریس و تحقیق تامسون) جریان داشت.

در سال ۱۹۰۲، فهرست افتخارات سلطنتی بریتانیا میزبان نام تامسون بود. او با اسم لرد کلوین به‌عنوان مشاور شورای خصوصی بریتانیا انتخاب شد و همچنین یکی از اولین اعضای هیئت نشان مریت شد. کلوین مقام خود را در هشتم اوت همان سال از دستان ادوارد هفتم پادشاه بریتانیا دریافت کرد.

مجسمه‌ی یادبود ویلیام تامسون لرد کلوین در پارک کلوین‌گرو دانشگاه گلاسکو

لرد کلوین در نوامبر سال ۱۹۰۷ به سرماخوردگی سختی مبتلا شد که تا زمان مرگش ادامه یافت. شرایط جسمانی او روز‌به‌روز بدتر شد تا اینکه در ۱۷ دسامبر همان سال از دنیا رفت. کلیسای وست‌مینستر برای هرچه باشکوه‌تر بودن مراسم دفن کلوین، سفارش تابوتی از چوب بلوط داد. مراسم از خانه‌ی کلوین در نثرهال شروع شد و تا راه‌آهن لارگز ادامه یافت. جمعیت زیادی در مراسم کلوین حضور داشتند تا تابوتش را برای سفری به لندن و کلیسای وست‌مینستر همراهی کنند.

ویلیام تامسون در زمان حیات و پس از مرگ، افتخارات متعددی را دریافت کرد. دستاوردهای بزرگ او در علوم گوناگون باعث شد تا مفاهیم و عناصر متعددی در جهان به‌نام این دانشمند بریتانیایی ثبت شوند. البته تقریبا تمامی نا‌م‌گذاری‌‌ها از لقب کلوین استفاده کرده‌اند. از میان مهم‌ترین نام‌گذاری‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

علاوه‌بر موارد بالا، شهری در ایالت آریزونای آمریکا نیز به‌نام کلوین نام‌گذاری شده است. از جوایز متعددی که کلوین در دوران زندگی دریافت کرد، می‌توان به عضویت در انجمن سلطنتی علوم در ادینبرا، عضویت در انجمن سلطنتی علوم سوئد، عضویت در انجمن سلطنتی علوم بریتانیا، نشان شوالیه، عضویت در لژیون دونور فرانسه و دریافت اولین جایزه‌ی جان فریتز اشاره کرد.