A technika lovagja

William Thomson és Lord Kelvin. A két név egy személyt takar, olyan embert, aki korának rendkívül sokoldalú tudósa volt, s akit nemcsak a Kelvin-fokról és a Thomson-képletről érdemes ismerni.

William Thomson édesapja &Iacuterországban született, ahol a család skót ősei kétszáz évvel ezelőtt letelepedtek. Kitínő matematikus volt. Alighogy elvégezte az egyetemet, a belfasti Királyi Akadémiai Intézet matematikaprofesszorává nevezték ki. Egyetemi tanársága idején született két fia: James 1822-ben, William pedig 1824. június 26-án.

William hatéves volt, amikor édesanyja meghalt. Két évvel később a család Glasgowba költözött, oda nevezték ki az édesapát. Az egyetemi tanári fizetés önmagában akkor sem volt sok, így Thomson professzor délutánonként földrajzot és csillagászatot tanított hölgyeknek. Matematika előadásain gyakran részt vett nyolc- és tízéves fia is, s nemegyszer megoldották a feladatokat. William zöldbe kötött füzetekbe gyíjtötte a jegyzeteit. Ez a szokása egész életén át megmaradt, így vagy száz, úgynevezett Thomson-féle zöld könyv maradt fenn utána.

Nyaralás elméletekkel
William tíz-, bátyja tizenkét éves volt, amikor apjuk beíratta őket az egyetemre. (Diáktársuk volt a későbbi Afrika-kutató Livingstone is.) Az ottani laboratóriumban a fiúknak lehetőségük volt fénytani, hőtani, mágneses kísérletekre is. Mindkét Thomson-fiút szenvedélyesen érdekelte az elektromosság. Az idősebbik később megszerezte a B.A. (Bachelor of Arts) és az M.A. (Master of Arts) fokozatokat az egyetemen, aminek vizsgáit William is letette, de ő a címeket nem kapta meg. Éppen nyaralni indultak Németországba, amikor William kezébe került Kelland könyve a hőelméletről (The Theory of Heat). Mivel azt olvasta benne, hogy Jean Baptiste Joseph Fourier-nek nincs igaza a térbeli hőterjedés kérdéseit illetően, Fourier könyvét is zsebre vágta. Nyaralás közben mindkét könyvet elolvasta, és rájött, hogy Fourier jár jó úton. Édesapja kételkedett benne, de William nemcsak őt, hanem magát Kellandot is meggyőzte igazáról. Kelland egy darabig orrolt is ezért, de később életre szóló barátságot kötöttek.

Németországból hazatérve a tizenhét éves William beiratkozott a cambridge-i egyetemre. Szívvel-lélekkel részt vett az egyetem életében. Ezüstérmet nyert az evezősversenyen, lelkes muzsikus volt, diákzenekart is szervezett. Kitínő matematikus lett belőle. A matematikavizsgán barátai tőle várták, hogy Senior Wrangler legyen (ez egy kitíntető cím a cambridge-i egyetemen), de csak második lett. Aztán rövidesen megkapta a Smith-díjat, tagja lett a St. Peter’s College-nak, ami évi kétszáz font ösztöndíjat jelentett neki.Párizsba utazott tanulmányútra, ahol Regnault (akitől az „R” gázállandó származik) laboratóriumában felfedezte magában a mérnökhajlamot. A kísérlet, a mérés minden tudományos haladás előfeltétele, ezért Thomson nagy figyelemmel sajátította el a méréstechnikai módszereket.

Fél évszázad a katedrán
A glasgow-i egyetem természetfilozófia-tanára éveken át betegeskedett, s a Thomson-család azt szerette volna, hogy William legyen az utódja. Amikor a fiú huszonkét éves lett, ez be is következett. Itt aztán 53 évet töltött el. Noha hivatalosan nem ő volt a vezetője, gyakorlatilag William Thomson nevéhez fíződik az első kábelfektetés az Atlanti-óceánban. Maga készítette míszereit használta, melyek sokkalta pontosabbak voltak az akkoriban használatosoknál. A nagy munka elismeréseként Victoria királynő 1866-ban lovagi rangra emelte az akkor harminckét éves tanárt. &Iacutegy neve ettől fogva Sir William Thomson lett. Mint magánembert szerették a társaságban imponáló tudása, sokoldalúsága miatt. Egyetemi tanárként előadásaiban nagy kitérőket tett. Ha például optikát adott elő, de valamilyen, a mechanika témakörébe vágó jó gondolata támadt, akkor azt fejtette ki. Ilyenkor, ha elragadta a lendület, négy órát is beszélt egyfolytában, így kevesen tartottak vele.

Thomson munkássága szinte a fizika egész területére kiterjedt. Ebben a korszakban jelentek meg azok a fizikusok, akik az elmélettel és a gyakorlattal egyaránt foglalkoztak. A tudatosan, tervszeríen kísérletező tudósok ezalatt az egyes részterületek mérnökeivé is lettek. Thomson tökéletesítette a géptávírót, 1853-ban speciális vezetéket készített a tenger alatti távíró számára, ez az ún. Thomson-kábel. Nagyon pontosan mérő míszereket fejlesztett ki. Megszerkesztette az abszolút mértékrendszer bevezetését, hogy a míszerek beosztása mindenki számára érthető legyen. Elektrodinamikai mérleget, elektrométert, tükrös galvanométert készített, amelyek közül sokat még ma is használunk. A hajózás területén is maradandót alkotott. Saját jachtján számtalan kísérletet végzett. Szellemes mélységmérőt és tökéletesített tájolót hagyott az utókorra.
Foglalkozott hidrodinamikával, rugalmasságtannal, földmágnesességgel, légköri elektromossággal, az ionizált levegő vezetőképességével, fényelmélettel, az atomok méreteivel. Legismertebbek azonban a hőtannal kapcsolatos vizsgálatai.

A kedvenc hőelmélet
James Prescott Joule (akivel 1847-ben kötött barátságot, bár voltak vitáik), Rudolf Emanuel Clausius és William Thomson együttes munkásságának eredménye volt a hő kinetikus elmélete. Az energia megmaradás elvét legszabatosabban Thomson dolgozta ki 1851-ben megjelent, On the dynamical theory of heat (A hő dinamikai egyenértéke) címí tanulmányában. &#336 vezette be a belső energia fogalmát is, bár az elnevezés maga Rudolf Clausius, német fizikustól ered. A termodinamika második főtételét helyesen látta meg 1824-ben Nicolas Sadi Carnot, amikor megállapította, hogy a hő magától nem mehet a hidegebb helyről a melegebbre, és mechanikai munkát csak akkor végezhet, ha a melegebb helyről a hidegebbre áramlik. A tétel teljes kifejtése 1850-ben és 1854-ben Clausius míve, de az 1851. és 1857. években Thomson is kidolgozta.

Volt egy olyan elképzelése, hogy létezik egy éteri közeg, ami betölti a teret és átjárja a testeket. Ez a közeg mozgásba hozható, és a mozgás továbbvitelére képes a tér egyik részéből a másikba. Ezt a mozgást szilárd anyaggal is közölheti úgy, hogy felmelegíti vagy más módon hat rá. Azt állította, hogy ennek a közegnek a „durva”, azaz a szilárd anyaggal is összehasonlíthatónak kell lennie, sőt megadott egy alsó határt is arra, hogy ez az anyag milyen síríségéig igaz. &Iacutegy azt a következtetést vonta le, hogy létezik egy mindent átható közeg, aminek sírísége kicsiny ugyan, de létező és mozgásra képes, és ezt tovább is tudja adni, de nem végtelen sebességgel.

Joule-lal közösen hosszú, kitartó mérések után 1852-ben alapvetően fontos természeti törvényt fedeztek fel. Ez a gázok inverziós hőmérsékletének fogalma, ami a cseppfolyósításban játszik szerepet, s amelynek alapján Carl von Linde megkonstruálta az első míjéggyártó gépeit. (1870-ben a trieszti sörgyárban használták fel először, folyamatosan míködött ammóniával.)

A gázok adiabatikus kiterjedésével járó hőmérsékletváltozást vizsgálta 1807-ben Gay-Lussac, majd Joule. 1853 és 1862 között Joule és Thomson mérésekkel igazolták, hogy a kiterjedő gáz lehílése arányos az abszolút hőmérséklet négyzetével és a nyomáskülönbséggel. Ez az úgynevezett Joule–Thomson hatás.

Abszolút zérus pont
Az általános gáztörvény az abszolút zérus pont meghatározásával vált igazán használhatóvá. (pV = RT). Ez a Boyle-Mariotte- és a Gay-Lussac-törvények egyesítéséből adódott. Ezt Benoit Pierre Emile Clapeyron fogalmazta meg, de sok kísérlet és hosszú idő telt el addig, amíg 1848-ban Thomson bevezette az ideális gáz tulajdonságaitól független termodinamikai skálát. Az abszolút zérus ponthoz (–273,15 C°) tulajdonképpen a termodinamika II. főtétele révén jutott el. Hozzájárult ehhez Avogadro tétele (1811), melyben kimondta, hogy azonos térfogatú gázokban azonos hőmérsékleten és nyomáson a molekulák száma egyenlő.

Thomson azt állítja, hogy minden energiaátalakulás végeredménye hő. Ennek alapján Schopenhauer ez időben terjedő pesszimizmusa megteremtette a „hőhalál” elméletet, ami azt jelenti, hogy a Föld az emelkedő hő hatására elpusztul. Ez a gondolat csak hőszigetelt, zárt térre vonatkozna.1821-ben Thomas Johann Seebeck felfedezte azt a jelenséget, hogy két különböző fém érintkezési pontját melegítve áram keletkezik. 1834-ben Jean Charles Athanase Peltier azt is hozzátette, hogy ha mindkét fémet összekötjük a két végén, az egyik kötési pontot melegítve a másikon hítő hatást vált ki. Thomson adta meg a jelenség hőtani magyarázatát és termodinamikai bevezetését (Thomson-effektus).

A színképelemzésben Miller, Swan, Foucault, Ångström, Plücker, Hittor mellett ő is a legeredményesebb kutatók közé tartozott. A mágneses tér jellemzésére Thomson vezette be a B és a H vektort, és vizsgálta kapcsolatukat (kristályos anyagban is) az 1849–1851-es években. Az ő nevéhez fíződik az energiasíríség és a térjellemzők összefüggésének megállapítása is (1851–1853). Munkájának szemléletessé tételéhez, magyarázatához a példákat a hidrodinamika területéről hozta, mert szerinte szinte minden folyamat erre vezethető vissza.