第八十一回　絕對溫標(biāo)發(fā)明人，電磁理論缺緣分

啪，我三拍驚堂木：“列位看官，《科學(xué)家列傳叁》開講啦！”

讀完前兩冊的朋友，您累了嗎？若還沒累，那就請繼續(xù)往下讀吧；若已累，那也請繼續(xù)讀吧，因為，本書的一個功效就是“提神，解困，陪您樂！”。

提起本回主角的名字“湯姆遜”，你肯定不陌生；但就像國內(nèi)有太多“李二娃”一樣，全球也有太多“湯姆遜”。到底是哪個湯姆遜呢，這可不好回答；因為，即使是限定人類歷史上的頂級物理學(xué)家，那也至少還剩下3個湯姆遜：威廉·湯姆遜、約瑟夫·約翰·湯姆遜和喬治·佩吉特·湯姆遜。

幸好，時任英皇給本回的湯姆遜賜予了一個獨(dú)特的名字，叫“開爾文”；所以，下面就主要稱他為開爾文了。實際上，該名字至今還在多個科學(xué)領(lǐng)域頻繁出現(xiàn)呢。比如開爾文波、開爾文材料、開爾文機(jī)制、開爾文光度、開爾文變換、開爾文電橋、開爾文天平、開爾文定理、開爾文函數(shù)、開爾文測量法、開爾文電報機(jī)、開爾文不穩(wěn)定性、開爾文環(huán)流定理等。當(dāng)然，大家最熟悉的莫過于國際單位制中的溫度單位“開爾文”了。那英皇為啥要給這位湯姆遜賜名呢？當(dāng)然是要表彰他在科研方面的巨大貢獻(xiàn)。準(zhǔn)確地說，英皇所賜的全稱是“開爾文男爵”，即把一個名叫開爾文的小鎮(zhèn)名義上賜給他作為領(lǐng)地。所以，至今在英國還有一條河，叫開爾文河；有一個公園，叫開爾文森林公園。開爾文一生在熱學(xué)、光學(xué)、數(shù)學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)、地球物理、工程應(yīng)用等許多領(lǐng)域，都取得了重大突破。用他自己的話來說“科學(xué)巔峰在哪里，我就在哪里攀登不息”，而且還聲稱“別把數(shù)學(xué)想象得太難，它只不過是常識的升華而已！”媽呀，口氣好大！到底是何方神圣，竟如此膽大包天！欲知詳情，請看下文。

剛好在小仲馬誕生前一個月，即1824年6月26日，在英國貝爾法斯特城誕生了一個大胖小子。哇，小家伙好可愛喲，滴溜溜轉(zhuǎn)的眼睛閃閃發(fā)光，既像玉娃娃，更像瓷寶寶。就像國內(nèi)眾多“狗?！钡镆粯樱改敢桓吲d就給他取了一個極平凡的名字，叫威廉·湯姆遜，希望“名賤命貴”；果然，后來英皇都得給他授勛賜爵并獎賞了一個“貴”名，叫開爾文；所以，我們下面稱這位“洋狗?！睘殚_爾文。

呱呱墜地時，開爾文本該按“規(guī)定動作”扯著尖嗓子，不斷“哇，哇”大哭；但很快他就破涕為笑了，因為他發(fā)現(xiàn)自己的命真好：父親是英國皇家學(xué)院的數(shù)學(xué)教授，性情溫和，治學(xué)勤奮；母親乃富家千金，且為典型的賢妻良母；更幸福的是，自己作為家中老四，上有二個姐姐和一個哥哥，今后還將再有兩個弟妹，全家6個兄弟姐妹，既非常熱鬧又和睦共處；特別是，小開爾文額外聰明伶俐，所以最受父母寵愛，“捧在手里怕摔了，含在嘴里怕化了”。但是，僅僅只笑了6年，開爾文就又哭了。因為，6歲那年，愛他的和他愛的媽媽竟不幸去世了！悲哭一陣子后，開爾文又笑了，因為農(nóng)民出身且自學(xué)成才的老爸又毅然挑起了照料全家的擔(dān)子：不但把更多的愛奉獻(xiàn)給了子女，而且還特別重視孩子的早期教育，以至在家里培養(yǎng)出了多位神童。真的，你看，大約在開爾文7歲時，作為數(shù)學(xué)教授的老爸就開始向開爾文及哥哥系統(tǒng)性地教授數(shù)學(xué)了。此外，每天清晨，老爸還帶著孩子們到郊外散步，并提出各種有趣的應(yīng)景問題，以此激發(fā)和培養(yǎng)小家伙們的思考習(xí)慣；這時孩子們都興奮得像麻雀，嘰嘰喳喳搶著發(fā)表意見；聰慧好學(xué)的“小麻雀”開爾文，當(dāng)然就唱得更歡了，不但搶答問題，更會主動提出千奇百怪的問題。

書說至此，讀者可能會擔(dān)心啦：他們每天這樣悠閑散步，上學(xué)遲到了咋辦？嘿嘿，謝謝提醒，其實他們從未遲到過，因為他們壓根兒就沒上過學(xué)！原來，老爸天生就是教育家，其最大樂趣就是給寶貝們傳授知識、把他們培養(yǎng)成才；所以，老爸親自設(shè)計了一套教育體系，既有廣度又有深度，既能保護(hù)孩子們的天性，又能磨礪其智力。比如，老爸給孩子的玩具就很特別，絕非平常人家的刀槍棍棒等玩意兒，而是地球儀或天球儀等另類智力“玩具”，這樣便在不知不覺中，激發(fā)了孩子們的無盡想象。老爸還親自編教材，親自講課，親自批改作業(yè)；反正，一人獨(dú)攬了子女們的啟蒙教育、小學(xué)教育和中學(xué)教育等，直到開爾文8歲上大學(xué)為止。是的，你沒看錯，就是“8歲上大學(xué)”。實際上，開爾文8歲那年，老爸跳槽到母校格拉斯哥大學(xué)任教，于是，全家便搬遷到格拉斯哥這個英國北部第一大港城市定居。以至在若干科學(xué)史中都把開爾文稱為“格拉斯哥的湯姆遜”，以區(qū)別于其他著名的“湯姆遜”們；因為，開爾文一生的主要故事都發(fā)生在這里。

當(dāng)然，開爾文的第一個故事便是上大學(xué)的故事，準(zhǔn)確地說是上格拉斯哥大學(xué)的故事。剛開始時，大家壓根兒就沒將這位本身長得像玩具而且書包里還裝滿玩具的8歲小屁孩兒放在眼里，甚至課間休息時還拿他當(dāng)玩具，逗逗樂，解解悶；因為，他畢竟只是一個旁聽生嘛?？蓭讏隹荚囅聛恚蟾绺?、大姐姐們就眼直了、臉綠了、下巴也都快驚掉了；媽呀，“眾里尋他千百度”，原來“學(xué)霸”卻躲在玩具中！于是，昔日的“學(xué)霸”們大感“既生瑜何生亮”；成績差的學(xué)生則終于抓到了救命稻草，一會兒孝敬“小老人家”一粒糖，一會兒再送一個新玩具，至于其目的嘛，嘿嘿，你懂的。經(jīng)過旁聽，開爾文眼界大開，不但所學(xué)知識更全面、系統(tǒng)，而且還接觸到了許多有趣的實驗。比如，有一次，這位“學(xué)霸”級調(diào)皮蛋，在電學(xué)實驗課上學(xué)到了一招，然后回家便仿制了幾個萊頓瓶和伏打電堆；再然后，他巧施妙計，騙得妹妹好奇地摸了一把，“啪”的一聲，妹妹嚇哭了，那顯然是因為她被電擊了；緊接著，又是“啪”的一聲，開爾文也哭了，這次也是一擊，只不過是被老爸在屁股上的一擊而已。

10歲時，開爾文正式考入格拉斯哥大學(xué)預(yù)科班，潛心學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)、物理和天文學(xué)等課程；12歲時，他對古典文學(xué)產(chǎn)生了興趣，并因?qū)⑺_莫薩塔的古詩《與上帝對話》從拉丁語翻譯為英語而得獎；14歲時，他進(jìn)入劍橋大學(xué)，開始正式學(xué)習(xí)大學(xué)課程。媽呀，同班的大哥哥和大姐姐們，這下可被小“學(xué)霸”羞慘啦。若問到底羞得有多慘，那簡直是慘不忍睹，此處就別再揭舊傷疤了。反正，像什么考試狀元啦、課堂上對答如流啦、作業(yè)輕松搞定啦等都只算小兒科了；更厲害的是，這位小小的“大學(xué)霸”，幾乎獨(dú)攬了劍橋大學(xué)設(shè)立的所有獎項：15歲時，獲得全校物理學(xué)獎；16歲獲全校天文學(xué)獎，同時，還因完成一篇出色的論文《地球的形狀》而獲得大學(xué)金質(zhì)獎?wù)碌?。對了，開爾文可不是書呆子喲。比如，他在劍橋讀書時就積極參加體育運(yùn)動，尤其擅長田徑和單人劃艇，并在1843年贏得過科爾克霍恩雙槳。此外，他還對訓(xùn)詁、音樂和文學(xué)等都有濃厚的興趣。

“羞”罷同學(xué)后，開爾文又開始“羞”教授了。咋“羞”呢？當(dāng)然是用一連串高水平論文來打擊教授們的自信心嘛！據(jù)說，第一次“羞”教授的故事，是這樣開始的。仍然是他16歲那年的春天，老爸帶著全家出國旅游，其既定路線是渡過多佛爾海峽順著萊茵河南下，途經(jīng)區(qū)域主要在德國境內(nèi)，其目的顯然是想借機(jī)提高孩子們的德語水平。知子莫如父，為了讓孩子們玩?zhèn)€痛快，老爸事先拋出“群規(guī)”：旅游期間，不準(zhǔn)帶書，更不準(zhǔn)讀書，以免分散精力，影響玩耍質(zhì)量。但是，如此軟綿綿的“群規(guī)”咋管得住正陷入沉思的開爾文呢！只見他略施障眼法就將法國數(shù)學(xué)大師傅立葉的《熱的數(shù)學(xué)分析》一書藏進(jìn)了旅行袋。一路觀景，一路讀書；白天游玩，晚上讀書；在老爸眼前玩耍，在老爸背后讀書；即使當(dāng)面與老爸一起玩耍時，其實也在積極思考傅里葉的書；甚至，實在看不懂時，他便假裝若無其事地與老爸一起探討，果然，“書蟲”老爸很快就中招，主動撲上來與兒子一起“啃”書，早把“群規(guī)”給忘到九霄云外了。于是，旅游結(jié)束后，一篇有關(guān)傅立葉理論的論文也就完成了；此文指出了另一位權(quán)威老教授凱倫特的一個錯誤，并得到了該教授的認(rèn)可，還被推薦到劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)雜志上公開發(fā)表。哇，開爾文頓時就名揚(yáng)全校了！此后幾年里，開爾文更像黃河決堤一樣，“嘩啦啦”，高水平論文一篇接一篇奔涌而出，內(nèi)容涉及數(shù)學(xué)、電學(xué)和熱力學(xué)等。比如，他17歲時，發(fā)現(xiàn)了電力線、磁力線和熱力線的類比關(guān)系；18歲時，開始研究熱傳播的不可逆性，即熱總是從高溫物體傳到低溫物體，不能反向傳遞等。更加難能可貴的是，開爾文研究所有這些問題時，都能熟練運(yùn)用很多數(shù)學(xué)定理；此時，他已顯示出了今后成為杰出數(shù)學(xué)物理學(xué)家的潛質(zhì)。這也許得益于著名數(shù)學(xué)家霍普金斯的指導(dǎo)。看來，還真是名師出高徒呀！

當(dāng)然，在大風(fēng)大浪中勇往直前的開爾文也曾經(jīng)“在陰溝里翻過船”。故事發(fā)生在1845年1月，當(dāng)時20歲的開爾文，雖然毫無懸念地通過了劍橋的畢業(yè)考試，但其成績大失眾望，因為，他竟破天荒地只得了一個“第二名”！媽呀，事前老爸確信“兒子穩(wěn)拿第一名”喲；甚至，一個主考教授還自嘲道：我們也許不配判開爾文的卷子呢！幸好，在第二次史密斯獎考試時，開爾文奪得了桂冠，總算找回了一點面子。

此后，開爾文的簡歷就非常簡單了：1845年，從劍橋大學(xué)畢業(yè)；然后，跟隨物理學(xué)家和化學(xué)家勒尼奧在巴黎從事了一年的實驗工作；1846年，受聘為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，任職長達(dá)53年之久。他于1866年被封為爵士，1892年晉升為勛爵，1904年任格拉斯哥大學(xué)校長直至去世為止。不過，這里說“開爾文的履歷簡單”，絕非其故事簡單，不信請君繼續(xù)往下讀。

先講一個遺憾的故事：開爾文在電磁理論方面的成就雖然已經(jīng)不小，比如建立了電磁量的精確單位標(biāo)準(zhǔn)、為近代電學(xué)奠定了基礎(chǔ)等；但是，其實他的成就本來應(yīng)該更大，甚至有可能提早發(fā)現(xiàn)“麥克斯韋方程”，結(jié)果卻最終因為“緣分”不夠，竟與這個偉大成就擦肩而過。

若按“事后諸葛亮們”的分析，其遺憾源自兩方面。

其一，主觀方面，也許因為成名太早，所以開爾文比較自負(fù)，不善于吸取別人的長處。比如，他撰寫論文時，很少參考別人特別是同時代人的著作；而且在寫論文時，也是龍飛鳳舞，一揮而就，甚至據(jù)說他習(xí)慣于用鉛筆寫作，還常常寫在零亂的稿紙上，未加認(rèn)真整理就送出付印。實際上，早在1846年他就已開始“試圖用數(shù)學(xué)公式把電力和磁力統(tǒng)一起來”；甚至，在1846年11月28日的日記里，開爾文清楚地寫下了這樣的話：“上午十點一刻，我終于成功地用‘力的活動影像法’統(tǒng)一表示了電力、磁力和電流?！睋Q句話說，電磁理論在他筆下已呼之欲出了。只可惜，他就缺這一“呼”，否則，電磁統(tǒng)一理論的誕生就會提前至少10年。那么，開爾文所缺的這一“呼”，到底在哪里呢？答案是在法拉第那里！如果當(dāng)初開爾文聽從了法拉第的當(dāng)面建議，或者認(rèn)真閱讀過法拉第的公開專著《電學(xué)實驗研究》，那也許這一“呼”就不缺了。

其二，客觀方面，開爾文沒能及時得到法拉第的大力指導(dǎo)。其實，1847年夏天，開爾文曾將自己的論文抄寄給了法拉第，并附上了一封令今人驚嘆不已的書信，因為該信中說：“這是我的一篇論文，它從數(shù)學(xué)上論述了電力和磁力的相同之處，表明了電力和磁力間存在著必然聯(lián)系……若該理論成立，那么將它與光的波動理論聯(lián)系起來，就完全可以解釋磁性的極化效應(yīng)了?！钡浅？上У氖牵恢喂?，法拉第竟未回信；若開爾文能在該關(guān)鍵時刻得到法拉第的輕輕點撥，那么也許歷史將會重寫。書中暗表，從現(xiàn)在的角度來看，無論是何種原因?qū)е路ɡ谖椿卮诵?，這件事對法拉第來說都是巨大損失。因為，一方面，“電與磁之間彼此相關(guān)”是法拉第的天才猜想，若他認(rèn)真閱讀了開爾文的那篇文章，也許他的猜想就很快變成了現(xiàn)實；另一方面，即使由于當(dāng)時法拉第年老體衰，至少是久病初愈，但其實法拉第還可有另一個更好的辦法，那就是聘請精通數(shù)學(xué)的開爾文為助手，從而一舉兩得。

雖然由于各種機(jī)緣巧合，開爾文和法拉第都未能最終完成“電磁的統(tǒng)一理論”，但是，開爾文的功績決不可否認(rèn)，因為：第一，開爾文確屬“革命軍中馬前卒”，確實做了不少開拓性工作；第二，是開爾文把自己的思想毫無保留地告訴了麥克斯韋，才促使后者“笑到了最后”。書中暗表，其實，這也是開爾文的偉大之處，因為，他對自己的任何創(chuàng)新思想從不保密，只要遇到知音，便會爽快地“竹筒倒豆子”。

再講一個喜劇故事。當(dāng)開爾文被法拉第忽略時，當(dāng)時的另一位偉大物理學(xué)家焦耳卻慧眼識珠，發(fā)現(xiàn)了開爾文這個后起之秀；于是，焦耳手疾眼快，與開爾文合作將他引上了另一條完全不同的道路，即熱力學(xué)研究，從而才最終成就了熱力學(xué)中的最偉大人物之一，才催生了“熱力學(xué)之父”。

開爾文與焦耳的相遇本身就富有戲劇性。早在1845年，當(dāng)開爾文還是學(xué)生時，就在劍橋大學(xué)聆聽過焦耳的精彩學(xué)術(shù)報告，并從此成為后者的忠實崇拜者。僅僅兩年后，1847年，已是格拉斯哥大學(xué)教授的開爾文，在牛津大學(xué)的一個學(xué)術(shù)會議上又聆聽了焦耳的一次學(xué)術(shù)報告。不過，這次焦耳的報告內(nèi)容卻廣受質(zhì)疑，當(dāng)時的許多著名熱力學(xué)家都反對焦耳報告的觀點。開爾文也屬反對派，他本想等焦耳的報告一結(jié)束就馬上跳起來反駁；但是，他卻突然“臨陣叛變”，成了焦耳學(xué)說的堅定支持者，因為他聽懂了報告中的真理。會后，他趕緊請教焦耳，于是，雙方一見如故，大有相見恨晚之意。當(dāng)時，焦耳29歲，開爾文23歲。從此，他倆成了莫逆之交。

在焦耳的鼓勵下，開爾文轉(zhuǎn)向了熱力學(xué)研究。果然，其天才能力很快就獲得了充分發(fā)揮；甚至在第二年，開爾文就發(fā)明了“絕對溫標(biāo)”。如今，它已成為國際單位制七個基本物理量之一，描述了客觀世界的真實溫度。1851年，開爾文更提出了熱力學(xué)第二定律“不可能從單一熱源吸熱，使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其他影響”；并用反證法指出，若此定律不成立，那就必定存在一種永動機(jī)：它借助于使海水或土壤冷卻而無限制地得到機(jī)械功，即所謂的“第二種永動機(jī)”。緊接著，他由熱力學(xué)第二定律斷言，能量耗散是普遍趨勢。1852年，開爾文與焦耳合作改進(jìn)了焦耳氣體自由膨脹實驗，進(jìn)一步研究了氣體的內(nèi)能，從而發(fā)現(xiàn)了“焦耳-開爾文效應(yīng)”，即被壓縮的氣體通過窄孔進(jìn)入大容器以后，就會膨脹降溫。這一重大發(fā)現(xiàn)是獲得低溫的主要方法之一，至今仍廣泛應(yīng)用于低溫技術(shù)之中。1856年，開爾文從理論上預(yù)言了一種新的溫差電效應(yīng)，如今稱為“開爾文效應(yīng)”，即當(dāng)電流在溫度不均勻的導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量。

最后，再講一個感人的故事，那就是開爾文的愛情故事。1852年9月，功成名就的開爾文娶回了青梅竹馬的首任媳婦克拉姆?？上?，蜜月還未度完，太太就突然病倒了，而且一病不起，直至17年后，于1870年6月17日不治身亡。期間，開爾文一邊埋頭科研，一邊盡心照顧太太，不但毫無怨言，而且體貼之入微、照料之細(xì)心完全不亞于任何新婚夫婦，好像他們一直在度蜜月，整整度了17年的蜜月，讓人好不羨慕、嫉妒、贊。開爾文的癡情感動了上帝，在首任妻子去世4年后，上帝安排37歲的芳妮走進(jìn)了開爾文的心田；終于，已經(jīng)50歲的開爾文在1874年6月24日與芳妮結(jié)成秦晉之好，并一起白頭到老。這次，射中他們的丘比特之箭是名副其實的光速之箭；實際上，開爾文在千里之外給芳妮發(fā)了一封電報“嫁我？”，然后很快收到回復(fù)“耶！”。

1900年4月27日，開爾文在英國皇家研究院做了一次著名演講，題為“覆蓋熱量和光線的動力學(xué)理論的19世紀(jì)的兩朵烏云”（簡稱“兩朵烏云”）。由于內(nèi)容過于專業(yè)，此處雖然忽略了“兩朵烏云”的具體含義，但是，必須指出的是，在20世紀(jì)人類為了驅(qū)趕這“兩朵烏云”創(chuàng)立了兩個偉大的物理理論：一個是相對論，另一個是量子力學(xué)。

1907年12月17日，開爾文在蘇格蘭的家中病逝，享年83歲。開爾文的生命故事至此雖已結(jié)束，但他的科學(xué)故事才剛剛開始，并將永垂不朽！