Jeunesse

William Thomson était le quatrième enfant d’une famille de sept enfants. Sa mère est morte quand il avait six ans. Son père, James Thomson, qui était un auteur de manuels, a enseigné les mathématiques, d’abord à Belfast et plus tard en tant que professeur à l’Université de Glasgow; il a enseigné à ses fils les mathématiques les plus récentes, dont une grande partie n’était pas encore devenue une partie du programme universitaire britannique. Une relation exceptionnellement étroite entre un père dominant et un fils soumis a servi à développer l’esprit extraordinaire de William.

William, 10 ans, et son frère James, 11 ans, s’inscrivent à l’Université de Glasgow en 1834. Là, William a été initié à la pensée avancée et controversée de Jean-Baptiste-Joseph Fourier lorsque l’un des professeurs de Thomson lui a prêté le livre révolutionnaire de Fourier The Analytical Theory of Heat, qui appliquait des techniques mathématiques abstraites à l’étude du flux de chaleur à travers tout objet solide. Les deux premiers articles publiés par Thomson, parus à l’âge de 16 et 17 ans, étaient une défense du travail de Fourier, qui était alors attaqué par des scientifiques britanniques. Thomson a été le premier à promouvoir l’idée que les mathématiques de Fourier, bien qu’appliquées uniquement au flux de chaleur, pouvaient être utilisées dans l’étude d’autres formes d’énergie — qu’il s’agisse de fluides en mouvement ou d’électricité circulant à travers un fil.

Thomson a remporté de nombreux prix universitaires à Glasgow, et à l’âge de 15 ans, il a remporté une médaille d’or pour « Un essai sur la Figure de la Terre”, dans lequel il a fait preuve d’une capacité mathématique exceptionnelle. Cet essai, très original dans son analyse, a servi de source d’idées scientifiques à Thomson tout au long de sa vie. Il a consulté l’essai pour la dernière fois quelques mois seulement avant de mourir à l’âge de 83 ans.

Thomson est entré à Cambridge en 1841 et a obtenu un baccalauréat quatre ans plus tard avec les grands honneurs. En 1845, il reçut une copie de l’Essai de George Green sur l’application de l’Analyse mathématique aux Théories de l’Électricité et du Magnétisme. Ce travail et le livre de Fourier ont été les composants à partir desquels Thomson a façonné sa vision du monde et qui l’ont aidé à créer sa synthèse pionnière de la relation mathématique entre l’électricité et la chaleur. Après avoir terminé à Cambridge, Thomson se rendit à Paris, où il travailla dans le laboratoire du physicien et chimiste Henri-Victor Regnault pour acquérir des compétences expérimentales pratiques pour compléter sa formation théorique.

La chaire de philosophie naturelle (plus tard appelée physique) à l’Université de Glasgow est devenue vacante en 1846. Le père de Thomson lança alors une campagne énergique et soigneusement planifiée pour que son fils soit nommé à ce poste, et à l’âge de 22 ans, William fut élu à l’unanimité. Malgré les maladresses de Cambridge, Thomson reste à Glasgow pour le reste de sa carrière. Il démissionne de sa chaire universitaire en 1899, à l’âge de 75 ans, après 53 ans d’une association fructueuse et heureuse avec l’institution. Il faisait de la place, dit-il, pour des hommes plus jeunes.

Les travaux scientifiques de Thomson étaient guidés par la conviction que les différentes théories traitant de la matière et de l’énergie convergeaient vers une grande théorie unifiée. Il poursuivait l’objectif d’une théorie unifiée même s’il doutait qu’elle soit réalisable de son vivant ou jamais. La base de la conviction de Thomson était l’impression cumulative obtenue à partir d’expériences montrant l’interrelation des formes d’énergie. Au milieu du 19ème siècle, il avait été démontré que le magnétisme et l’électricité, l’électromagnétisme et la lumière étaient liés, et Thomson avait montré par analogie mathématique qu’il existait une relation entre les phénomènes hydrodynamiques et un courant électrique traversant des fils. James Prescott Joule a également affirmé qu’il existait une relation entre le mouvement mécanique et la chaleur, et son idée est devenue la base de la science de la thermodynamique.

En 1847, lors d’une réunion de la British Association for the Advancement of Science, Thomson entendit pour la première fois la théorie de Joule sur l’interconvertibilité de la chaleur et du mouvement. La théorie de Joule allait à l’encontre de la connaissance acceptée de l’époque, qui était que la chaleur était une substance impondérable (calorique) et ne pouvait pas être, comme le prétendait Joule, une forme de mouvement. Thomson était assez ouvert d’esprit pour discuter avec Joule des implications de la nouvelle théorie. À l’époque, bien qu’il ne puisse accepter l’idée de Joule, Thomson était prêt à réserver son jugement, d’autant plus que la relation entre la chaleur et le mouvement mécanique s’inscrivait dans sa propre vision des causes de la force. En 1851, Thomson était en mesure de donner une reconnaissance publique à la théorie de Joule, ainsi qu’une approbation prudente dans un traité mathématique majeur, « On the Dynamical Theory of Heat. »L’essai de Thomson contenait sa version de la deuxième loi de la thermodynamique, qui était une étape majeure vers l’unification des théories scientifiques.

Les travaux de Thomson sur l’électricité et le magnétisme ont également commencé pendant ses études à Cambridge. Lorsque, bien plus tard, James Clerk Maxwell décida d’entreprendre des recherches sur le magnétisme et l’électricité, il lut tous les articles de Thomson sur le sujet et adopta Thomson comme mentor. Maxwell — dans sa tentative de synthétiser tout ce qui était connu sur l’interrelation de l’électricité, du magnétisme et de la lumière – a développé sa théorie électromagnétique monumentale de la lumière, probablement la réalisation la plus importante de la science du XIXe siècle. Cette théorie a eu sa genèse dans les travaux de Thomson, et Maxwell a facilement reconnu sa dette.

Les contributions de Thomson à la science du XIXe siècle étaient nombreuses. Il a avancé les idées de Michael Faraday, Fourier, Joule et d’autres. En utilisant l’analyse mathématique, Thomson a tiré des généralisations de résultats expérimentaux. Il a formulé le concept qui devait être généralisé dans la théorie dynamique de l’énergie. Il a également collaboré avec un certain nombre de scientifiques de premier plan de l’époque, parmi lesquels Sir George Gabriel Stokes, Hermann von Helmholtz, Peter Guthrie Tait et Joule. Avec ces partenaires, il a fait avancer les frontières de la science dans plusieurs domaines, en particulier l’hydrodynamique. En outre, Thomson est à l’origine de l’analogie mathématique entre le flux de chaleur dans les corps solides et le flux d’électricité dans les conducteurs.

L’implication de Thomson dans une controverse sur la faisabilité de la pose d’un câble transatlantique a changé le cours de son travail professionnel. Son travail sur le projet a commencé en 1854 lorsque Stokes, correspondant à vie sur des questions scientifiques, a demandé une explication théorique du retard apparent d’un courant électrique traversant un long câble. Dans sa réponse, Thomson a fait référence à son premier article « Sur le Mouvement uniforme de la Chaleur dans les Corps Solides Homogènes, et son lien avec la Théorie mathématique de l’Électricité” (1842). L’idée de Thomson sur l’analogie mathématique entre le flux de chaleur et le courant électrique fonctionnait bien dans son analyse du problème de l’envoi de messages télégraphiques à travers le câble prévu de 3 000 milles (4 800 km). Ses équations décrivant le flux de chaleur à travers un fil solide se sont révélées applicables aux questions sur la vitesse d’un courant dans un câble.

La publication de la réponse de Thomson à Stokes provoqua une réfutation par E.O.W. Whitehouse, électricien en chef de l’Atlantic Telegraph Company. Whitehouse prétendait que l’expérience pratique réfutait les conclusions théoriques de Thomson, et pendant un certain temps, le point de vue de Whitehouse prévalait auprès des administrateurs de la compagnie. Malgré leur désaccord, Thomson participa, en tant que consultant en chef, aux dangereuses premières expéditions de pose de câbles. En 1858, Thomson breveta son récepteur télégraphique, appelé galvanomètre à miroir, pour une utilisation sur le câble de l’Atlantique. (L’appareil, ainsi que sa modification ultérieure appelée enregistreur à siphon, a été utilisé sur la plupart du réseau mondial de câbles sous-marins.) Finalement, les directeurs de l’Atlantic Telegraph Company virent Whitehouse, adoptèrent les suggestions de Thomson pour la conception du câble et décidèrent en faveur du galvanomètre à miroir. Thomson a été fait chevalier en 1866 par la reine Victoria pour son travail.