Primi anni di vita

William Thomson era il quarto figlio di una famiglia di sette persone. Sua madre morì quando aveva sei anni. Suo padre, James Thomson, che è stato uno scrittore di libri di testo, ha insegnato matematica, prima a Belfast e poi come professore presso l’Università di Glasgow; ha insegnato ai suoi figli la matematica più recente, gran parte dei quali non era ancora diventato una parte del curriculum universitario britannico. Una relazione insolitamente stretta tra un padre dominante e un figlio sottomesso servì a sviluppare la straordinaria mente di William.

William, all’età di 10 anni, e suo fratello James, all’età di 11, si immatricolarono all’Università di Glasgow nel 1834. Lì William fu introdotto al pensiero avanzato e controverso di Jean-Baptiste-Joseph Fourier quando uno dei professori di Thomson gli prestò il libro di Fourier The Analytical Theory of Heat, che applicava tecniche matematiche astratte allo studio del flusso di calore attraverso qualsiasi oggetto solido. I primi due articoli pubblicati da Thomson, che apparvero quando aveva 16 e 17 anni, furono una difesa del lavoro di Fourier, che fu poi attaccato dagli scienziati britannici. Thomson è stato il primo a promuovere l’idea che la matematica di Fourier, anche se applicata esclusivamente al flusso di calore, potrebbe essere utilizzata nello studio di altre forme di energia—se fluidi in movimento o elettricità che scorre attraverso un filo.

Thomson ha vinto molti premi universitari a Glasgow, e all’età di 15 anni ha vinto una medaglia d’oro per “Un saggio sulla figura della Terra”, in cui ha esibito eccezionali capacità matematiche. Quel saggio, molto originale nella sua analisi, è servito come fonte di idee scientifiche per Thomson per tutta la sua vita. Ha consultato il saggio per l’ultima volta pochi mesi prima di morire all’età di 83 anni.

Thomson è entrato Cambridge nel 1841 e ha preso un B. A. laurea quattro anni più tardi con alti onori. Nel 1845 gli fu data una copia di George Green’s An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the Theories of Electricity and Magnetism. Quel lavoro e il libro di Fourier sono stati i componenti da cui Thomson forma la sua visione del mondo e che lo ha aiutato a creare la sua sintesi pionieristica della relazione matematica tra elettricità e calore. Dopo aver terminato a Cambridge, Thomson è andato a Parigi, dove ha lavorato nel laboratorio del fisico e chimico Henri-Victor Regnault per acquisire competenze sperimentali pratiche per integrare la sua formazione teorica.

La cattedra di filosofia naturale (in seguito chiamata fisica) presso l’Università di Glasgow cadde vacante nel 1846. Il padre di Thomson poi montato una campagna attentamente pianificata ed energica per avere suo figlio nominato alla posizione, e all’età di 22 William è stato eletto all’unanimità ad esso. Nonostante le blandishments da Cambridge, Thomson è rimasto a Glasgow per il resto della sua carriera. Si dimise dalla cattedra universitaria nel 1899, all’età di 75 anni, dopo 53 anni di proficua e felice collaborazione con l’istituzione. Stava facendo spazio, ha detto, per gli uomini più giovani.

Il lavoro scientifico di Thomson è stato guidato dalla convinzione che le varie teorie che si occupano di materia ed energia sono stati convergenti verso una grande, teoria unificata. Ha perseguito l’obiettivo di una teoria unificata, anche se dubitava che fosse raggiungibile nella sua vita o mai. La base per la convinzione di Thomson era l’impressione cumulativa ottenuta da esperimenti che mostravano l’interrelazione delle forme di energia. Verso la metà del 19 ° secolo era stato dimostrato che il magnetismo e l’elettricità, l’elettromagnetismo e la luce erano correlati, e Thomson aveva dimostrato per analogia matematica che esisteva una relazione tra fenomeni idrodinamici e una corrente elettrica che fluiva attraverso i fili. James Prescott Joule ha anche affermato che c’era una relazione tra movimento meccanico e calore, e la sua idea divenne la base per la scienza della termodinamica.

Nel 1847, in una riunione della British Association for the Advancement of Science, Thomson ascoltò per la prima volta la teoria di Joule sull’interconvertibilità del calore e del movimento. La teoria di Joule andava contro la conoscenza accettata del tempo, che era che il calore era una sostanza imponderabile (calorica) e non poteva essere, come sosteneva Joule, una forma di movimento. Thomson era di mentalità aperta abbastanza per discutere con Joule le implicazioni della nuova teoria. A quel tempo, anche se non poteva accettare l’idea di Joule, Thomson era disposto a riservare il giudizio, soprattutto perché il rapporto tra calore e movimento meccanico si adattava alla sua visione delle cause della forza. Nel 1851 Thomson è stato in grado di dare pubblico riconoscimento alla teoria di Joule, insieme con un cauto approvazione in un importante trattato di matematica, “On the Dynamical Theory of Heat.”Il saggio di Thomson conteneva la sua versione della seconda legge della termodinamica, che fu un passo importante verso l’unificazione delle teorie scientifiche.

Il lavoro di Thomson sull’elettricità e il magnetismo iniziò anche durante i suoi giorni da studente a Cambridge. Quando, molto più tardi, James Clerk Maxwell decise di intraprendere ricerche nel magnetismo e nell’elettricità, lesse tutti i documenti di Thomson sull’argomento e adottò Thomson come suo mentore. Maxwell—nel suo tentativo di sintetizzare tutto ciò che si sapeva circa l’interrelazione di elettricità, magnetismo, e la luce-ha sviluppato la sua monumentale teoria elettromagnetica della luce, probabilmente il risultato più significativo della scienza del 19 ° secolo. Questa teoria ha avuto la sua genesi nel lavoro di Thomson, e Maxwell prontamente riconosciuto il suo debito.

I contributi di Thomson alla scienza del xix secolo furono molti. Ha avanzato le idee di Michael Faraday, Fourier, Joule, e altri. Utilizzando l’analisi matematica, Thomson ha tratto generalizzazioni dai risultati sperimentali. Formulò il concetto che doveva essere generalizzato nella teoria dinamica dell’energia. Ha anche collaborato con un certo numero di importanti scienziati del tempo, tra i quali Sir George Gabriel Stokes, Hermann von Helmholtz, Peter Guthrie Tait, e Joule. Con questi partner, ha avanzato le frontiere della scienza in diversi settori, in particolare l’idrodinamica. Inoltre, Thomson ha dato origine all’analogia matematica tra il flusso di calore nei corpi solidi e il flusso di elettricità nei conduttori.

Il coinvolgimento di Thomson in una controversia sulla fattibilità della posa di un cavo transatlantico cambiò il corso del suo lavoro professionale. Il suo lavoro sul progetto iniziò nel 1854 quando Stokes, un corrispondente per tutta la vita su questioni scientifiche, chiese una spiegazione teorica dell’apparente ritardo di una corrente elettrica che passava attraverso un lungo cavo. Nella sua risposta, Thomson ha fatto riferimento al suo primo documento ” On the Uniform Motion of Heat in Homogeneous Solid Bodies, and its Connexion with the Mathematical Theory of Electricity” (1842). L’idea di Thomson sull’analogia matematica tra flusso di calore e corrente elettrica ha funzionato bene nella sua analisi del problema dell’invio di messaggi telegrafici attraverso il cavo pianificato di 3.000 miglia (4.800 km). Le sue equazioni che descrivono il flusso di calore attraverso un filo solido dimostrato applicabile a domande circa la velocità di una corrente in un cavo.

La pubblicazione della risposta di Thomson a Stokes provocò una confutazione da parte di E. O. W. Whitehouse, il capo elettricista della Atlantic Telegraph Company. Whitehouse affermò che l’esperienza pratica confutò le scoperte teoriche di Thomson, e per un certo periodo la visione di Whitehouse prevalse con i direttori della compagnia. Nonostante il loro disaccordo, Thomson partecipò, come consulente principale, alle pericolose spedizioni iniziali di posa dei cavi. Nel 1858 Thomson brevettò il suo ricevitore telegrafico, chiamato galvanometro a specchio, per l’uso sul cavo Atlantico. (Il dispositivo, insieme alla sua successiva modifica chiamata sifone registratore, è venuto per essere utilizzato sulla maggior parte della rete mondiale di cavi sottomarini. Alla fine i direttori della Atlantic Telegraph Company licenziarono Whitehouse, adottarono i suggerimenti di Thomson per la progettazione del cavo e decisero a favore del galvanometro a specchio. Thomson fu nominato cavaliere nel 1866 dalla regina Vittoria per il suo lavoro.