Primeros años

William Thomson fue el cuarto hijo de una familia de siete miembros. Su madre murió cuando él tenía seis años. Su padre, James Thomson, que era un escritor de libros de texto, enseñó matemáticas, primero en Belfast y más tarde como profesor en la Universidad de Glasgow; enseñó a sus hijos las matemáticas más recientes, muchas de las cuales aún no se habían convertido en parte del plan de estudios de la universidad británica. Una relación inusualmente cercana entre un padre dominante y un hijo sumiso sirvió para desarrollar la mente extraordinaria de William.William, de 10 años, y su hermano James, de 11 años, se matricularon en la Universidad de Glasgow en 1834. Allí William conoció el pensamiento avanzado y controvertido de Jean-Baptiste-Joseph Fourier cuando uno de los profesores de Thomson le prestó el pionero libro de Fourier Teoría Analítica del Calor, que aplicaba técnicas matemáticas abstractas al estudio del flujo de calor a través de cualquier objeto sólido. Los dos primeros artículos publicados por Thomson, que aparecieron cuando tenía 16 y 17 años, fueron una defensa del trabajo de Fourier, que estaba siendo atacado por científicos británicos. Thomson fue el primero en promover la idea de que las matemáticas de Fourier, aunque se aplicaban únicamente al flujo de calor, podían usarse en el estudio de otras formas de energía, ya fueran fluidos en movimiento o electricidad que fluía a través de un cable.

Thomson ganó muchos premios universitarios en Glasgow, y a la edad de 15 años ganó una medalla de oro por «Un Ensayo sobre la Figura de la Tierra», en el que exhibió una habilidad matemática excepcional. Ese ensayo, muy original en su análisis, sirvió como fuente de ideas científicas para Thomson a lo largo de su vida. Consultó el ensayo por última vez unos meses antes de morir a la edad de 83 años.

Thomson entró en Cambridge en 1841 y se licenció cuatro años más tarde con honores. En 1845 recibió una copia de Un Ensayo de George Green sobre la Aplicación del Análisis Matemático a las Teorías de la Electricidad y el Magnetismo. Ese trabajo y el libro de Fourier fueron los componentes a partir de los cuales Thomson dio forma a su visión del mundo y que le ayudó a crear su síntesis pionera de la relación matemática entre la electricidad y el calor. Después de terminar en Cambridge, Thomson fue a París, donde trabajó en el laboratorio del físico y químico Henri-Victor Regnault para obtener competencia experimental práctica para complementar su educación teórica.

La cátedra de filosofía natural (más tarde llamada física) en la Universidad de Glasgow quedó vacante en 1846. El padre de Thomson entonces montó una campaña cuidadosamente planificada y enérgica para que su hijo fuera nombrado para el cargo, y a la edad de 22 años William fue elegido por unanimidad. A pesar de los halagos de Cambridge, Thomson permaneció en Glasgow durante el resto de su carrera. Renunció a su cátedra universitaria en 1899, a la edad de 75 años, después de 53 años de una fructífera y feliz asociación con la institución. Estaba haciendo espacio, dijo, para hombres más jóvenes.

El trabajo científico de Thomson se guió por la convicción de que las diversas teorías relacionadas con la materia y la energía convergían hacia una gran teoría unificada. Persiguió el objetivo de una teoría unificada aunque dudaba que era alcanzable en su vida o en la vida. La base de la convicción de Thomson fue la impresión acumulada obtenida de experimentos que mostraban la interrelación de formas de energía. A mediados del siglo XIX se había demostrado que el magnetismo y la electricidad, el electromagnetismo y la luz estaban relacionados, y Thomson había demostrado por analogía matemática que había una relación entre los fenómenos hidrodinámicos y una corriente eléctrica que fluía a través de cables. James Prescott Joule también afirmó que había una relación entre el movimiento mecánico y el calor, y su idea se convirtió en la base para la ciencia de la termodinámica.

En 1847, en una reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia, Thomson escuchó por primera vez la teoría de Joule sobre la interconvertibilidad del calor y el movimiento. La teoría de Joule iba en contra del conocimiento aceptado de la época, que era que el calor era una sustancia imponderable (calórica) y no podía ser, como Joule afirmaba, una forma de movimiento. Thomson fue lo suficientemente abierto como para discutir con Joule las implicaciones de la nueva teoría. En ese momento, aunque no podía aceptar la idea de Joule, Thomson estaba dispuesto a reservarse el juicio, especialmente porque la relación entre el calor y el movimiento mecánico encajaba en su propia visión de las causas de la fuerza. En 1851, Thomson fue capaz de dar reconocimiento público a la teoría de Joule, junto con un respaldo cauteloso en un tratado matemático importante, «Sobre la Teoría Dinámica del Calor». El ensayo de Thomson contenía su versión de la segunda ley de la termodinámica, que fue un paso importante hacia la unificación de las teorías científicas.

El trabajo de Thomson sobre electricidad y magnetismo también comenzó durante sus días de estudiante en Cambridge. Cuando, mucho más tarde, James Clerk Maxwell decidió realizar investigaciones en magnetismo y electricidad, leyó todos los documentos de Thomson sobre el tema y adoptó a Thomson como su mentor. Maxwell, en su intento de sintetizar todo lo que se sabía sobre la interrelación de la electricidad, el magnetismo y la luz, desarrolló su monumental teoría electromagnética de la luz, probablemente el logro más significativo de la ciencia del siglo XIX. Esta teoría tuvo su génesis en el trabajo de Thomson, y Maxwell reconoció fácilmente su deuda.

Las contribuciones de Thomson a la ciencia del siglo XIX fueron muchas. Avanzó las ideas de Michael Faraday, Fourier, Joule y otros. Usando análisis matemático, Thomson dibujó generalizaciones a partir de resultados experimentales. Formuló el concepto que se generalizaría en la teoría dinámica de la energía. También colaboró con varios científicos destacados de la época, entre ellos Sir George Gabriel Stokes, Hermann von Helmholtz, Peter Guthrie Tait y Joule. Con estos socios, avanzó las fronteras de la ciencia en varias áreas, particularmente la hidrodinámica. Además, Thomson originó la analogía matemática entre el flujo de calor en cuerpos sólidos y el flujo de electricidad en conductores.

La participación de Thomson en una controversia sobre la viabilidad de colocar un cable transatlántico cambió el curso de su trabajo profesional. Su trabajo en el proyecto comenzó en 1854, cuando Stokes, un corresponsal de toda la vida sobre asuntos científicos, pidió una explicación teórica del aparente retraso en el paso de una corriente eléctrica a través de un cable largo. En su respuesta, Thomson se refirió a su primer artículo» Sobre el Movimiento Uniforme del Calor en Cuerpos Sólidos Homogéneos, y su Conexión con la Teoría Matemática de la Electricidad » (1842). La idea de Thomson sobre la analogía matemática entre el flujo de calor y la corriente eléctrica funcionó bien en su análisis del problema del envío de mensajes telegráficos a través del cable planificado de 3,000 millas (4,800 km). Sus ecuaciones que describen el flujo de calor a través de un cable sólido demostraron ser aplicables a preguntas sobre la velocidad de una corriente en un cable.

La publicación de la respuesta de Thomson a Stokes provocó una refutación de E. O. W. Whitehouse, el electricista jefe de la Atlantic Telegraph Company. Whitehouse afirmó que la experiencia práctica refutaba los hallazgos teóricos de Thomson, y por un tiempo la opinión de Whitehouse prevaleció entre los directores de la compañía. A pesar de su desacuerdo, Thomson participó, como consultor jefe, en las peligrosas expediciones iniciales de tendido de cables. En 1858 Thomson patentó su receptor de telégrafo, llamado galvanómetro de espejo, para su uso en el cable Atlántico. (El dispositivo, junto con su modificación posterior llamada grabadora de sifones, llegó a ser utilizado en la mayor parte de la red mundial de cables submarinos. Finalmente, los directores de la Atlantic Telegraph Company despidieron a Whitehouse, adoptaron las sugerencias de Thomson para el diseño del cable y decidieron a favor del galvanómetro de espejo. Thomson fue nombrado caballero en 1866 por la Reina Victoria por su trabajo.