1824–1907

«Я давно замечал, что за пределами научного мира бытует мнение, будто Наука сумела объяснить все явления Природы, упразднив все понятия о Творце. Я всегда был убеждён, что такое представление совершенно безосновательно». Автором этих слов является выдающийся английский учёный, изобретатель, исследователь Уильям Томсон, получивший за свои научные достижения титул барона и потому также известный как лорд Кельвин. Среди его достижений – работы по термодинамике и электродинамике, изобретение абсолютной шкалы температур (называется она так потому, что отсчёт по ней ведётся от абсолютного нуля – минимальной возможной температуры, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию), разработка и руководство проектом по прокладке кабеля по дну Атлантического океана для осуществления телеграфной связи между европейским и американским континентами, усовершенствование морского компаса. В общей сложности «послужной список» Кельвина насчитывает около 70 изобретений.

26 июня 1824 г. в Белфасте в Северной Ирландии родился мальчик. Родители, Джеймс и Маргарет, назвали сына Уильямом. Кроме него в семье было шестеро детей – трое мальчиков и столько же девочек. Жили Томсоны неплохо: средств на жизнь хватало, дом на окраине Белфаста был удобным и просторным, отец семейства пользовался уважением в городе как известный профессор математики (его учебник по математике выдержал более 70 переизданий). Только одно омрачало светлый дух семейства – тяжёлая болезнь матери. В 1830 г., когда Уильяму едва исполнилось шесть, Маргарет Томсон умерла. Отец Уильяма, его братья и сестры тяжело переживали внезапную разлуку с любимой женой и матерью, а также думали о том, как жить дальше. Поскольку у Джеймса Томсона было много обязанностей как у преподавателя математики и инженерных наук в Королевском Академическом Институте в Белфасте, вопрос о том, кто и когда будет воспитывать его детей, оказался сложным и острым. Решение, принятое им в этой ситуации было образцом отцовской ответственности и почти военной стратегии: кроватки двух младших мальчиков он размещает в своей комнате, а заботу о двух других сыновьях поручает их старшим сёстрам. Далее, каждое утро перед завтраком Томсон-старший отправляется с детьми на прогулку, рассказывая им истории об изобретениях и путешествиях, а по вечерам – читает с ними книги. Кроме того, каждое воскресенье он лично изучает с детьми несколько глав из Ветхого Завета по утрам и из Нового Завета – по вечерам. Впоследствии сам Уильям признается, что основные знания и навыки по английскому языку, географии, математике и другим наукам он получил дома от отца. В 1833 году семья Томсонов перебирается из Белфаста в Глазго, где отцу семейства предложили профессорскую кафедру.

Уильям страдал в детстве сердечными недугами, даже чуть было не умер от них в возрасте 9 лет. Провидению, однако, было угодно продлить его жизнь, и уже год спустя он садится за парту в том же Университете Глазго, где преподаёт его отец. Столь ранний старт был обычным явлением в те времена, поскольку прямо при университете были организованы классы для школьников. Уильям учится прилежно, проявляя особую одарённость в изучении языков и естественных наук (в 12 лет он побеждает на конкурсе переводчиков древней поэзии с латыни на английский).

В семнадцать лет Уильям отправляется в Кембридж. Став студентом колледжа Святого Петра в знаменитом университете, он ведёт активную жизнь: спортивные состязания, лёгкая атлетика и гребля, музыка и классическая литература входят в список его многочисленных интересов. Однако его главное увлечение – наука. Поскольку, по мнению Томсона, математика в университете преподаётся на невысоком уровне, он самостоятельно углубляется в книги и буквально за два первых года учёбы пишет десять математических сочинений. Среди его любимых авторов – Фурье (французский математик) и Джоуль (английский физик). Кроме того, он регулярно переписывается с отцом, который оплачивает его обучение. Поскольку расходу на учёбу составляли около трети годового дохода семьи, Уильям скрупулёзно отчитывается в письмах, куда и сколько денег он тратит. Порой, чтобы попросить у отца немного дополнительных средств, он добавлял в письме доказательство какой-нибудь новой теоремы, которая могла бы пригодиться отцу в преподавании.

В одном из писем к отцу Уильям описывает свой распорядок дня:

• Встать в 5 часов утра и разжечь камин.
• Заниматься чтением до 8.15.
• Посетить ежедневные лекции.
• Заниматься чтением до 13.00.
• Выполнять домашнее задание до 16.00.
• Посетить церковь до 19.00.
• Заниматься чтением до 20.30.
• Отправиться на ночной отдых в 21.00.

Трудно гарантировать, что сам Томсон-младший строго придерживался подобного распорядка, однако само его наличие характеризует студента как человека пунктуального и бережно расходующего время. Как бы там ни было, серьёзность будущего учёного в изучении наук и умение быть собранным, целеустремлённым и организованным, не остались без внимания. В качестве поощрительной награды его отправляют в командировку во Францию, где он встречается с ведущими исследователями того времени – Огюстеном Коши и Жаном Био. Кроме того, Томсон посещает лекции Сади Карно в Сорбонне, а также, по совету отца, покупает несколько французских учебников для самообразования.

Завершив учёбу в Англии и знакомство с французскими учёными, 22-летний Уильям подаёт прошение на должность профессора естественной философии в университете в Глазго. Конкурс на вакантную должность был не из лёгких, однако все единодушно высказались за его кандидатуру. При вступлении в должность полагалось, согласно традиции, выразить свою верность основным христианским доктринам, изложенным в Вестминстерском символе веры. Часто к этому относились формально и без особого энтузиазма. Однако Томсон дал понять, что его вера – реальна и глубока. Относительно скептических оценок окружающих, удивлённых его христианскими убеждениями, он говорил: «Идея атеизма настолько бессмысленна, что я даже не могу найти для неё слов». Впоследствии именно вера поддержала его и в том, чтобы пережить внезапную смерть отца от эпидемии холеры, постигшей Глазго в 1848 г.

Исполняя профессорские обязанности, Уильям Томсон каждое утро, зайдя в аудиторию, где его ожидают студенты, искренно молится, прося Бога направить его в преподавании. Этой традиции он придерживался в начале первой утренней лекции на протяжении всей своей академической жизни. Свою самую первую лекцию «Вводного курса по естественной философии» сэр Уильям начал словами: «Мы чувствуем, что способность познавать законы, учреждённые Творцом для поддержания гармонии и целостности творения, – это величайшая привилегия, которую Он дал нашему разуму. Чем глубже мы постигаем чудесные деяния Божьи, тем сильнее наше благоговение и преклонение, когда мы размышляем над ними и пытаемся приблизиться к Учредившему их».

С 1849 по 1852 год Томсон активно занимается термодинамикой, дав благодарным потомкам формулировки второго закона термодинамики: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара». Это означало невозможность создания вечного теплового двигателя, который мог бы постоянно функционировать лишь за счёт собственных внутренних ресурсов. Кроме того, совместно с Джеймсом Джоулем Томсон проводит эксперименты по охлаждению газов, в ходе которых формулирует свою идею об абсолютной шкале температур. Сегодня её также именуют шкалой Кельвина или термодинамической шкалой, а измеряют в «кельвинах». Далее, учёный при участии своих студентов проводит ряд исследований по термоэлектричеству (с тех пор студенты Великобритании выполняют практические работы в процессе изучения физики, а в университете Глазго появляется физическая лаборатория). А ещё в 1853 г. Томсон выводит знаменитую формулу зависимости периода собственных колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (ныне её именуют формулой Томсона).

Личная жизнь профессора оказалась во многом похожей на судьбу его отца. Его женой стала милая 22-летняя девушка, глубоко верующая и обладающая поэтическими способностями. Вскоре после свадьбы она заболела и стала инвалидом. Уильям был замечательным мужем, разделявшим её горе и страдания, просиживавшим ночи напролёт, ухаживая за своей возлюбленной.

Одним из наиболее впечатляющих достижений Томсона стали его исследования электрических колебаний. Они легли в основу работ, связанных с прокладкой трансатлантического телеграфного кабеля. Дорогостоящая экспедиция, снаряжённая американским и британским правительствами, уже проложила к тому времени 2500 миль кабеля. Однако последний то и дело норовил порваться, что в конце-концов буквально парализовало всю работу. Тогда чиновники обратились к Томсону и попросили его помощи в качестве научного эксперта. Учёный теоретически исследует проблему распространения электрических импульсов вдоль кабелей, выводит условия существования колебательного электрического разряда, разрабатывает конструкцию витого кабеля с высокой проводимостью, изобретает методы усиления передаваемого сигнала, знакомится с нуждами морского дела и разрабатывает улучшенные конструкции лота и компаса. В итоге, под руководством Томсона на британском пароходе «Грейт Истерн», крупнейшем корабле ХІХ века, проект по прокладке кабеля был благополучно осуществлён. К общей радости о счастливом исходе «кабельной эпопеи» добавилось ещё одно приятное обстоятельство: королева Виктория жалует Уильяму Томсону пэрство и дворянское звание. Теперь он – барон Кельвин и имеет право именоваться лордом (новое имя было созвучно названию небольшой речушки, протекающей вблизи университета в Глазго).

Будучи учёным-христианином, Томсон не мог оставаться в стороне от споров вокруг теории эволюции. Произведя расчёт возраста Солнца, в котором, по его предположению, протекают химические процессы горения, являющиеся источником энергии, он указал на недостаточность исторического времени для того, чтобы эволюция животного мира привела к современному состоянию. Он также заявлял: «Повсюду мы видим убедительнейшие доказательства разумного и благого замысла; и даже если некие трудности, метафизические или научные, заставляют нас на время усомниться в них, эти доказательства вновь настигают нас с такой силой, которой невозможно противостоять. Мы видим в Природе действие свободной воли и осознаем, что всё живое зависит от единого неустанно трудящегося Творца и Правителя». Лорд Кельвин не ограничивается единичными проявлениями своих убеждений: он регулярно посещает церковные богослужения, поддерживает шотландское библейское общество, выступает на христианских конференциях. Подчёркивая цель науки – содействовать познанию Бога-Творца, он отмечает: «Наука немногое может сделать для нашего общества. Однако кое-что чрезвычайно важное она сделать может, а именно – доказать: всё, что мы видим в окружающем нас мире неживой материи и в живом мире, вовсе не результат случайного соединения атомов».

Лорд Кельвин прожил 83 года и умер 17 декабря 1907 г. За глубокое понимание законов природы, тщательность экспериментальных работ и математическое мастерство, позволившие ему внести значительный вклад в развитие науки ХІХ века, он был прозван королём викторианской физики и погребён в Вестминстерском аббатстве рядом с сэром Исааком Ньютоном.