náhled|Thomas Annan: Sir William Thomson, uhlotisk William Thomson (26. června 1824, Belfast – 17. prosince 1907, Netherhall u Largsu, Skotsko), od roku 1866 lord Kelvin z Largsu, byl britský matematik, matematický fyzik, inženýr a vynálezce. Celých 53 let byl profesorem přírodní filozofie (současnou terminologií teoretické fyziky) na Glasgowské univerzitě, kde se zabýval matematickou analýzou elektřiny, formuloval první a druhý termodynamický zákon a velmi se zasloužil o rozvoj vznikajícího oboru fyziky. Byl zvolen prezidentem Královské společnosti a jako první britský vědec byl povýšen do Sněmovny lordů.
Byl autorem řady vynálezů, jako jsou např. kvadrantový elektroměr, přístroje pro měření elektřiny v atmosféře nebo nový typ buzoly. Je po něm pojmenována jednotka termodynamické teploty kelvin (K), což je jedna ze sedmi základních jednotek soustavy SI. V kelvinech se uvádějí absolutní teploty. Ačkoli existence absolutní nuly byla známa již od roku 1702, kdy ji navrhl Guillaume Amontons, Thomson určil roku 1848 její přesnou hodnotu jako −273,15 °C. Je po něm rovněž pojmenován Joulův–Thomsonův jev. V letech 1857–1866 se Thomson osobně podílel na kladení transatlantických podmořských kabelů, za což byl královnou Viktorií pasován na rytíře.
Dětství a počátky studií Thomson se narodil ve skotsko-irské středostavovské rodině. Jeho otec James Thomson (1786–1849) byl profesorem matematiky a inženýrství na Královském akademickém institutu v Belfastu. Williamova matka Margaret zemřela v roce 1830, když mu bylo 6 let. O tři roky později se James Thomson se svými šesti dětmi odstěhoval do Glasgowa, kde získal prestižní místo profesora matematiky na Glasgowské univerzitě.
William zpočátku navštěvoval Královský akademický institut v Belfastu, kde jeho otec přednášel. V roce 1834 nastoupil ve svých deseti letech na Glasgowskou univerzitu. Nebylo to kvůli jeho předčasné vyspělosti, ale protože univerzita nabízela nadaným žákům základní školy řadu vynikajících možností. William hned zpočátku projevoval intenzivní zájem o klasické i přírodovědné předměty. Ve dvanácti letech vyhrál cenu za překlad Lúkianových Rozhovorů bohů z latiny do angličtiny. V akademickém roce 1839/1840, tedy ve svých patnácti letech, získal cenu z astronomie a byl oceněn medailí za Esej o tvaru Země, v níž předvedl nadání pro matematickou analýzu a tvořivost.
Thomsona velice zaujala Fourierova Analytická teorie tepla pojednávající o šíření tepla, a proto se pustil do studia „kontinentální“ matematiky, jíž se britští matematici, kteří pracovali ještě stále ve stínu Isaaka Newtona, vzpírali. Nepřekvapí proto, že tito lidé Fourierovu práci napadali. V jejich čele stál anglický matematik Philip Kelland, jehož kritická kniha přiměla Thomsona v roce 1841 k sepsání jeho prvního vědeckého pojednání, v němž pod pseudonymem P.Q.R. hájil Fouriera. Thomsonovu práci postoupil Cambridžskému matematickému časopisu jeho otec. Druhé pojednání od P.Q.R. následovalo téměř okamžitě. V době, kdy byl téhož roku s rodinou na prázdninách na ostrově Arran ve Skotsku, sepsal coby P.Q.R. třetí, obsažnější pojednání nazvané O rovnoměrném šíření tepla v homogenních pevných látkách a jeho souvislosti s matematickou teorií elektřiny. V tomto pojednání provedl pozoruhodné porovnání mezi matematickými teoriemi vedení tepla a elektrostatiky, což vedlo skotského fyzika Jamese Clerka Maxwella k tomu, že tuto analogii označil za jednu z nejcennějších myšlenek, jež formovaly vědu.
Studia a začátek akademické kariéry V roce 1841 byl Thomson přijat na kolej Peterhouse Univerzity v Cambridgi. Během studia se aktivně věnoval sportu, zejména atletice a veslování, v němž vynikl a roku 1843 vyhrál univerzitní veslařský závod Colquhoun Sculls. Živě se rovněž zajímal o klasickou hudbu – byl jedním ze zakladatelů Hudební společnosti Univerzity v Cambridgi – a o literaturu, avšak zdaleka nejvíc ho přitahovala věda. Jeho představivost upoutalo studium matematiky, fyziky, a zejména elektřiny. V roce 1845 absolvoval jako druhý z ročníkuDatabáze absolventů Univerzity v Cambridgi a získal bakalářský titul. Vyhrál rovněž Smithovu cenu, což byla cena udělovaná za originální výzkum v matematice a fyzice. Jeden ze zkoušejících, anglický polyhistor Robert Leslie Ellis, prý poznamenal ke kolegovi zkoušejícímu: „Vy a já mu můžeme tak akorát ostřit pero.“
Roku 1845 Thomson navrhl první matematické rozpracování myšlenky Michaela Faradaye, že elektrická indukce probíhá prostřednictvím vložené látky neboli dielektrika, a nikoli nějakou nepochopitelnou „akcí na dálku“. Navrhl rovněž matematickou metodu elektrického zobrazování, jež se stala účinným prostředkem při řešení problémů elektrostatiky – vědy, která se zabývá silami působícími mezi elektricky nabitými tělesy, jež jsou v klidovém stavu. Zčásti právě díky Thomsonovu povzbuzení se Faraday pustil v září 1845 do výzkumu, který vedl k objevu Faradayova efektu, jenž prokázal, že světelné a magnetické – a tedy elektrické – jevy spolu souvisejí.
V červnu 1845 byl Thomson zvolen členem koleje Peterhouse. V té době se soustředěně věnoval studiu práce Georga Greena Aplikace matematické analýzy na teorie elektřiny a magnetismu z roku 1828, jež na něj měla značný vliv.Karl-Eugen Kurrer: The History of the Theory of Structures. Searching for Equilibrium. Ernst & Sohn, Berlin 2018, S. 924 u. 1003, ISBN 978-3-433-03229-9..
V rámci stáže související s členstvím v Peterhousu strávil Thomson nějaký čas v pařížské laboratoři fyzika a chemika Henriho Victora Regnaulta, kde se věnoval kalorimetrii. V Paříži se setkal s řadou významných francouzských matematiků a vědců, mimo jiné s Augustinem Louisem Cauchym, Jacquem Charlesem Françoisem Sturmem, Jean-Baptistem Biotem a Josephem Liouvillem, který jej povzbuzoval, aby spojil teorie Michaela Faradaye, Charles-Augustina Coulomba a Siméona Denise Poissona. Jeho pařížský pobyt přerušilo jmenování profesorem přírodní filosofie na Glasgowské univerzitě v roce 1846. Bylo mu tehdy pouhých 22 let. Do svých vysokoškolských kurzů zavedl laboratorní práce a zřídil fyzikální laboratoře zvlášť pro tyto účely. Nejlepší studenty se snažil motivovat a povzbuzovat udělováním cen za dobré výsledky.
Termodynamika náhled|Srovnání stupnic Fahrenheita, Celsia a Kelvina: Boiling point = bod varu Freezing point = bod mrazu Absolute zero = absolutní nula Do roku 1847, kdy se Thomson zúčastnil každoročního shromáždění Britské asociace pro pokrok ve vědě v Oxfordu, již získal pověst předčasně vyspělého a nezávislého vědce. Během tohoto shromáždění vyslechl další z do té doby bezvýsledných pokusů Jamese Prescotta Joulea, jimiž se snažil zpochybnit takzvanou kalorickou teorii, která hlásala, že teplo je tvořeno jistou formou tekutiny, a teorii tepelného stroje založenou na kalorické teorii Nicolasem Léonardem Sadim Carnotem a Émilem Clapeyronem. Joule obhajoval vzájemnou převoditelnost tepla a mechanické práce a jejich mechanickou rovnocennost. Thomsona to zaujalo, zůstal však skeptický, neboť cítil, že Jouleovy výsledky potřebují teoretický výklad.
Zahloubal se proto usilovněji do studia Carnotovy-Clapeyronovy teorie, kterou roku 1848 dále rozvinul. Představil svoji absolutní teplotní stupnici založenou na této teorii a dál pokračoval v publikování esejí pojednávajících o dynamické teorii tepla. Významnou měrou se rovněž podílel na odvození zákonů termodynamiky.
Thomson se vrátil ke kritice Carnotovy původní publikace a v lednu 1849 přednesl svoji analýzu na zasedání Edinburské královské společnosti.—(1949) "An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat; with Numerical Results deduced from Regnault's Experiments on Steam" Math. and Phys. Papers vol. 1, pp. 113–155 V únoru 1851 se pustil do práce ve snaze sladit Carnotovy vývody s Jouleovými. Při té příležitosti se zabýval myšlenkami, které daly následně vzniknout druhému termodynamickému zákonu. V Carnotově teorii bylo ztracené teplo absolutně ztraceno, Thomson však tvrdil, že se „nenávratně ztratilo člověku, nikoli však v materiálním světě“. Jeho teologické smýšlení jej navíc vedlo k tomu, aby druhý termodynamický zákon extrapoloval do vesmíru, což dalo zrod myšlence tepelné smrti vesmíru.
Organizátor vědy V roce 1851 byl Thomson zvolen členem Královské společnosti.
Převážně písemná spolupráce s Jamesem Prescottem Joulem v letech 1852–1856 vedla mimo jiné k objevu Jouleova–Thomsonova jevu. Publikované výsledky této spolupráceThomson, W. (1856) "On the thermal effects of fluids in motion" Math. and Phys. Papers vol. 1, pp. 333–455 měly velký vliv na všeobecné přijetí Jouleovy práce a kinetické teorie.
William Thomson publikoval více než 650 vědeckých pojednání a přihlásil na 70 patentů (ne všechny byly přijaty).
Přes lákavé nabídky z několika významných univerzit zůstal věrný Glasgowu. Na postu profesora přírodních věd na zdejší universitě působil dlouhých 53 let až do svého odchodu na odpočinek v roce 1899. Téhož roku jej vzhledem k jeho činnosti v oblasti výzkumu a vývoje podnikatel a vynálezce George Eastman povolal za místopředsedu britské pobočky společnosti Kodak.
Roku 1904 se Thomson stal kancléřem Glasgowské univerzity.
Pokládání transatlantického kabelu
Výpočet rychlosti přenosu dat Přestože byl už v akademických kruzích dobře znám, pro širokou veřejnost byl Thomson stále neznámou osobou. V září 1852 se oženil s Margaret Crumovou, kterou znal již od dětství. Nevěstino zdraví se však začalo zhoršovat již během svatební cesty a po dalších sedm let odvádělo její utrpení Thomsona od práce. Matematik a fyzik George Gabriel Stokes napsal ve snaze vzbudit v něm opět zájem o práci 16. října 1854 Thomsonovi dopis, v němž ho žádá o názor na některé Faradayovy pokusy týkající se navrhovaného transatlantického podmořského telegrafního kabelu.
Faraday ukázal, jak bude konstrukce kabelu omezovat rychlost a počet vysílaných zpráv neboli jeho průchodnost. Thomsona tento problém zaujal a ještě téhož měsíce publikoval svoji odpověď.Thomson, W. (1854) "On the theory of the electric telegraph" Math. and Phys. Papers vol.2, p.61 Vyjádřil svoje výsledky pomocí přenosové rychlosti, jež může být dosažena, a ekonomické dopady pomocí možných výnosů transatlantického podnikání. V následující analýze z roku 1855 zdůraznil vliv konstrukce kabelu na jeho rentabilitu.Thomson, W. (1855) "On the peristaltic induction of electric currents in submarine telegraph wires" Math. and Phys. Papers vol.2, p.87
Thomson tvrdil, že rychlost přenosu dat v daném kabelu je nepřímo úměrná druhé mocnině jeho délky. O jeho závěrech diskutoval na zasedání Britské asociace pro pokrok ve vědě v roce 1856 elektrikář Atlantické telegrafní společnosti Wildman Whitehouse, který buď záměrně nesprávně interpretoval výsledky svých vlastních pokusů, nebo je jen mylně vyhodnotil. Rozhodně však byl pod finančním tlakem, protože plány na pokládání kabelu už byly v plném proudu. Domníval se, že Thomsonovy výpočty naznačují, že nápad na položení kabelu je třeba „opustit jako z praktického i obchodního hlediska neuskutečnitelný“.
Thomson napadl Whitehouseovo tvrzení v dopisu populárnímu britskému časopisu Athenaeum,Thomson, W. (1855) "Letters on telegraph to America" Math. and Phys. Papers vol.2, p.92 čímž na sebe veřejně upozornil. Doporučil vodič s větším průřezem a silnějším izolantem. O Whitehouseovi se domníval, že může mít potřebnou dovednost, aby zajistil, že existující konstrukce bude fungovat. Thomsonova práce upoutala pozornost podnikatelů, kteří stáli za projektem telegrafního kabelu. V prosinci 1856 byl zvolen do správní rady Atlantické telegrafní společnosti.
Od vědce k inženýrovi náhled|Thomsonův zrcátkový galvanometr schopný rozeznávat slabé elektrické signály, jež prošly podmořským kabelem. náhled |upright|Thomsonův telegrafní zapisovač