William Thomson, lord Kelvin

William Thomson se narodil v Belfastu v rodině profesora matematiky na Glasgowské univerzitě Jamese Thomsona a Margaret Gardner jako čtvrté dítě ze sedmi. V šesti letech zemřela malému Williamovi matka a výchovy jeho i ostatních sourozenců se ujal otec. V osmi letech poslouchal přednášky svého otce a v deseti letech byl oficiálně zapsán na univerzitu. V roce 1840 si v knihovně půjčil Fourierovu knihu Théorie aanalytique de la chaleur, kterou během čtrnácti dnů prostudoval. Zapůsobila na něj tak hluboce, že ho inspirovala k napsání první vědecké publikace O Fourierově rozvoji funkcí v trigonometrické řady. Thomson studium na Glasgowské univerzitě nezakončil zkouškami, protože se chtěl v roce 1841 zapsat na Cambridgskou univerzitu na Peterhouse College. Seznámil se tu s matematikem Georgem Stokesem, založil hudební společnost a věnoval se veslování a později i plachtění. Během studia se zabýval matematikou, vedením tepla, teorií pružnosti a elektromagnetismem. Roku 1845 univerzitu v Cambridge absolvoval a získal jen medaili 2. stupně, což bylo pro něj zklamání. Pět měsíců strávil na postgraduálním studiu v Paříži v Regnaultově laboratoři u profesora Josepha Liouvilla. Ve 22 letech, roku 1846, byl jmenován profesorem a vedoucím katedry fyziky na univerzitě v Glasgow. Své přednášky zahajoval pravidelným patnáctiminutovým zkoušením vylosovaného studenta. Během přednášek se často nechával unést k zajímavým ale s tématem nesouvisejícím myšlenkám. Vykládá se o něm, že byl jediným fyzikem, který během přednášení vynalézal. Krátce po jmenování profesorem si ve vinném sklípku zřídil ze skromných prostředků laboratoř a začal se věnoval vědecké práci. Až v roce 1870 získal k experimentům novou budovu. Pracoval v mnoha oblastech fyziky (termodynamika, hydrodynamika, elektromagnetizmus, pevnost, teplota atd.), matematiky a techniky.

William Thomson, lord Kelvin.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.

V roce 1847 se v Oxfordu seznámil s Jamesem Joulem, který tu měl přednášku o svých měřeních, která vedla k vyslovení ekvivalence mezi teplem a energií. Jouleova práce Thomsona zaujala, a proto se začal zabývat teplem. V roce 1848 uveřejnil první větší spis z termodynamiky, ve kterém zavedl na základě Carnotovy teorie tepla absolutní teplotní stupnici. O dva roky později teoreticky zdůvodnil závislost teploty tání na tlaku, který ještě předtím experimentálně ověřil. V roce 1851 ve spise O dynamické teorii tepla vyslovil druhou větu termodynamiky. Při výzkumu změny teploty plynu při jeho expanzi v letech 1853 až 1854 spolupracoval s Jamesem Joulem. V manchesterské laboratoři objevili jev, který byl později nazván Joule–Thomsonův.

William Thomson kolem roku 1850.
Zdroj: National Portrait Gallery, London. Autor: Neznámý. Under Creative Commons.

V oblasti elektřiny se od roku 1853 zabýval kondenzátorem a jevy v jednoduchých obvodech. Ve stejném roce publikoval spis Elektromagnetické kmity a vlny, ve kterém také uvádí, že vybíjením kondenzátoru přes cívku vznikají oscilace a určil vztah pro výpočet periody dnes nazvaný jeho jménem. Jeho práce měly velký význam při vzniku telegrafu. Ve svých dalších pracech v této oblasti navázal na Michaela Faradaye a jeho elektrické indukční siločáry, které se snažil popsat matematicky. Faraday si do svého deníku poznamenal: “Jen málokteří rozumějí fyzikálním siločarám. Thomson z Glasgowa je, jak se zdá, jediný, kdo je chápe.“ [2] Práce se mu ale nedařila. O pomoc požádal svého kolegu Jamese Mexwella. Ten byl ale v té době začínajícím fyzikem, a proto mu Thomson doporučil k dalšímu studiu Faradayovy knihy.

V roce 1854 se zabýval teorií termočlánků a přitom zjistil, že elektromotorické napětí vzniká i na koncích jednoho vodiče, je–li v něm teplotní spád. Velikost potenciálového rozdílu na obou koncích je úměrná délce vodiče a rozdílu teplot mezi nimi, popsaný jev se dnes nazývá Thomsonův.

William Thomson má velkou zásluhu na kabelovém spojení Ameriky s Evropou. Nejen že se sám podílel na kladení kabelů, ale snažil se řešit ztráty při vedení. Práce nebyla jednoduchá. Kabel se dvakrát přetrhl. Úspěšný pokus proběhl v roce 1866, a byl prvním, kdo poslal telegram z Evropy do Ameriky. Stálo v něm: “Evropa a Amerika získaly telegrafické spojení … Dva velké kontinenty už nerozděluje Velká voda – přiblížili jsme se navzájem.“ [1] Thomson k zasílání zpráv sestrojil tzv. thomsonův zrcadlový galvanometr a další přístroje, na které získal patenty. V rámci této práce v roce 1855 našel pro časový průběh napětí ve vedení tzv. difúzní rovnici, která platila pro vedení do 300 km. Obecné řešení nalezl až roku 1881 Oliver Heaviside.

Publikoval zprávy o sledování a pokusech na teplovodivých materiálech, které se pokoušel použít pro výpočet velikosti Země, studoval problematiku otáčení Země kolem své osy, dospěl k tomu, že mořské přílivy a odlivy mají vliv na toto otáčení. Vyslovil hypotézu o přírodních atomech, předložil výpočty velikosti molekul atd. Byl členem mnohých akademických a naučných společenstev, členem Peterburgské akademie věd. Napsal 18 knih, 661 původních článků a na své vynálezy dostal 70 patentů.

Koncem šedesátých let se stále více zhoršovalo zdraví jeho manželky Margarety, se kterou se v roce 1852 oženil. Smrt paní Thomsonové v roce 1870 byla pro Williama velkou ztrátou a naplnila ho hlubokým zármutkem. Povinnosti vůči telegrafickým společnostem ho držely při práci. Jedinou zálibou se mu v této době stala láska k moři a jachta Lolla Rookh. S ní křižoval oceán a při plavbě zjistil, že tehdejší navigační přístroje jsou nevyhovující. V roce 1876 patentoval zdokonalený námořní kompas, zkonstruoval zvukový hloubkoměr a další navigační zařízení.

Při služební cestě na Madeiru se seznámil s Angličankou Frances Ann Bandyovou a roku 1874 se s ní oženil. Manželé Thomsonovi odjeli do Skotska, kde v obci Largs nedaleko Glasgowa nechal Thomson postavit útulný zámeček Netherhall.

 Za svou práci byl štědře odměněn. Roku 1851 se stal členem Royal Society, v letech 1890 až 1895 se stal také jejím prezidentem. Roku 1866 byl královnou Viktorií jmenován sirem a v roce 1892 byl královnou jmenován peerem a získal jméno lord Kelvin of Largs. Jméno Kelvin si zvolil podle říčky Kelvin obtékající glasgowskou univerzitu a Largs podle místa ve Skotsku, které leží v blízkosti jeho sídla. Profesorského místa na univerzitě v Glasgow se vzdal v roce 1899 a odešel na odpočinek na svůj zámek Netherhall. Zemřel 17. prosince 1907 v Londýně. Je pohřben ve Westminsterském opatství nedaleko Isaaca Newtona.

Zdroj: commons.wikimedia.com. Public domain.

Použité zdroje

[1] BOREC, T. Dobrý den, pane Ampére. 1. vydání. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1980. ISBN 14–031–81.

[2] JÁCHIM, F. William Thomson a pokroky v nauce o elektřině. Matematika Fyzika Informatika: časopis pro výuku na základních a středních školách, březen 2006, ročník 15, č. 7, s. 446–448. ISSN 1210–1761.

[3] RŮŽEK, J. William Thomson (lord Kelvin). Přemožitelé času 9.

[4] ŠAFRATA, S. Lord Kelvin – William Thomson (Ke stopadesátému výročí narození). Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 1974, roč. 19, č. 3, s. 121-126. ISSN 0032-2423.

[5] ŠTEFKOVÁ, M. William Thomson – Lord Kelvin. Irský matematik a fyzik. Referát.

[6] Encyklopedická edice, listy, fyzici. ISBN 80–860–44–05–X.