W
illiam Thomson sinh năm 1824, là nhà vật lý, toán học, nhà phát minh vĩ đại người Scotland, giáo sư Đại học Glasgow, Scotland. Ông được phong tước vị Hoàng gia Anh là Huân tước Kelvin (lấy theo tên dòng sông Kelvin chảy qua trường Glasgow) vì những đóng góp vĩ đại của ông cho sự phát triển khoa học kỹ thuật cũng như sự lớn mạnh của trường Glasgow. Tên Kelvin của ông cũng được đặt cho thang nhiệt độ tuyệt đối.
William Thomson sinh ngày 26 tháng 6 năm 1824 tại Belfast, Bắc Ireland, trong một gia đình trí thức, bố là giáo viên dạy toán và kỹ thuật tại Học viện Hoàng gia Belfast. Mẹ mất khi William Thomson mới được 6 tuổi. William cùng với anh trai được bố dạy học tại nhà. Năm 1832, James Thomson, bố của William được bổ nhiệm làm giáo sư toán học tại Đại học Glasgow và cả gia đình đã chuyển đến sinh sống ở Glasgow, một thành phố công nghiệp phát triển của Vương quốc Anh.
William Thomson bị mắc bệnh tim và đã từng suýt chết năm lên 9 tuổi. Năm 1934, William bắt đầu học đại học tại Đại học Glasgow khi mới chỉ tròn 10 tuổi. Năm 1839, John Pringle Nichol, một giáo sư thiên văn học của khoa Triết học tự nhiên (sau này là Khoa Vật lý và Thiên văn, Đại học Glasgow) được bổ nhiệm vào ghế chủ tịch hội đồng triết học tự nhiên của trường, đã giới thiệu các công trình toán học của Jean Baptiste Joseph Fourier, và toán học đã thực sự gây ấn tượng mạnh với William Thomson.
Theo các câu chuyện kể lại, năm lên 8 tuổi, William đã theo bố đến lớp học, ngồi nghe giảng bài. Năm 10 tuổi, cậu chính thức được nhận là sinh viên của trường. Có những lúc người bố đặt ra một câu hỏi hóc búa, cả lớp còn đang ngồi cắn bút thì nghe thấy tiếng William van nài: “Bố cho con trả lời đi nào, con xin bố, cho con trả lời đi!” Và câu trả lời gãy gọn, chính xác của cậu bé làm cho cả lớp ngạc nhiên. Năm 15 tuổi, William Thomson đã có những bài báo khoa học được công bố. Trong một số bài báo, cậu phê phán những công trình của Kenlan, giáo sư trường Đại học Edinburg. Giáo sư Kenlan không lấy đó làm giận, mà còn viết thư gửi cho bố của William Thomson “… Những công trình của con trai ông chẳng bao lâu nữa sẽ đưa cậu ấy lên ngang tầm các nhà Toán học châu Âu”.
Tuy vậy, William Thomson không phải chỉ biết vùi đầu vào sách vở. Khi còn học ở Scotland, những buổi đi lễ nhà thờ hai anh em cậu còn ngấm ngầm đùa nghịch và cười khúc khích khiến cha đạo phải bực mình. Học xong ở Glassgow, William Thomson được đi học thêm ở trường Đại học Cambridge. Chàng sinh viên William Thomson là người chơi kèn đồng trong ban nhạc của trường, và cũng là một vận động viên bơi sải loại xuất sắc. Sau này, khi đã là giáo sư, William thường mang kèn đồng vào lớp thổi để minh họa tính chất của âm thanh trong giờ dạy về âm học, khiến sinh viên vô cùng thích thú. Mỗi khi trở lại trường Đại học Cambridge, ông lại tham gia biểu diễn trong ban nhạc hoặc trong đội bơi sải của trường.
Năm 22 tuổi, William Thomson được cử làm giáo sư trường Đại học Glassgow, giữ chức vụ chủ nhiệm bộ môn Vật lý ở trường suốt 53 năm, từ năm 1846 đến năm 1899. Khi đó bộ môn vật lý còn được gọi là bộ môn triết học tự nhiên. Sinh viên học môn triết học tự nhiên là những người được đào tạo trở thành các luật gia, các bác sĩ, và chủ yếu là các tu sĩ. Họ học triết học tự nhiên chỉ vì đó là một trong những môn thi để được nhận bằng tốt nghiệp.
Lúc tới nhậm chức, William Thomson thấy bộ môn vật lý ở đây thực sự bi đát. Các dụng cụ thí nghiệm đều cổ lỗ, phần lớn được chế tạo từ hơn 100 năm trước. Chúng được dùng để làm thí nghiệm biểu diễn, minh họa cho bài giảng trên lớp. Ở đây thầy hoàn toàn không làm công tác nghiên cứu, trò không làm thí nghiệm thực hành. Ngay lập tức William Thomson nhanh chóng lắp ráp một số dụng cụ để làm thí nghiệm nghiên cứu tính chất động lực học của các chất. Ông mời một vài sinh viên đến phụ việc cho mình. Họ vui vẻ đến phòng thí nghiệm lúc đầu chỉ do tò mò, muốn sử dụng thời gian rảnh rỗi một cách thú vị. Họ đã không thất vọng, và công việc nghiên cứu bắt đầu cuốn hút họ. Nhiều sinh viên khác thấy bạn mình làm công tác nghiên cứu, cũng tự nguyện xin tham gia. Không còn việc gì để giao cho họ trong phạm vi đề tài của mình, William Thomson đã cố tìm mọi cách để nêu lên những đề tài nhỏ khác và thu hút sinh viên vào các nhóm nghiên cứu.
Lúc đầu nhà trường dành cho họ mấy giảng đường cũ để làm phòng thí nghiệm. Nhưng khi số sinh viên tình nguyện lên tới vài chục người và tiếp tục tăng thêm, William Thomson đã phải xin trường cho thêm một căn hầm cũ, trước dùng để chứa rượu vang, nay đã bỏ không và một phần căn nhà tập thể cũ của các giáo sư, nay sửa thành lớp học. Những căn phòng chắp vá, cũ kĩ như vậy đã là phòng thí nghiệm của giáo sư Thomson suốt hơn 20 năm. William Thomson đặt mua thêm dụng cụ thí nghiệm ở nước ngoài. Đồng thời ông cũng tự tay thiết kế các dụng cụ mới và chỉ đạo xưởng trường chế tạo các dụng cụ đó. Một giáo sư nổi tiếng ở trường Đại học Edinburg đã viết: “Ở Glassgow, trong điều kiện không thuận lợi bằng các phòng thí nghiệm của tôi, các sinh viên của Thomson trong mấy năm đã thực hiện được nhiều công trình nghiên cứu tuyệt vời”.
Năm 1870, trường Đại học Glassgow chuyển sang một trụ sở mới, ở đó có những phòng thí nghiệm nghiên cứu rộng rãi và khang trang. Phòng thí nghiệm và nhà của Thomson là những nơi đầu tiên của nước Anh được thắp sáng bằng điện. Xưởng trường đã phát triển thành một nhà máy nhỏ, chiếm hẳn một tòa nhà nhiều tầng. Xưởng trường và phòng thí nghiệm được nối với nhau bằng dây điện thoại đầu tiên của nước Anh. William Thomson thường xuyên lui tới xưởng trường để bàn bạc và chỉ đạo công việc. Thomson rất gắn bó với trường Glassgow. Ông đã được mời giữ những chức vụ quan trọng hơn, như giám đốc phòng thí nghiệm hoặc hiệu trưởng trường Đại học Edinburg, nhưng ông đều từ chối.
Nhiều sinh viên của Thomson cũng rất gắn bó với thầy. Có tới ¾ số sinh viên của ông đã trở thành các tu sĩ, nhưng nhiều người trong số họ tiếp tục theo đuổi sự nghiệp khoa học, và trở thành những nhà vật lý nghiệp dư.
John Kerer là một trong số các sinh viên tình nguyện giúp Thomson xây dựng phòng thí nghiệm khi ông mới tới Glassgow. Sau khi tốt nghiệp, Kerer đã trở thành một cha đạo cai quản nhà thờ ở Scotland, nhưng vẫn giữ quan hệ với thầy và tiếp tục theo đuổi môn vật lý và cuối cùng Kerer đã từ bỏ việc thờ phụng chúa, trở thành một nhà bác học, một người bạn thân thiết suốt đời của Thomson.
Hoạt động khoa học của Thomson hết sức phong phú và đa dạng. Ông đã có những đóng góp quý giá trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau: nhiệt động lực học, điện báo, thủy động lực học, hàng hải, điện học, từ học, nhiệt học. Không chỉ tiến hành các nghiên cứu lý thuyết, ông còn khảo sát cả mặt kĩ thuật, và giải quyết nhiều vấn đề kĩ thuật một cách sắc sảo. Các nhà khoa học đương thời coi ông là nhà vật lý và nhà kĩ thuật điện vĩ đại nhất thế giới. Tiền bản quyền sáng chế và tiền thù lao về tư vấn kĩ thuật mà ông thường xuyên nhận được còn lớn hơn lương của giáo sư, khiến ông sống một cuộc đời thoải mái, chia sẻ giữa nghiên cứu khoa học và du lịch khắp đó đây, mua cho riêng mình một du thuyền cỡ lớn, đắt tiền.
Khi còn trẻ, ông đã suy nghĩ đến khả năng truyền tín hiệu đi xa bằng điện. Ông đã tham gia chiến dịch đặt đường dây điện báo xuyên Đại Tây Dương từ Anh sang Mỹ. Năm 1858, đường dây đã đặt xong và truyền đi bản điện báo đầu tiên. Nhưng chưa được 1 tháng, đường dây cáp đã hỏng. Thomson bắt tay vào tính toán lại để thiết kế một đường dây cáp khác. Ông đã thực hiện rất nhiều phép đo điện trong điện dung, sáng chế ra nhiều kiểu máy phát tín hiệu khác nhau, thiết kế nhiều kiểu điện kế rất nhạy ghi được tín hiệu điện rất yếu. Ông hay đi tàu ra ngoài biển để theo dõi công việc và kiểm tra lại những giải pháp kĩ thuật của mình. Năm 1866, một đường dây mới được hoàn thành và đã hoạt động ổn định. Đồng thời với công trình kĩ thuật đồ sộ này, Thomson đã góp phần đáng kể vào việc xây dựng hệ đơn vị đo điện và từ.
Để ghi nhớ công lao to lớn này, Hội đồng thành phố Glassgow đã bầu Thomson làm công dân danh dự của thành phố, và phong tước Hiệp sĩ cho ông.
Trong những chuyến đi khảo sát ra biển, William Thomson có dịp quan sát công việc của người thủy thủ. Ông quan tâm đến những vấn đề hàng hải, tìm cách giải quyết những khó khăn để việc điều khiển con tàu được chính xác và an toàn. Ông đã phát minh ra nhiều dụng cụ hàng hải, trong đó có dụng cụ đo độ sâu (bằng hiệu ứng tiếng vọng) và thủy triều kí (tự ghi mức thủy triều). Quan trọng hơn là ông đã cải tiến la bàn đi biển.
Trước đó, la bàn đi biển là một dụng cụ rất thô sơ và thiếu chính xác. Sự tròng trành của con tàu và cách bố trí các đồ vật, các khí cụ trên tàu làm ảnh hưởng đến vị trí của kim nam châm. Thomson đã tìm ra những biện pháp hữu hiệu để loại trừ các ảnh hưởng đó, làm cho la bàn đạt độ chính xác cao, bảo đảm sự an toàn của con tàu. Một sĩ quan hàng hải đã nói: “Từ nay, mỗi thủy thủ tối nào cũng phải cầu nguyện cho ngài Thomson”.
Trong lĩnh vực điện từ và nhiệt điện, William Thomson cũng có những phát minh quan trọng. Sau này Joseph John Thomson đã nói: “Vô tuyến điện báo, vô tuyến điện thoại, vô tuyến truyền thanh ngày nay đều phụ thuộc vào những kết quả nghiên cứu mà William Thomson đã công bố năm 1853”. Trong công trình đó, William Thomson đã tìm ra nghiệm của phương trình cường độ dòng điện của mạch dao động tắt dần. Trong đó, trường hợp riêng, khi trường hợp mạch dao động tắt dẫn rất chậm, tần số sao động của mạch được xác định bởi một công thức hiện nay được gọi là công thức Thomson:
Vì công lao này, nữ hoàng Anh đã phong cho ông danh vị cao quý Huân tước. Trước đây, người được phong danh vị Huân tước cũng được triều đình phong đất, và lấy tên đó làm tên gọi cho mình. Lúc này nước Anh đang công nghiệp hóa, Nữ hoàng Anh không có đất để phong cho ông, nhưng ông được quyền chọn cho mình một tên gọi. Ông cùng những người thân bàn bạc, và nửa đùa nửa thật cân nhắc xem nên lấy là Huân tước Dây cáp hay Huân tước La bàn. Cuối cùng ông đã chọn tên dòng sông Kelvin chảy ngay bên cạnh trường Đại học Glassgow, nơi ông gắn bó hầu như cả cuộc đời mình. Và từ nay, mọi người gọi ông theo danh hiệu quý tộc là Huân tước Kelvin.
Trong lịch sử vật lý, nhiệt động lực học được xây dựng do công lao của nhiều nhà khoa học, nhưng Thomson đóng vai trò nổi bật hơn cả. Từ đầu thế kỷ XIX, Carnot đã chứng minh rằng muốn cho một động cơ nhiệt hoạt động được, phải có sự truyền nhiệt từ nguồn nóng sang nguồn lạnh. Làm thế nào để tăng được hiệu suất? Carnot không tìm được công thức cụ thể tính hiệu suất nhưng ông chứng minh được hiệu suất bao giờ cũng nhỏ hơn một giá trị hiệu suất nào đó do nhiệt độ nguồn nóng và nguồn lạnh xác định được
Dựa vào định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng được phát minh vào đầu những năm 40, Claudeuse và Thomson đã chứng minh rằng một động cơ nhiệt hoạt động, tác nhân thu được từ nguồn nóng nhiệt lượng Q1 và truyền cho nguồn lạnh nhiệt lượng Q2, công mà nó sinh ra đúng bằng A=Q1-Q2. Claudeuse và Thomson cũng đã tìm ra được công thức tính hiệu suất của động cơ nhiệt lý tưởng. Công thức đó hiện nay được gọi là công thức Carnot, hoặc công thức của định lý Carnot, nhưng William Thomson mới là người tìm ra nó.
Ở thời của Thomson, các nhà khoa học đã đề xuất hơn chục thang nhiệt độ khác nhau, mỗi thang dựa vào sự nở vì nhiệt của một chất cụ thể nào đó (nước, rượu, thủy ngân) gọi là vật nhiệt biểu. Vì vậy một nhiệt độ cụ thể cần đo được xác định bằng những số đo khác nhau khi dùng các thang nhiệt độ khác nhau.
Công thức trên áp dụng cho mọi loại động cơ nhiệt khác nhau, với mọi loại tác nhân. Thomson tìm cách xây dựng một thang nhiệt độ tuyệt đối có thể dùng để xác định mức độ nóng lạnh của mọi vật mà không phụ thuộc vào một vật nhiệt biểu cụ thể nào.
Những khảo sát của Thomson đã chứng minh rằng có thể dùng nhiệt kế khí để thành lập thang nhiệt độ tuyệt đối. Nếu thể tích chất khí trong nhiệt kế khí là không đổi thì áp suất của nó tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của nó khá chính xác.
Để ghi nhớ công lao của Thomson, thang nhiệt độ tuyệt đối như trên được gọi là thang nhiệt độ Kelvin. Trong hệ đơn vị quốc tế SI, đơn vị đo nhiệt độ cũng được gọi là Kelvin (K).
Trong nhiệt động lực học, người ta nhất loạt sử dụng thang nhiệt độ Kelvin trong mọi phương trình, công thức. Trong đời sống hàng ngày, theo thói quen, người ta vẫn sử dụng thang nhiệt Celsius. Sự thành lập nhiệt giai Kelvin được coi là một đóng góp lớn của Thomson đối với nhiệt động lực học và vật lý học nói chung.