William Thomson, fizicianul care a dat lumii scara absolută a temperaturii

În 1847, la reuniunea anuală a British Association for the Advancement of Science de la Oxford, un tânăr savant care își câștigase deja reputația de spirit neliniștit și precoce a auzit o provocare care lovea în plin una dintre marile certitudini ale vremii. James Prescott Joule susținea că între căldură și lucrul mecanic există o echivalență reală, că una se poate converti în cealaltă. William Thomson a fost intrigat, dar nu convins. Tocmai aici începe adevărata lui poveste: nu cu liniștea unui adevăr gata făcut, ci cu o tensiune intelectuală care avea să-i organizeze întreaga operă.

Thomson trăia într-o epocă în care fizica își căuta încă unitatea. Electricitatea, căldura, lumina, mișcarea păreau domenii apropiate, dar nu încă legate printr-un limbaj comun. El a fost unul dintre oamenii care au încercat să pună ordine în acest teritoriu aflat în plină formare. A lucrat la analiza matematică a electricității, a avut un rol esențial în formularea primului și celui de-al doilea principiu al termodinamicii și a contribuit la apropierea dintre știință și tehnică într-un fel rar pentru vremea sa. De aceea, biografia lui nu poate fi spusă numai ca o succesiune de titluri și ani. Este istoria unui om care a vrut să măsoare exact lumea și care, în acest efort, a schimbat felul în care lumea era înțeleasă.

Copilul din Belfast și începutul unei minți neobișnuite

William Thomson s-a născut la 26 iunie 1824, la Belfast. Era fiul lui James Thomson, profesor de matematică și inginerie la Royal Belfast Academical Institution. Din acest nucleu familial pornește una dintre liniile de forță ale vieții sale: disciplina intelectuală. Tatăl său nu era numai profesor, ci și omul care i-a orientat educația cu o grijă constantă.

În 1832, James Thomson a fost numit profesor de matematică la University of Glasgow, iar familia s-a mutat acolo în octombrie 1833. Pentru William, schimbarea a însemnat intrarea într-un mediu mai larg, mai cosmopolit. A început să studieze la University of Glasgow în 1834, la vârsta de 10 ani. Nu pentru că ar fi fost tratat ca o curiozitate prodigioasă, ci pentru că universitatea oferea atunci și posibilități apropiate de ceea ce astăzi ar ține de ciclurile anterioare de formare pentru elevii capabili.

Încă din școală, Thomson a arătat interes pentru clasici, alături de atracția firească pentru științe. La 12 ani a câștigat un premiu pentru traducerea în engleză a textului Dialogues of the Gods de Lucian din Samosata. În anul universitar 1839-1840, a obținut premiul clasei la astronomie pentru eseul său despre forma Pământului. Aici se vede deja una dintre trăsăturile care îl vor defini: nu doar ușurința matematică, ci și înclinația de a lua o problemă mare și de a o aduce într-o formă analizabilă.

Un moment important al tinereții lui a fost întâlnirea intelectuală cu opera lui Joseph Fourier, Théorie analytique de la chaleur. Thomson s-a angajat să studieze matematica „continentală”, într-o lume britanică încă puternic influențată de tradiția lui Isaac Newton. Când lucrarea lui Fourier a fost atacată de Philip Kelland, Thomson a răspuns prin primul său articol științific publicat, semnat cu pseudonimul P.Q.R. Au urmat repede alte contribuții. În 1841, în timpul unei vacanțe cu familia la Lamlash, a scris studiul On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity. În acel text, a legat teoria matematică a conducerii căldurii de electrostatică, într-o analogie pe care James Clerk Maxwell avea să o considere una dintre ideile cele mai valoroase pentru formarea științei.

De la Cambridge la catedra de la Glasgow

În 1841, tatăl său l-a trimis la Peterhouse, Cambridge, cu recomandări solide și cu toate condițiile necesare unei educații de prim rang. Acolo, Thomson nu a fost un savant retras într-o singură disciplină. Era activ și în sport, atletism și canotaj, dar centrul vieții sale intelectuale a rămas știința. Matematica, fizica și mai ales electricitatea îi captivau imaginația.

Sub îndrumarea lui William Hopkins, a absolvit în 1845 ca al doilea wrangler și a câștigat primul Smith’s Prize, distincție legată de cercetarea originală. Tot în 1845, a oferit prima dezvoltare matematică a ideii lui Michael Faraday că inducția electrică se produce printr-un mediu intermediar, un dielectric, și nu printr-o misterioasă „acțiune la distanță”. A conceput și tehnica matematică a imaginilor electrice, care a devenit un instrument puternic pentru rezolvarea problemelor de electrostatică.

În iunie 1845 a fost ales fellow al St Peter’s. A petrecut apoi o perioadă în laboratorul lui Henri Victor Regnault, la Paris. Dar punctul decisiv a venit repede: în 1846, a fost numit profesor de filosofie naturală la University of Glasgow. Avea 22 de ani. Sursele păstrează imaginea simplă și puternică a acelui moment: un om foarte tânăr, în roba de profesor, predând într-una dintre cele mai vechi universități din țară, în fața unei clase din care făcuse parte el însuși cu doar câțiva ani înainte.

La Glasgow a rămas 53 de ani. A refuzat oferte de la mai multe universități de mare prestigiu și a ales să nu părăsească locul în care își construise laboratorul și autoritatea științifică. În 1899 s-a retras din acest post, dar legătura cu universitatea a continuat, iar în 1904 a devenit cancelar al University of Glasgow.

Momentul în care căldura a căpătat scară absolută

Dacă există un fir roșu în opera lui Thomson, acesta este încercarea de a înțelege riguros căldura. El a devenit celebru prin teoria temperaturii absolute. Tot lui i se atribuie numele de „termodinamică” și adjectivul „termodinamic”. În spatele acestor cuvinte stă o muncă densă, purtată ani la rând, cu ezitări, revizuiri și schimbări reale de poziție.

În 1848, nemulțumit de faptul că termometrul cu gaz oferea numai o definiție operațională a temperaturii, Thomson a propus o scară absolută a temperaturii. Ideea era radicală prin simplitate: o scară independentă de proprietățile fizice ale oricărei substanțe particulare. El a calibrat această scară folosind date publicate de Regnault. Tot el a determinat valoarea corectă aproximativă a lui zero absolut ca fiind de circa minus 273,15 grade Celsius sau minus 459,67 grade Fahrenheit.

Acest pas nu a fost un simplu exercițiu de nomenclatură. A însemnat mutarea temperaturii într-un cadru universal. De atunci, temperaturile absolute sunt exprimate în unități de kelvin, în onoarea lui Lord Kelvin. În secolul al XIX-lea, o asemenea idee însemna mai mult decât introducerea unei scări noi. Însemna promisiunea că fenomenele termice pot fi aduse la o ordine exactă, comparabilă, generală.

Drumul lui către această formulare a trecut prin controversa cu teoria calorică și prin dialogul, adesea epistolar, cu Joule. În 1849, Thomson a revenit critic asupra textului original al lui Carnot și și-a prezentat analiza la Royal Society of Edinburgh. Încă era convins că teoria de bază rămânea solidă. Dar, în următorii doi ani, a devenit tot mai nemulțumit de această poziție și tot mai convins de justețea lui Joule. În februarie 1851 a încercat să-și formuleze noua gândire. A rescris mult. A încercat să împace Carnot cu Joule. Din această muncă a ieșit una dintre formulările sale esențiale, o formă a celui de-al doilea principiu al termodinamicii.

It is impossible, by means of inanimate material agency, to derive mechanical effect from any portion of matter by cooling it below the temperature of the coldest of the surrounding objects.

Formula aceasta concentrează felul lui Thomson de a gândi: precis, sever, atent la limitele naturii, nu doar la posibilitățile ei. Tot în acest context a apărut și ideea că în lumea materială există o tendință către disiparea mișcării, către difuzie, către o degradare ireversibilă a energiei folosibile. Mai târziu, această linie de reflecție a fost legată de ceea ce sursele numesc ideea de „heat death”, moarte termică universală.

Între 1852 și 1856, colaborarea dintre Joule și Thomson a fost una fertilă. Joule făcea experimente, Thomson analiza rezultatele și sugera altele noi. Din această asociere a rezultat și efectul Joule-Thomson, care îi poartă numele. Thomson a publicat peste 650 de articole științifice și a solicitat 70 de brevete.

Cablul care trebuia să lege oceane

Există însă un alt teatru al vieții sale, mai puțin abstract și la fel de important: telegraful transatlantic. Aici, Thomson nu mai apare numai ca fizician și matematician, ci ca inginer, consultant, inventator și om al deciziilor luate sub presiune.

În 1854, George Gabriel Stokes i-a scris pentru a-i cere părerea despre experimentele lui Faraday privind cablul telegrafic transatlantic propus. Faraday arătase că structura unui astfel de cablu avea să limiteze viteza cu care mesajele puteau fi transmise. Thomson a intrat imediat în problemă și, chiar în acea lună, și-a publicat răspunsul. El a formulat rezultatele în termenii vitezei de transmitere a datelor și ai consecințelor economice pentru întreprindere. În 1855 a insistat din nou asupra faptului că proiectarea cablului avea să-i decidă rentabilitatea.

Poziția lui era clară: viteza semnalului într-un cablu dat era invers proporțională cu pătratul lungimii cablului. Calculele sale au fost contestate în 1856 de Wildman Whitehouse, electricianul Atlantic Telegraph Company. Disputa a ieșit din cercul specialiștilor și a intrat în spațiul public, inclusiv printr-o scrisoare publicată de Thomson în revista Athenaeum. El recomanda un conductor mai mare și o secțiune de izolație mai amplă. Totuși, nu îl considera pe Whitehouse un nepriceput; credea că acesta ar putea avea abilitatea practică de a face să funcționeze proiectul existent.

În decembrie 1856, Thomson a fost ales în consiliul director al Atlantic Telegraph Company. De aici înainte, nu mai era doar comentator. Era parte a unei întreprinderi uriașe.

În august 1857 s-a îmbarcat pe nava HMS Agamemnon. Whitehouse a rămas la uscat din cauza bolii, iar expediția s-a încheiat prost după ce cablul s-a rupt la 380 de mile, adică 610 kilometri. Thomson a contribuit atunci prin publicarea în Engineer a întregii teorii a tensiunilor implicate în așezarea unui cablu submarin. Nu era o teorie abstractă. Era instrumentul cu care se încerca stăpânirea unei operațiuni tehnice uriașe, în care fiecare eroare costa enorm.

El a dezvoltat și un sistem complet pentru operarea unui telegraf submarin, capabil să trimită un caracter la fiecare 3,5 secunde. A brevetat elementele esențiale ale acestui sistem, galvanometrul cu oglindă și sifonul înregistrator, în 1858. Whitehouse a continuat însă să-i ignore multe dintre sugestii. Schimbarea reală a venit abia când Thomson a convins consiliul că folosirea unui cupru mai pur pentru înlocuirea secțiunii pierdute a cablului ar îmbunătăți capacitatea de transmitere.

În 1858, consiliul a insistat ca Thomson să participe activ la noua expediție de așezare a cablului, fără compensație financiară. În schimb, el a obținut testarea galvanometrului său cu oglindă alături de aparatura lui Whitehouse. Accesul care i s-a oferit i s-a părut insuficient, iar Agamemnon a fost nevoită să se întoarcă acasă după o furtună dezastruoasă în iunie 1858. La Londra, consiliul era gata să abandoneze proiectul și să limiteze pierderile vânzând cablul. Thomson, Cyrus W. Field și Curtis Lampson au cerut o nouă încercare și au câștigat. Thomson susținea că problemele tehnice puteau fi rezolvate.

Cablul a fost completat la 5 august. Dar temerile lui Thomson s-au confirmat curând. Aparatura lui Whitehouse s-a dovedit insuficient de sensibilă și a trebuit înlocuită cu galvanometrul cu oglindă al lui Thomson. Whitehouse a deteriorat fatal cablul aplicând de la țărm, la Valentia Island, un șoc electric de înaltă tensiune. Când cablul a cedat complet, Whitehouse a fost concediat. Thomson s-a opus, a fost mustrat de consiliu și, mai târziu, a regretat că acceptase prea ușor multe dintre propunerile lui Whitehouse și că nu îl combătuse cu destulă fermitate.

A urmat o anchetă comună a Board of Trade și a companiei. Cea mai mare parte a vinei a fost pusă pe seama lui Whitehouse. În octombrie 1863, comitetul din care făcea parte și Thomson a prezentat recomandările pentru un nou cablu.

În iulie 1865, Thomson a navigat din nou, de această dată la bordul vasului SS Great Eastern. După 1.200 de mile, adică 1.900 de kilometri, cablul a fost pierdut și proiectul abandonat. Dar în 1866, o nouă încercare a reușit: un cablu nou a fost instalat în două săptămâni, iar apoi a fost recuperat și completat și cel din 1865. Publicul a salutat realizarea ca pe un triumf, iar Thomson a primit o mare parte din admirația generală. Pentru munca sa în proiectul telegrafului transatlantic a fost înnobilat cavaler în 1866 de regina Victoria, devenind Sir William Thomson.

Lord Kelvin și greutatea prestigiului

Prestigiul lui Thomson a crescut constant. În 1883 a primit medalia Copley a Royal Society of London. Din 1890 până în 1895 a fost președinte al Royal Society. În 1892 a devenit baron, fiind înnobilat tot de regina Victoria. A fost primul om de știință ridicat în House of Lords. Titlul său, Baron Kelvin, făcea trimitere la River Kelvin, care curge în apropierea laboratorului său de la University of Glasgow.

Din acel moment, William Thomson a devenit pentru contemporanii săi și mai mult decât un savant strălucit. Era o autoritate publică a științei victoriene. Avea faimă, avere și onoruri. Cariera sa ca inginer și inventator în domeniul telegrafului electric îl împinsese în prim-planul vieții publice.

Interesele lui s-au extins și spre navigație. A lucrat la busola marină, a cărei fiabilitate fusese până atunci limitată. În anii 1880 a încercat să perfecționeze compasul reglabil pentru a corecta erorile produse de deviația magnetică într-o epocă în care fierul era folosit tot mai mult în arhitectura navală. Sursele insistă că activitatea sa în acest domeniu a însemnat multă muncă de detaliu și o intensă campanie de susținere pentru acceptarea instrumentului său de către Admiralty.

Tot el a introdus o nouă metodă de sondare a adâncimii marine, folosind un fir de oțel de pian în locul liniei obișnuite. A adăugat și un manometru pentru a înregistra adâncimea plumbului. Era același spirit care apărea peste tot în opera sa: exactitate, măsură, instrument, verificare.

Pământul, timpul și limitele unei epoci

William Thomson a încercat să răspundă și la una dintre marile întrebări ale secolului: câți ani are Pământul? A folosit fizica răcirii pentru a face o estimare. Ideea nu era întâmplătoare. Venind din studiile sale despre forma Pământului și despre conducerea căldurii, alegerea acestei probleme era aproape firească.

Estimarea lui inițială, din 1864, plasa vârsta Pământului între 20 și 400 de milioane de ani. Incertitudinile veneau din necunoașterea exactă a temperaturii de topire a rocilor și a unor proprietăți termice ale acestora. De-a lungul anilor, și-a rafinat argumentele și a redus limita superioară de zece ori. În 1897, deja Lord Kelvin, s-a oprit la 20-40 de milioane de ani.

Pentru Thomson, această problemă era legată și de dezbaterile despre evoluție. După publicarea cărții lui Charles Darwin din 1859, el a considerat că o vârstă locuibilă relativ scurtă a Pământului contrazice explicația gradualistă a selecției naturale lente. S-a aflat astfel în dezacord public cu geologi și cu susținători ai lui Darwin, precum John Tyndall și Thomas Henry Huxley.

Estimarea lui Kelvin a fost însă serios contestată odată cu descoperirea radioactivității. Faptul că dezintegrarea radioactivă eliberează căldură a pus sub semnul întrebării calculele sale. Totuși, ele nu au fost răsturnate definitiv decât în 1907, odată cu dezvoltarea datării radiometrice a rocilor. Această parte a biografiei lui spune ceva important despre istoria științei: chiar și o minte excepțională poate ajunge la un răspuns greșit atunci când o piesă esențială a realității încă nu a fost descoperită.

Au existat și alte limite. Kelvin a fost sceptic la început față de razele X, până când a citit lucrarea lui Röntgen și a văzut fotografiile. A avut, de asemenea, o prognoză negativă pentru aviația mai grea decât aerul. Nu îi diminuează locul în istorie. Dimpotrivă, îl readuce în adevărata lui dimensiune: aceea a unui mare savant al secolului al XIX-lea, cu forțele și orizontul timpului său.

Ultimii ani și o moștenire care poartă un nume

În ultimii ani ai vieții, Thomson a continuat să călătorească, să lucreze și să ocupe poziții de prestigiu. În 1902 a fost numit membru al Privy Council și unul dintre primii membri ai noului Order of Merit. În 1906, International Electrotechnical Commission l-a ales primul său președinte la reuniunea preliminară de la Londra.

Locuia la Netherhall, un conac din Largs, pe care îl construise în anii 1870. Acolo a murit la 17 decembrie 1907, după ce starea i s-a agravat în noiembrie. Funeraliile au avut loc la Westminster Abbey, la 23 decembrie 1907. Mormântul său se află în navă, aproape de mormintele lui Isaac Newton, John Herschel și Charles Darwin. Apropierea aceasta are propria ei forță simbolică. Thomson intrase, la propriu, în panteonul științei britanice.

Astăzi, numele lui rămâne mai ales în unitatea temperaturii absolute, kelvinul. Dar moștenirea lui este mai largă. A fost matematician, fizician matematic și inginer. A lucrat asupra electricității, a construit instrumente de măsură, a avut un rol hotărâtor în termodinamică, a participat direct la una dintre marile infrastructuri tehnice ale secolului și a făcut din rigoarea măsurării o formă de putere intelectuală. În lumea pe care a lăsat-o în urmă, căldura nu mai era doar un fenomen familiar. Era o mărime așezată pe o scară absolută. Iar aceasta poartă încă numele lui.