19 世纪的开尔文勋爵怎样创新改变世界

“是什么促使您投身于天体物理学领域？”在推广活动中，这是我经常被问到的一个问题，而我的回答是，指出我早年对于探索我们宇宙重大问题的那份热情。嗯，还有在容易受影响的年纪观看了《星球大战》。

这种对基础科学的迷恋是许多初露锋芒的科学家常走的道路。了解诸如广义相对论（描述大尺度宇宙）和量子物理学（主宰原子和粒子的微观世界）等令人惊叹的领域，是激发年轻人思维的有力途径。

然而，对于许多其他人而言，通往物理学的道路（仿若地狱之路）是由美好的意图铺就的。激发他们热情的，与其说是宇宙的深邃奥秘，倒不如说是运用最新科学来解决社会问题和全球挑战——从健康不平等到气候紧急状况。

然而，这种研究与创新的双轨模式——全球各地研究委员会和资助机构当代使命的核心——并不像其表面看起来那般现代。今年是威廉·汤姆森诞辰两百周年，又名开尔文勋爵，可以说是 19 世纪乃至更久远最有影响力的科学家。他擅长将基础发现与社会和商业影响相结合。

汤姆森在格拉斯哥大学担任自然哲学教授达 53 年之久，对物理学、数学和工程学作出了至今仍具影响力的革命性贡献。

他或许最为人所知的是其在能量和热力学定律方面所做的工作，热力学是关于热和功的科学，这些定律常被誉为自然界最不可打破的定律。据报道，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）在 20 世纪 20 年代宣称，热力学在自然法则中占据着至高无上的地位，并补充道：“如果你的理论被发现违反热力学第二定律，我无法给你任何希望；除了在极度羞辱中崩溃，别无他法。”

热力学在现代物理学中仍然发挥着核心作用，支撑着信息科学、量子力学、宇宙学甚至生命和意识理论的研究。事实上，它与广义相对论和量子力学一样，是现代物理学的基石。任何最终的“万物理论”都需要与热力学定律相一致。

也许汤姆森最著名的发现是温度标度上的绝对零度概念，该温度以他在 1892 年获得的头衔开尔文（Kelvin）命名。但是，当我们超越他在热力学方面的工作时，他的成就不仅因其广度，而且因其多样性而引人注目。它们涵盖了从解决当时最大研究问题的理论突破到推动工业和商业创新的实际发明。

是什么让汤姆森如此成功？我认为他的研究和发现方法中有三个关键方面，使他成为了一位永恒的科学家。

首先，他有着卓越的数学才能。这与他对数学用于阐释自然世界这一力量的深刻赞赏相结合——在他的整个职业生涯中，他大量地借助了这种力量。这在一句被认为是汤姆森所说的深刻话语中得以体现：“数学在描述宇宙方面做得如此出色这一事实是一个我们不理解的谜团，也是一笔我们可能永远无法偿还的债务。”

但汤姆森绝非仅仅是一位杰出的数学家。他还明白精确的测量和量化是科学进步的重要工具——这一观点在他 1889 年的著作《通俗讲座与演讲》中有所展露。他写道：“当你能够测量你所谈论的东西并用数字表达出来时，你就对它有所了解。”

汤姆森一生发明精巧科学仪器的天赋使他获得了 70 项专利，促成了数十项科学方面的突破，并使他成为一位非常成功的企业家。

第三，汤姆森有着出色的“跳出框框”思考的能力，能够以一种全新的方式去看待问题。对我来说，没有比汤姆森在铺设第一条跨大西洋电报电缆方面的工作更能彰显这种有远见思考的例子了。这是一个巨大的技术挑战，被描述为 19 世纪的“阿波罗计划”。

它对维多利亚时代世界的变革之深刻，犹如互联网和移动通信对我们当今世界的改变。

毫不夸张地说，汤姆森的天赋对 1865 年首次成功的电缆铺设探险起到了重要作用。

汤姆森对热传递和电传输之间相似性的理解，让他能够模拟电脉冲沿着海底电缆传输时是如何失真的。

他没有采用更强的信号（因为这需要更重、更昂贵的电缆），而是 发明了仪器，能够精确测量以莫尔斯电码传输的极其微弱的电信号。

这些在本质上是现代喷墨打印机的前身。

这些发明改变了游戏规则，因此，全球通信被永远地改变了。

正因如此，汤姆森于 1866 年首次被封为爵士，随后在 1892 年获封贵族，成为开尔文勋爵——他是首位获此殊荣的科学家之一。汤姆森将超精密技术与前沿理论精妙结合，以探测极其微弱的信号，这与我们的LIGO 激光干涉仪的情况产生了强烈共鸣，LIGO 激光干涉仪是有史以来最灵敏的科学仪器。正是这样的结合促成了 2015 年对被称为引力波的时空涟漪的发现，并因此获得了诺贝尔奖。

黑洞和引力波相关的科学技术无疑属于爱因斯坦物理学的后开尔文领域。但我认为，这个领域——以及它所促成的变革性量子技术——从威廉·汤姆森的开创性范例中获取了灵感，他将基础研究与创新相结合，改变了世界。