William Thomson, 1er baron Kelvin - William Thomson, 1st Baron Kelvin

Le Seigneur Kelvin
Lord Kelvin photographie.jpg
Président de la Société Royale
En fonction du
1er décembre 1890 au 30 novembre 1895
Précédé par Sir George Stokes
succédé par Le Seigneur Lister
Détails personnels
Née ( 1824-06-26 )26 juin 1824
Belfast , Irlande
Décédés 17 décembre 1907 (1907-12-17)(83 ans)
Largs , Ayrshire , Écosse
Nationalité Britanique
Parti politique Libéral (1865-1886)
Libéral unioniste (à partir de 1886)
Conjoint(s)
Marguerite Crum
( M.  1852; mort 1870)

Françoise Blandy
( M.  1874⁠-⁠1907)
Enfants Rien
Résidence Belfast ; Glasgow ; Cambridge ; Londres
Signature
mère nourricière
Connu pour
Récompenses
Carrière scientifique
Établissements Université de Glasgow
Conseillers académiques William Hopkins
Étudiants notables William Edward Ayrton
Influences
Influencé Andrew Gray
On pense que le "PNP" dans sa signature signifie "Professeur de philosophie naturelle". A noter que Kelvin a également écrit sous le pseudonyme "PQR"

William Thomson, 1er baron Kelvin , OM , GCVO , PC , PRS , FRSE (26 juin 1824 - 17 décembre 1907) était un mathématicien , physicien mathématicien et ingénieur britannique né à Belfast . Professeur de philosophie naturelle à l' Université de Glasgow pendant 53 ans, il a effectué des travaux importants dans l' analyse mathématique de l'électricité et la formulation des première et deuxième lois de la thermodynamique , et a beaucoup contribué à unifier la discipline émergente de la physique dans sa forme moderne. Il a reçu la Société royale de médaille Copley en 1883, a été le président 1890-1895, et en 1892 a été le premier scientifique britannique à être élevé à la Chambre des Lords .

Les températures absolues sont indiquées en unités de Kelvin en son honneur. Alors que l'existence d'une limite inférieure de température ( zéro absolu ) était connue avant ses travaux, Kelvin est connu pour avoir déterminé sa valeur correcte à environ -273,15 degrés Celsius ou -459,67 degrés Fahrenheit . L' effet Joule-Thomson est également nommé en son honneur.

Il a travaillé en étroite collaboration avec le professeur de mathématiques Hugh Blackburn dans son travail. Il a également eu une carrière d' ingénieur et d'inventeur en télégraphe électrique , ce qui l'a propulsé aux yeux du public et a assuré sa richesse, sa renommée et son honneur. Pour son travail sur le projet de télégraphe transatlantique, il fut fait chevalier en 1866 par la reine Victoria , devenant Sir William Thomson. Il avait de vastes intérêts maritimes et était surtout connu pour son travail sur la boussole du marin , qui avait auparavant une fiabilité limitée.

Il a été anobli en 1892 en reconnaissance de ses réalisations en thermodynamique et de son opposition à l' Irish Home Rule , devenant le baron Kelvin, de Largs dans le comté d'Ayr . Le titre fait référence à la rivière Kelvin , qui coule près de son laboratoire à la maison Gilmorehill de l'Université de Glasgow à Hillhead . Malgré des offres de postes élevés de plusieurs universités de renommée mondiale, Kelvin a refusé de quitter Glasgow, restant jusqu'à sa retraite éventuelle de ce poste en 1899. Actif dans la recherche et le développement industriels, il a été recruté vers 1899 par George Eastman pour servir de vice-président du conseil d'administration de la société britannique Kodak Limited, affiliée à Eastman Kodak . En 1904, il devint chancelier de l'université de Glasgow .

Sa maison était le manoir de grès rouge Netherhall, à Largs, qu'il a construit dans les années 1870 et où il est mort. Le Hunterian Museum de l'Université de Glasgow présente une exposition permanente sur le travail de Kelvin, y compris nombre de ses papiers, instruments et autres objets originaux, tels que sa pipe.

Jeunesse et travail

Famille

Arbre généalogique de Thomson : James Thomson (mathématicien) , James Thomson (ingénieur) et William Thomson, étaient tous professeurs à l'Université de Glasgow ; les deux derniers, grâce à leur association avec William Rankine , un autre professeur de Glasgow, ont travaillé pour former l'une des écoles fondatrices de la thermodynamique .

Le père de William Thomson, James Thomson , était professeur de mathématiques et d'ingénierie à la Royal Belfast Academical Institution et fils d'agriculteur. James Thomson a épousé Margaret Gardner en 1817 et, de leurs enfants, quatre garçons et deux filles ont survécu à la petite enfance. Margaret Thomson est décédée en 1830 alors que William avait six ans.

William et son frère aîné James ont été instruits à la maison par leur père tandis que les plus jeunes garçons ont été instruits par leurs sœurs aînées. James devait bénéficier de la majeure partie des encouragements, de l'affection et du soutien financier de son père et était préparé à une carrière d'ingénieur.

En 1832, son père est nommé professeur de mathématiques à Glasgow et la famille s'y installe en octobre 1833. Les enfants Thomson découvrent une expérience cosmopolite plus large que l'éducation rurale de leur père, passant la mi-1839 à Londres et les garçons reçoivent des cours de français à Paris. Une grande partie de la vie de Thomson au milieu des années 1840 s'est déroulée en Allemagne et aux Pays - Bas . L'étude des langues a reçu une priorité élevée.

Sa sœur, Anna Thomson, était la mère de James Thomson Bottomley FRSE (1845-1926).

Jeunesse

Thomson a eu des problèmes cardiaques et a failli mourir à l'âge de 9 ans. Il a fréquenté la Royal Belfast Academical Institution , où son père était professeur au département universitaire, avant de commencer ses études à l'université de Glasgow en 1834 à l'âge de 10 ans, non par précocité ; l'Université a fourni de nombreuses installations d'une école primaire pour les élèves capables, et c'était un âge de départ typique.

À l'école, Thomson a montré un vif intérêt pour les classiques ainsi que son intérêt naturel pour les sciences. À l'âge de 12 ans, il a gagné un prix pour traduire Lucien de Samosate de Dialogues des Dieux du latin à l' anglais.

Au cours de l'année universitaire 1839/1840, Thomson a remporté le prix de la classe en astronomie pour son Essai sur la figure de la Terre qui a montré une facilité précoce pour l'analyse mathématique et la créativité. Son professeur de physique à cette époque était son homonyme, David Thomson .

Tout au long de sa vie, il travaillera sur les problèmes soulevés dans l'essai comme une stratégie d' adaptation pendant les périodes de stress personnel . Sur la page de titre de cet essai Thomson a écrit les lignes suivantes de Alexander Pope de » Essai sur l' homme . Ces lignes ont inspiré Thomson à comprendre le monde naturel en utilisant le pouvoir et la méthode de la science :

Va, créature merveilleuse ! monter là où la science guide;
Allez mesurer la terre, peser l'air et indiquer les marées ;
Instruisez les planètes dans quels orbes exécuter,

Corrigez l'ancien temps et réglez le soleil;

Thomson est devenu intrigué par la Théorie analytique de la chaleur de Fourier et s'est engagé à étudier les mathématiques « continentales » auxquelles résistait un établissement britannique travaillant toujours dans l'ombre de Sir Isaac Newton . Sans surprise, le travail de Fourier avait été attaqué par des mathématiciens nationaux, Philip Kelland auteur d'un livre critique. Le livre a motivé Thomson à écrire son premier article scientifique publié sous le pseudonyme PQR , défendant Fourier, et soumis au Cambridge Mathematical Journal par son père. Un deuxième article PQR a suivi presque immédiatement.

Pendant ses vacances avec sa famille à Lamlash en 1841, il écrivit un troisième article PQR plus substantiel sur le mouvement uniforme de la chaleur dans les corps solides homogènes et son lien avec la théorie mathématique de l'électricité . Dans l'article, il a établi des liens remarquables entre les théories mathématiques de la conduction thermique et de l' électrostatique , une analogie que James Clerk Maxwell devait finalement décrire comme l'une des idées scientifiques les plus précieuses .

William Thomson, 22 ans
Le méandre de la rivière Kelvin contenant le campus néo-gothique Gilmorehill de l'Université de Glasgow conçu par George Gilbert Scott , dans lequel l'université a déménagé dans les années 1870 (photographie des années 1890)

Cambridge

Le père de William a pu faire une provision généreuse pour l'éducation de son fils préféré et, en 1841, l'a installé, avec de nombreuses lettres d'introduction et un logement suffisant, à Peterhouse, Cambridge . Pendant son séjour à Cambridge, Thomson était actif dans les sports, l'athlétisme et l' aviron , remportant le Colquhoun Sculls en 1843. Il s'intéressa également vivement aux classiques, à la musique et à la littérature ; mais le véritable amour de sa vie intellectuelle était la poursuite de la science. L'étude des mathématiques , de la physique, et en particulier, de l'électricité, avait captivé son imagination. En 1845, Thomson obtient son diplôme de Second Wrangler . Il remporte également le First Smith's Prize , qui, contrairement aux tripos , est une épreuve de recherche originale. Robert Leslie Ellis , l'un des examinateurs, aurait déclaré à un autre examinateur « Vous et moi sommes sur le point de réparer ses plumes ».

En 1845, il a donné le premier développement mathématique de l' idée de Michael Faraday selon laquelle l'induction électrique a lieu par l'intermédiaire d'un milieu intermédiaire, ou "diélectrique", et non par une "action à distance" incompréhensible. Il a également conçu la technique mathématique des images électriques, qui est devenue un agent puissant pour résoudre les problèmes d'électrostatique, la science qui traite des forces entre les corps chargés électriquement au repos. C'est en partie en réponse à ses encouragements que Faraday entreprit en septembre 1845 les recherches qui menèrent à la découverte de l' effet Faraday , qui établit que les phénomènes lumineux et magnétiques (et donc électriques) étaient liés.

Il fut élu membre de Saint-Pierre (comme on appelait souvent Peterhouse à l'époque) en juin 1845. Après avoir obtenu la bourse, il passa quelque temps dans le laboratoire du célèbre Henri Victor Regnault , à Paris ; mais en 1846, il fut nommé à la chaire de philosophie naturelle de l' Université de Glasgow . A vingt-deux ans, il se retrouve vêtu de la toge d'un professeur dans l'une des plus anciennes universités du pays, et donnant des conférences à la classe dont il était un étudiant de première année quelques années auparavant.

Thermodynamique

En 1847, Thomson avait déjà acquis une réputation de scientifique précoce et non-conformiste lorsqu'il assista à la réunion annuelle de la British Association for the Advancement of Science à Oxford . Lors de cette réunion, il a entendu James Prescott Joule faire une autre de ses tentatives, jusqu'à présent, inefficaces pour discréditer la théorie calorique de la chaleur et la théorie du moteur thermique construite sur elle par Sadi Carnot et Émile Clapeyron . Joule a plaidé pour la convertibilité mutuelle de la chaleur et du travail mécanique et pour leur équivalence mécanique.

Thomson était intrigué mais sceptique. Bien qu'il ait estimé que les résultats de Joule exigeaient une explication théorique, il s'est retiré dans un engagement encore plus profond envers l'école Carnot-Clapeyron. Il a prédit que le point de fusion de la glace doit chuter avec la pression , sinon son expansion au gel pourrait être exploitée dans un mobile perpétuel . La confirmation expérimentale dans son laboratoire a beaucoup contribué à renforcer ses croyances.

En 1848, il étendit davantage la théorie de Carnot-Clapeyron à cause de son mécontentement que le thermomètre à gaz ne fournissait qu'une définition opérationnelle de la température. Il a proposé une échelle de température absolue dans laquelle une unité de chaleur descendant d'un corps A à la température T ° de cette échelle, à un corps B à la température ( T −1)°, donnerait le même effet mécanique [travail] , quel que soit le nombre T . Une telle échelle serait tout à fait indépendante des propriétés physiques de toute substance spécifique. En employant une telle "cascade", Thomson a postulé qu'un point serait atteint auquel aucune autre chaleur (calorique) ne pourrait être transférée, le point de zéro absolu sur lequel Guillaume Amontons avait spéculé en 1702. "Réflexions sur le pouvoir moteur de la chaleur ", publié par Carnot en français en 1824, l'année de la naissance de Lord Kelvin, utilisait -267 comme estimation de la température du zéro absolu. Thomson a utilisé les données publiées par Regnault pour calibrer sa balance par rapport aux mesures établies.

Dans sa publication, Thomson a écrit :

... La conversion de la chaleur (ou calorique ) en effet mécanique est probablement impossible, certainement inconnue

— Mais une note de bas de page signalait ses premiers doutes sur la théorie calorique, faisant référence aux découvertes très remarquables de Joule . Étonnamment, Thomson n'a pas envoyé à Joule une copie de son article, mais quand Joule l'a finalement lu, il a écrit à Thomson le 6 octobre, affirmant que ses études avaient démontré la conversion de la chaleur en travail mais qu'il prévoyait d'autres expériences. Thomson a répondu le 27 octobre, révélant qu'il planifiait ses propres expériences et espérait une réconciliation de leurs deux points de vue.

Thomson est revenu critiquer la publication originale de Carnot et a lu son analyse à la Royal Society of Edinburgh en janvier 1849, toujours convaincu que la théorie était fondamentalement solide. Cependant, bien que Thomson n'ait mené aucune nouvelle expérience, au cours des deux années suivantes, il est devenu de plus en plus insatisfait de la théorie de Carnot et convaincu de celle de Joule. En février 1851, il s'assit pour articuler sa nouvelle pensée. Il ne savait pas trop comment formuler sa théorie et le document passa par plusieurs ébauches avant qu'il ne se décide à tenter de réconcilier Carnot et Joule. Lors de sa réécriture, il semble avoir envisagé des idées qui donneraient par la suite naissance à la deuxième loi de la thermodynamique . Dans la théorie de Carnot, la chaleur perdue était absolument perdue, mais Thomson affirmait qu'elle était « perdue irrémédiablement pour l'homme , mais pas perdue dans le monde matériel ». De plus, ses croyances théologiques ont conduit à des spéculations sur la mort thermique de l'univers .

Je crois que la tendance dans le monde matériel est que le mouvement se diffuse, et que dans l'ensemble l'inverse de la concentration se produit progressivement - je crois qu'aucune action physique ne pourra jamais restituer la chaleur émise par le Soleil, et que cette source est pas inépuisable ; aussi que les mouvements de la Terre et des autres planètes perdent de la vis viva qui se transforme en chaleur ; et que bien qu'une certaine force vive puisse être restituée à la terre par exemple par la chaleur reçue du soleil, ou par d'autres moyens, cette perte ne peut pas être compensée avec précision et je pense qu'il est probable qu'elle est sous-compensée.

La compensation exigerait un acte créateur ou un acte possédant un pouvoir similaire .

Dans la publication finale, Thomson s'est retiré d'un départ radical et a déclaré que « toute la théorie de la puissance motrice de la chaleur est fondée sur ... deux ... propositions, dues respectivement à Joule, et à Carnot et Clausius ». Thomson a poursuivi en énonçant une forme de la deuxième loi :

Il est impossible, au moyen d'agents matériels inanimés, de dériver un effet mécanique d'une portion quelconque de matière en la refroidissant au-dessous de la température du plus froid des objets environnants.

Dans l'article, Thomson a soutenu la théorie selon laquelle la chaleur était une forme de mouvement, mais a admis qu'il n'avait été influencé que par la pensée de Sir Humphry Davy et les expériences de Joule et Julius Robert von Mayer , maintenant cette démonstration expérimentale de la conversion de la chaleur. au travail était encore en suspens.

Dès que Joule a lu le journal, il a écrit à Thomson avec ses commentaires et ses questions. Ainsi commença une collaboration fructueuse, quoique largement épistolaire, entre les deux hommes, Joule menant des expériences, Thomson analysant les résultats et suggérant d'autres expériences. La collaboration a duré de 1852 à 1856, ses découvertes incluant l' effet Joule-Thomson , parfois appelé effet Kelvin-Joule, et les résultats publiés ont beaucoup contribué à l'acceptation générale des travaux de Joule et de la théorie cinétique .

Thomson a publié plus de 650 articles scientifiques et déposé 70 brevets (tous n'ont pas été délivrés). Concernant la science, Thomson a écrit ce qui suit :

En science physique, un premier pas essentiel dans la direction de l'apprentissage de n'importe quel sujet est de trouver des principes de calcul numérique et des méthodes pratiques pour mesurer une certaine qualité qui s'y rattache. Je dis souvent que lorsque vous pouvez mesurer ce dont vous parlez et l'exprimer en chiffres, vous en savez quelque chose ; mais quand vous ne pouvez pas le mesurer, quand vous ne pouvez pas l'exprimer en nombre, votre connaissance est d'un genre maigre et insatisfaisant : c'est peut-être le commencement de la connaissance, mais vous avez à peine, dans vos pensées, avancé au stade de la science , quoi qu'il en soit. la question peut être.

Câble transatlantique

Calculs sur le débit de données

Bien que maintenant éminent dans le domaine universitaire, Thomson était obscur pour le grand public. En septembre 1852, il épousa l'amoureuse d'enfance Margaret Crum, fille de Walter Crum ; mais sa santé s'est détériorée pendant leur lune de miel, et au cours des dix-sept années suivantes, Thomson a été distraite par sa souffrance. Le 16 octobre 1854, George Gabriel Stokes écrit à Thomson pour tenter de le réintéresser aux travaux en lui demandant son avis sur certaines expériences de Michael Faraday sur le projet de câble télégraphique transatlantique .

Faraday avait démontré comment la construction d'un câble limiterait la vitesse à laquelle les messages pourraient être envoyés - en termes modernes, la bande passante . Thomson a sauté sur le problème et a publié sa réponse ce mois-ci. Il a exprimé ses résultats en termes de débit de données pouvant être atteint et les conséquences économiques en termes de revenus potentiels de l'entreprise transatlantique. Dans une autre analyse de 1855, Thomson a souligné l'impact que la conception du câble aurait sur sa rentabilité .

Thomson a soutenu que la vitesse de signalisation à travers un câble donné était inversement proportionnelle au carré de la longueur du câble. Les résultats de Thomson ont été contestés lors d'une réunion de la British Association en 1856 par Wildman Whitehouse , l' électricien de l' Atlantic Telegraph Company . Whitehouse avait peut-être mal interprété les résultats de ses propres expériences, mais ressentait sans aucun doute une pression financière car les plans du câble étaient déjà bien avancés. Il croyait que les calculs de Thomson impliquaient que le câble devait être « abandonné comme étant pratiquement et commercialement impossible ».

Thomson a attaqué l'affirmation de Whitehouse dans une lettre au magazine populaire Athenaeum , se présentant aux yeux du public. Thomson a recommandé un conducteur plus gros avec une plus grande section d' isolation . Il pensait que Whitehouse n'était pas idiot et soupçonnait qu'il pourrait avoir les compétences pratiques pour faire fonctionner la conception existante. Le travail de Thomson avait attiré l'attention des entrepreneurs du projet. En décembre 1856, il est élu au conseil d'administration de l'Atlantic Telegraph Company.

Scientifique à ingénieur

Thomson est devenu conseiller scientifique d'une équipe avec Whitehouse en tant qu'électricien en chef et Sir Charles Tilston Bright en tant qu'ingénieur en chef, mais Whitehouse a réussi avec les spécifications , soutenu par Faraday et Samuel FB Morse .

L'enregistreur de siphon télégraphique de William Thomson, exposé au Porthcurno Telegraph Museum, en janvier 2019.

Thomson a navigué à bord du navire câblier HMS  Agamemnon en août 1857, avec Whitehouse confiné à terre pour cause de maladie, mais le voyage s'est terminé après 380 milles (610 km) lorsque le câble s'est séparé. Thomson a contribué à l'effort en publiant dans l' Ingénieur toute la théorie des contraintes impliquées dans la pose d'un câble sous- marin , et a montré que lorsque la ligne sort du navire, à une vitesse constante, dans une profondeur d'eau uniforme, il s'enfonce dans une pente oblique ou droite depuis le point où il pénètre dans l'eau jusqu'à celui où il touche le fond.

Thomson a développé un système complet pour faire fonctionner un télégraphe sous-marin capable d'envoyer un caractère toutes les 3,5 secondes. Il fait breveter les éléments clés de son système, le galvanomètre à miroir et l' enregistreur à siphon , en 1858.

Whitehouse se sentait toujours capable d'ignorer les nombreuses suggestions et propositions de Thomson. Ce n'est que lorsque Thomson a convaincu le conseil d'administration que l'utilisation de cuivre plus pur pour remplacer la section de câble perdue améliorerait la capacité de données, qu'il a d'abord fait une différence dans l'exécution du projet.

Le conseil a insisté pour que Thomson rejoigne l'expédition de pose de câbles de 1858, sans aucune compensation financière, et prenne une part active au projet. En retour, Thomson a obtenu un essai pour son galvanomètre à miroir, pour lequel le conseil d'administration n'avait pas été enthousiaste, aux côtés de l'équipement de Whitehouse. Thomson trouva l'accès qui lui était accordé insatisfaisant et l' Agamemnon dut rentrer chez lui à la suite de la tempête désastreuse de juin 1858. À Londres, le conseil d'administration était sur le point d'abandonner le projet et d'atténuer ses pertes en vendant le câble. Thomson, Cyrus West Field et Curtis M. Lampson ont plaidé pour une autre tentative et l'ont emporté, Thomson insistant sur le fait que les problèmes techniques étaient résolus. Bien qu'employé à titre consultatif, Thomson avait, au cours des voyages, développé un véritable instinct d'ingénieur et une habileté à résoudre des problèmes pratiques sous pression, prenant souvent l'initiative de gérer les urgences et n'ayant pas peur d'aider aux travaux manuels. Un câble a été achevé le 5 août.

Catastrophe et triomphe

Les craintes de Thomson se sont réalisées lorsque l'appareil de Whitehouse s'est avéré insuffisamment sensible et a dû être remplacé par le galvanomètre à miroir de Thomson. Whitehouse a continué à soutenir que c'était son équipement qui fournissait le service et a commencé à s'engager dans des mesures désespérées pour remédier à certains des problèmes. Il a réussi à endommager mortellement le câble en appliquant 2 000  V . Lorsque le câble a complètement échoué, Whitehouse a été licencié, bien que Thomson s'y soit opposé et ait été réprimandé par le conseil d'administration pour son ingérence. Thomson regretta par la suite d'avoir acquiescé trop facilement à de nombreuses propositions de Whitehouse et de ne pas l'avoir contesté avec suffisamment de vigueur.

Un comité d'enquête mixte a été créé par le Board of Trade et l'Atlantic Telegraph Company. La plupart du blâme pour l'échec du câble a été trouvé à Whitehouse. Le comité a constaté que, bien que les câbles sous-marins soient connus pour leur manque de fiabilité , la plupart des problèmes provenaient de causes connues et évitables. Thomson a été nommé l'un des cinq membres du comité pour recommander une spécification pour un nouveau câble. Le comité fit rapport en octobre 1863.

En juillet 1865, Thomson a participé à l'expédition de pose de câbles du SS  Great Eastern, mais le voyage a été entravé par des problèmes techniques. Le câble a été perdu après que 1 200 milles (1 900 km) aient été posés et le projet a été abandonné. Une autre tentative en 1866 a posé un nouveau câble en deux semaines, puis a récupéré et complété le câble de 1865. L'entreprise était maintenant célébrée comme un triomphe par le public et Thomson jouissait d'une grande partie de l'adulation. Thomson, ainsi que les autres principaux du projet, a été fait chevalier le 10 novembre 1866.

Pour exploiter ses inventions pour la signalisation sur de longs câbles sous-marins, Thomson a maintenant conclu un partenariat avec CF Varley et Fleeming Jenkin . En collaboration avec ce dernier, il a également conçu un expéditeur automatique de trottoir , une sorte de clé télégraphique pour envoyer des messages sur un câble.

Expéditions ultérieures

Thomson a participé à la pose du câble de communication sous - marin français de l'Atlantique de 1869, et avec Jenkin a été ingénieur des câbles occidentaux et brésiliens et platino-brésiliens, assisté par l'étudiant en vacances James Alfred Ewing . Il était présent à la pose de la section Pará à Pernambuco des câbles côtiers brésiliens en 1873.

La femme de Thomson mourut le 17 juin 1870 et il résolut de changer sa vie. Déjà passionné de navigation, il acheta en septembre une goélette de 126 tonnes , la Lalla Rookh et s'en servit comme base pour recevoir amis et collègues scientifiques. Ses intérêts maritimes se sont poursuivis en 1871 lorsqu'il a été nommé à la commission d'enquête sur le naufrage du HMS  Captain .

En juin 1873, Thomson et Jenkin étaient à bord du Hooper , à destination de Lisbonne avec 2 500 miles (4 020 km) de câble lorsque le câble a développé une faille. Une escale imprévue de 16 jours à Madère a suivi et Thomson est devenu de bons amis avec Charles R. Blandy et ses trois filles. Le 2 mai 1874, il s'embarqua pour Madère sur le Lalla Rookh . Alors qu'il approchait du port, il fit signe à la résidence Blandy « Veux-tu m'épouser ? et Fanny a répondu "Oui". Thomson épousa Fanny, de 13 ans sa cadette, le 24 juin 1874.

Lord Kelvin par Hubert von Herkomer

Autres contributions

Thomson et Tait : Traité de philosophie naturelle

Au cours de la période 1855 à 1867, Thomson a collaboré avec Peter Guthrie Tait sur un manuel qui a fondé l'étude de la mécanique d' abord sur les mathématiques de la cinématique , la description du mouvement sans égard à la force . Le texte a développé des dynamiques dans divers domaines mais avec une attention constante à l' énergie comme principe unificateur.

Une deuxième édition parut en 1879, étendue à deux parties reliées séparément. Le manuel a établi une norme pour l'éducation précoce en physique mathématique .

Électricité atmosphérique

Kelvin a apporté des contributions importantes à l'électricité atmosphérique pendant la période relativement courte pendant laquelle il a travaillé sur le sujet, vers 1859. Il a développé plusieurs instruments pour mesurer le champ électrique atmosphérique, en utilisant certains des électromètres qu'il avait initialement développés pour le travail télégraphique, qu'il a testés à Glasgow et en vacances à Arran. Ses mesures sur Arran étaient suffisamment rigoureuses et bien calibrées pour permettre de déduire la pollution de l'air de la région de Glasgow, à travers ses effets sur le champ électrique atmosphérique. L'électromètre compte-gouttes d'eau de Kelvin a été utilisé pour mesurer le champ électrique atmosphérique à l' observatoire de Kew et à l' observatoire d' Eskdalemuir pendant de nombreuses années, et l'un d'eux était encore utilisé de manière opérationnelle à l' observatoire de Kakioka au Japon jusqu'au début de 2021. Kelvin peut avoir involontairement observé des effets électriques atmosphériques causés par le Carrington événement (une tempête solaire importante) au début de Septembre 1859.

La théorie du vortex de Kelvin de l'atome

Entre 1870 et 1890, la théorie de l'atome vortex, qui prétendait qu'un atome était un vortex dans l' éther , était populaire parmi les physiciens et mathématiciens britanniques. Thomson a été le pionnier de la théorie, qui se distinguait de la théorie des vortex de Descartes au XVIIe siècle en ce que Thomson pensait en termes de théorie du continu unitaire, tandis que Descartes pensait en termes de trois types différents de matière, chacun se rapportant respectivement à l'émission, la transmission, et réflexion de la lumière. Environ 60 articles scientifiques ont été rédigés par environ 25 scientifiques. Suivant l'exemple de Thomson et Tait, la branche de la topologie appelée théorie des nœuds a été développée. L'initiative de Kelvin dans cette étude complexe qui continue d'inspirer de nouvelles mathématiques a conduit à la persistance du sujet dans l' histoire des sciences .

Marin

La machine à prédire les marées de Thomson

Thomson était un plaisancier enthousiaste, son intérêt pour tout ce qui concernait la mer provenait peut-être de ses expériences sur l' Agamemnon et le Great Eastern ou favorisé par celles -ci .

Thomson a introduit une méthode de sondage des fonds marins , dans laquelle une corde à piano en acier remplace la ligne à main ordinaire. Le fil glisse si facilement vers le fond que des "sondes volantes" peuvent être prises pendant que le navire est à pleine vitesse. Un manomètre pour enregistrer la profondeur du lest a été ajouté par Thomson.

À peu près à la même époque, il a relancé la méthode Sumner pour trouver la position d'un navire et a calculé un ensemble de tables pour son application immédiate.

Au cours des années 1880, Thomson a travaillé à perfectionner la boussole réglable pour corriger les erreurs résultant de la déviation magnétique en raison de l'utilisation accrue du fer dans l'architecture navale . La conception de Thomson était une grande amélioration par rapport aux instruments plus anciens, étant plus stable et moins gênée par la friction. La déviation due au magnétisme du navire a été corrigée par des masses de fer mobiles à l' habitacle . Les innovations de Thomson impliquaient un travail très détaillé pour développer les principes identifiés par George Biddell Airy et d'autres, mais contribuaient peu en termes de nouvelle pensée physique. Le lobbying énergique et le réseautage de Thomson se sont avérés efficaces pour faire accepter son instrument par l'Amirauté .

Boussole de Kelvin Mariner

Les biographes scientifiques de Thomson, s'ils ont prêté la moindre attention à ses innovations en matière de boussole, ont généralement pris l'affaire pour une triste saga d'administrateurs navals stupides résistant aux innovations merveilleuses d'un esprit scientifique superlatif. D'un autre côté, les écrivains sympathiques à la Marine décrivent Thomson comme un homme au talent et à l'enthousiasme incontestables, avec une véritable connaissance de la mer, qui a réussi à transformer une poignée d'idées modestes dans la conception de boussoles en un monopole commercial pour sa propre fabrication. préoccupation, utilisant sa réputation de matraque devant les tribunaux pour repousser même les petites revendications d'originalité des autres, et persuadant l'Amirauté et la loi de négliger à la fois les lacunes de son propre dessein et les vertus de ses concurrents.


La vérité, inévitablement, semble se situer quelque part entre les deux extrêmes.

Charles Babbage avait été parmi les premiers à suggérer qu'un phare pourrait être fait pour signaler un numéro distinctif par occultations de sa lumière, mais Thomson a souligné les mérites du code Morse à cet effet, et a demandé que les signaux soient constitués de courts et de longs éclairs de lumière pour représenter les points et les tirets.

Normes électriques

Thomson a fait plus que tout autre électricien jusqu'à son époque en introduisant des méthodes et des appareils précis pour mesurer l'électricité. Dès 1845, il fit remarquer que les résultats expérimentaux de William Snow Harris étaient conformes aux lois de Coulomb . Dans les Mémoires de l'Académie romaine des sciences de 1857, il publia une description de son nouvel électromètre à anneau divisé , basé sur l'ancien électroscope de Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger et il introduisit une chaîne ou une série d'instruments efficaces, y compris l'électromètre à quadrant, qui couvrent tout le domaine de la mesure électrostatique. Il a inventé la balance de courant , également connue sous le nom de balance Kelvin ou balance Ampere ( SiC ), pour la spécification précise de l' ampère , l' unité standard du courant électrique . À partir de 1880 environ, il a été aidé par l'ingénieur électricien Magnus Maclean FRSE dans ses expériences électriques.

En 1893, Thomson a dirigé une commission internationale pour décider de la conception de la centrale électrique de Niagara Falls . Malgré sa croyance en la supériorité de la transmission d'énergie électrique à courant continu , il a approuvé le système de courant alternatif de Westinghouse qui avait été démontré à l' Exposition universelle de Chicago de cette année-là. Même après les chutes du Niagara, Thomson était toujours convaincu que le courant continu était le système supérieur.

Reconnaissant sa contribution à la normalisation électrique, la Commission électrotechnique internationale a élu Thomson comme son premier président lors de sa réunion préliminaire, tenue à Londres les 26-27 juin 1906. "Sur la proposition du président [M. Alexander Siemens, Grande-Bretagne], a appuyé [ sic] par M. Mailloux [US Institute of Electrical Engineers], le très honorable Lord Kelvin, GCVO , OM , a été élu à l'unanimité premier président de la Commission", lit-on dans le procès-verbal du rapport préliminaire de la réunion.

Âge de la Terre : géologie

Kelvin caricaturé par Spy pour Vanity Fair , 1897

Kelvin a estimé l' âge de la Terre . Compte tenu de ses travaux de jeunesse sur la figure de la Terre et de son intérêt pour la conduction thermique, il n'est pas surprenant qu'il ait choisi d'étudier le refroidissement de la Terre et de tirer des conclusions historiques sur l'âge de la Terre à partir de ses calculs. Thomson était un créationniste au sens large, mais il n'était pas un « géologue des inondations » (un point de vue qui avait perdu le soutien scientifique dominant dans les années 1840). Il a soutenu que les lois de la thermodynamique fonctionnaient depuis la naissance de l'univers et envisageaient un processus dynamique qui a vu l'organisation et l'évolution du système solaire et d'autres structures, suivi d'une "mort thermique" progressive. Il a développé l'idée que la Terre avait été autrefois trop chaude pour supporter la vie et a contrasté cette vue avec celle de l' uniformitarisme , que les conditions étaient restées constantes depuis un passé indéfini. Il a soutenu que "Cette terre, certainement il y a un nombre modéré de millions d'années, était un globe chauffé au rouge …".

Après la publication de Charles Darwin « s Sur l'origine des espèces en 1859, Thomson a vu la preuve de l'âge relativement courte habitable de la Terre comme tendant à contredire l' explication gradualiste de Darwin lente sélection naturelle entraînant la diversité biologique . Les propres vues de Thomson favorisaient une version de l'évolution théiste accélérée par la direction divine. Ses calculs ont montré que le Soleil n'aurait pas pu exister assez longtemps pour permettre le lent développement incrémentiel par l' évolution - à moins qu'une source d'énergie au-delà de ce que lui ou toute autre personne de l' ère victorienne connaissait ne soit trouvée. Il fut bientôt entraîné dans un désaccord public avec les géologues et avec les partisans de Darwin, John Tyndall et TH Huxley . Dans sa réponse au discours de Huxley à la Geological Society of London (1868), il présenta son discours « Of Geological Dynamics » (1869) qui, parmi ses autres écrits, contestait l'acceptation par les géologues que la terre doit être d'âge indéfini.

L'estimation initiale de 1864 de Thomson de l'âge de la Terre était de 20 à 400 millions d'années. Ces larges limites étaient dues à son incertitude sur la température de fusion de la roche, à laquelle il assimilait la température intérieure de la Terre, ainsi qu'à l'incertitude des conductivités thermiques et des chaleurs spécifiques des roches. Au fil des ans, il affina ses arguments et réduisit la limite supérieure d'un facteur dix, et en 1897, Thomson, aujourd'hui Lord Kelvin, décida finalement d'estimer que la Terre avait 20 à 40 millions d'années. Dans une lettre publiée dans Scientific American Supplement 1895, Kelvin a critiqué les estimations des géologues sur l'âge des roches et l'âge de la terre, y compris les opinions publiées par Charles Darwin , comme « un âge vaguement vaste ».

Son exploration de cette estimation peut être trouvée dans son discours de 1897 au Victoria Institute , donné à la demande du président de l'Institut George Stokes , tel qu'il est enregistré dans le journal de cet Institut Transactions . Bien que son ancien assistant John Perry ait publié un article en 1895 contestant l'hypothèse de Kelvin d'une faible conductivité thermique à l'intérieur de la Terre, et montrant ainsi un âge beaucoup plus élevé, cela a eu peu d'impact immédiat. La découverte en 1903 que la désintégration radioactive libère de la chaleur a conduit à la remise en cause de l'estimation de Kelvin, et Ernest Rutherford a fait valoir l'argument célèbre dans une conférence de 1904 à laquelle Kelvin a assisté que cela fournissait la source d'énergie inconnue que Kelvin avait suggérée, mais l'estimation n'a pas été annulée avant le développement en 1907 de la datation radiométrique des roches.

Il était largement admis que la découverte de la radioactivité avait invalidé l'estimation de Thomson de l'âge de la Terre. Thomson lui-même ne l'a jamais reconnu publiquement parce qu'il pensait avoir un argument beaucoup plus fort limitant l'âge du Soleil à pas plus de 20 millions d'années. Sans la lumière du soleil, il ne pourrait y avoir aucune explication pour l'enregistrement des sédiments à la surface de la Terre. À l'époque, la seule source connue de production d'énergie solaire était l'effondrement gravitationnel . Ce n'est que lorsque la fusion thermonucléaire a été reconnue dans les années 1930 que le paradoxe des âges de Thomson a été véritablement résolu.

Kelvin lors d'une croisière de plaisance sur la rivière Clyde à bord du vapeur Glen Sannox pour son « jubilé » le 17 juin 1896 en tant que professeur de philosophie naturelle à Glasgow
Lord Kelvin et Lady Kelvin accueillant les Norvégiens Fridtjof Nansen et Eva Nansen en visite chez eux en février 1897

Vie et mort tardives

La tombe de la famille Thomson, nécropole de Glasgow

Au cours de l'hiver 1860-1861, Kelvin a glissé sur la glace alors qu'il faisait du curling près de son domicile à Netherhall et s'est fracturé la jambe. Il est resté une sorte de célébrité des deux côtés de l'Atlantique jusqu'à sa mort.

Thomson est resté un fervent croyant dans le christianisme tout au long de sa vie; la fréquentation de la chapelle faisait partie de sa routine quotidienne. Il considérait sa foi chrétienne comme soutenant et informant son travail scientifique, comme en témoigne son discours à la réunion annuelle de la Christian Evidence Society , le 23 mai 1889.

Dans la liste des distinctions honorifiques du couronnement de 1902, publiée le 26 juin 1902 (le jour d'origine du couronnement d'Édouard VII et d'Alexandra ), Kelvin a été nommé conseiller privé et l'un des premiers membres du nouvel ordre du mérite (OM). Il a reçu l'ordre du roi le 8 août 1902, et a prêté serment comme membre du conseil du palais de Buckingham le 11 août 1902. Dans ses dernières années, il se rendait souvent dans sa maison de ville au 15 Eaton Place, près d' Eaton Square dans le quartier Belgravia de Londres. .

En novembre 1907, il a attrapé un froid et son état s'est détérioré jusqu'à sa mort dans sa ville écossaise, Netherhall, à Largs le 17 décembre.

A la demande de l'abbaye de Westminster , les pompes funèbres Wylie & Lochhead préparèrent un cercueil en chêne, doublé de plomb. Dans l'obscurité de la soirée d'hiver, le cortège partit de Netherhall pour la gare de Largs , à une distance d'environ un mile. De grandes foules ont assisté au passage du cortège, et les commerçants ont fermé leurs locaux et tamisé leurs lumières. Le cercueil a été placé dans un fourgon spécial Midland and Glasgow and South Western Railway . Le train est parti à 20h30 pour Kilmarnock , où la camionnette était attachée à l'express de nuit à destination de la gare de St Pancras à Londres.

Les funérailles de Kelvin devaient avoir lieu le 23 décembre 1907. Le cercueil fut transporté de St Pancras par corbillard à l'abbaye de Westminster, où il reposa pendant la nuit dans la chapelle St Faith. Le lendemain, l'abbaye était bondée pour les funérailles, comprenant des représentants de l' Université de Glasgow et de l' Université de Cambridge , ainsi que des représentants de France , d' Italie , d' Allemagne , d' Autriche , de Russie , des États-Unis, du Canada , d' Australie , du Japon et de Monaco. . La tombe de Kelvin se trouve dans la nef , près de l' écran du chœur , et à proximité des tombes d' Isaac Newton , John Herschel et Charles Darwin . Les porteurs comprenaient le fils de Darwin, Sir George Darwin .

De retour en Écosse, l'Université de Glasgow a organisé un service commémoratif pour Kelvin dans le Bute Hall. Kelvin avait été membre de l' église épiscopale écossaise , rattachée à l'église épiscopale St Columba à Largs, et à Glasgow à l'église épiscopale St Mary (maintenant, la cathédrale St Mary, Glasgow ). En même temps que les funérailles à l'abbaye de Westminster, un service a eu lieu dans l'église épiscopale St Columba, Largs, en présence d'une grande congrégation comprenant des dignitaires de la ville.

William Thomson est également commémoré sur la tombe de la famille Thomson dans la nécropole de Glasgow . La tombe familiale a un deuxième mémorial moderne à William à côté, érigé par la Royal Philosophical Society of Glasgow ; une société dont il était président dans les périodes 1856-1858 et 1874-1877.

Conséquences et héritage

Limites de la physique classique

En 1884, Thomson a dirigé une classe de maître sur "La dynamique moléculaire et la théorie des ondes de la lumière" à l'Université Johns Hopkins . Kelvin a fait référence à l' équation des ondes acoustiques décrivant le son comme des ondes de pression dans l'air et a tenté de décrire également une équation des ondes électromagnétiques , en supposant un éther luminifère sensible aux vibrations. Le groupe d'étude comprenait Michelson et Morley qui ont ensuite effectué l' expérience Michelson-Morley qui a sapé la théorie de l'éther. Thomson n'a pas fourni de texte mais AS Hathaway a pris des notes et les a dupliquées avec un papyrographe . Comme le sujet était en cours de développement, Thomson a modifié ce texte et en 1904 il a été composé et publié. Les tentatives de Thomson pour fournir des modèles mécaniques ont finalement échoué dans le régime électromagnétique.

Le 27 avril 1900, il donna une conférence très médiatisée intitulée Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light à la Royal Institution . Les deux « nuages ​​noirs » auxquels il faisait allusion étaient la confusion entourant la façon dont la matière se déplace dans l'éther (y compris les résultats déroutants de l' expérience Michelson-Morley ) et des indications que la loi d'équipartition en mécanique statistique pourrait s'effondrer. Deux théories physiques majeures se sont développées au cours du XXe siècle à partir de ces enjeux : pour la première, la théorie de la relativité ; pour le second, la mécanique quantique . Albert Einstein , en 1905, publia les soi-disant « articles d'Annus Mirabilis », dont l'un expliquait l' effet photoélectrique , basé sur la découverte par Max Planck des quanta d'énergie qui étaient à la base de la mécanique quantique, dont un autre décrivait la relativité restreinte , et dont le dernier expliquait le mouvement brownien en termes de mécanique statistique , fournissant un argument solide pour l'existence des atomes.

Des déclarations plus tard avérées fausses

Comme de nombreux scientifiques, Thomson a commis des erreurs en prédisant l'avenir de la technologie.

Son biographe Silvanus P. Thompson écrit que « lorsque la découverte des rayons X par Röntgen fut annoncée à la fin de 1895, Lord Kelvin était entièrement sceptique et considérait l'annonce comme un canular. Les journaux étaient pleins des merveilles de les rayons de Röntgen, au sujet desquels Lord Kelvin était intensément sceptique jusqu'à ce que Röntgen lui-même lui envoie une copie de son Mémoire"; le 17 janvier 1896, après avoir lu le journal et vu les photographies, il écrivit à Röntgen une lettre disant : « Je n'ai pas besoin de vous dire que lorsque j'ai lu le journal, j'ai été très étonné et ravi. chaleureusement sur la grande découverte que vous avez faite" Il aurait sa propre main radiographiée en mai 1896. (Voir aussi les rayons N .)

Ses prévisions pour l' aviation pratique (c'est-à-dire les avions plus lourds que l'air ) étaient négatives. En 1896, il refusa une invitation à rejoindre l'Aeronautical Society, écrivant que "Je n'ai pas la plus petite molécule de foi dans la navigation aérienne autre que le ballonnement ou d'attente de bons résultats de l'un des essais dont nous entendons parler." Et dans une interview dans un journal de 1902, il a prédit qu'"aucun ballon ni aucun avion ne connaîtra jamais de succès dans la pratique".

La déclaration "Il n'y a rien de nouveau à découvrir en physique maintenant. Tout ce qui reste est une mesure de plus en plus précise" a été largement attribuée à tort à Kelvin depuis les années 1980, soit sans citation, soit en indiquant qu'elle a été faite dans une adresse à la British Association. pour l'avancement des sciences (1900). Il n'y a aucune preuve que Kelvin ait dit cela, et la citation est plutôt une paraphrase d' Albert A. Michelson , qui en 1894 a déclaré : "... il semble probable que la plupart des grands principes sous-jacents ont été fermement établis... Un éminent physicien a fait remarquer que le les vérités futures de la science physique doivent être recherchées à la sixième place des décimales. » Des déclarations similaires ont été faites plus tôt par d'autres, comme Philipp von Jolly . L'attribution à Kelvin donnant une adresse en 1900 est vraisemblablement une confusion avec son discours « Deux nuages ​​», prononcé à la Royal Institution en 1900 (voir ci-dessus), et qui au contraire pointait des zones qui connaîtraient par la suite des révolutions.

En 1898, Kelvin a prédit qu'il ne restait que 400 ans d'approvisionnement en oxygène sur la planète, en raison du taux de combustion des combustibles. Dans son calcul, Kelvin a supposé que la photosynthèse était la seule source d'oxygène libre ; il ne connaissait pas toutes les composantes du cycle de l' oxygène . Il ne pouvait même pas connaître toutes les sources de la photosynthèse : par exemple la cyanobactérie Prochlorococcus - qui représente plus de la moitié de la photosynthèse marine - n'a été découverte qu'en 1986.

Éponymes

Une variété de phénomènes physiques et de concepts auxquels Thomson est associé sont nommés Kelvin :

Honneurs

Statue de Kelvin ; Jardins botaniques de Belfast

Les bras

Armoiries de William Thomson, 1er baron Kelvin
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Remarques
Les armes de Lord Kelvin se composent de :
Crête
Un bras coudé droit, vêtu d'azur, menotté d'argent, la main saisissant cinq épis de seigle au naturel.
Écusson
D'argent, à une tête de cerf cabossée de gueules, au chef d'azur au foudre au naturel, ailé d'or, entre deux éperons revelés du premier.
Partisans
Du côté dextre un étudiant de l'Université de Glasgow, en habit, tenant dans sa main dextre un voltmètre marin, tout propre. Du côté sinistre un matelot, en habit, tenant dans la main dextre une bobine, la corde passant par le sinistre, et suspendu à celui-ci un lest d'un appareil de sondage, également tout propre.
Devise
L'honnêteté sans crainte.

Voir également

Les références

Les œuvres de Kelvin

Biographie, histoire des idées et critique

Liens externes

Associations professionnelles et universitaires
Précédé par
36e président de la Royal Society
1890-1895
succédé par
Bureaux académiques
Précédé par
Chancelier de l'Université de Glasgow
1904-1907
succédé par
Pairie du Royaume-Uni
Nouvelle création Baron Kelvin
1892-1907
Disparu