Nhà vật lí William Thomson (Kelvin), nhiệt độ tuyệt đối

William Thomson (1824 – 1907) là một nhà vật lí học, toán học, nhà phát minh vĩ đại người Scotland, là một giáo sư Đại học Glasgow, Scotland. Được phong danh hiệu huân tước Kelvin của xứ Largs lấy theo tên dòng sông Kelvin chảy qua trường đại học Glasgow. Tên Kelvin của ông cũng được đặt cho thang nhiệt độ tuyệt đối.

Cuộc đời của William Thomson (Kelvin) được đặc trưng bởi năng lực phi thường. Ông giữ toàn bộ phòng thí nghiệm gồm các phụ tá khoa học thăng tiến và đưa đến hơn 650 bài báo khoa học và 75 bằng phát minh. Nhân vật so sánh thời hiện đại có thể là Richard Feynman. Cả hai đều là những nhà vật lí toán tài năng và là nhà giải quyết vấn đề. Cả hai đều có đóng góp chính yếu cho nhiều lĩnh vực vật lí, có hứng thú rộng trong những lĩnh vực khác và là những người thầy giáo đầy nhiệt huyết.

Sinh ra ở Belfast năm 1824, Kelvin chuyển đến Glasgow vào năm 1830 khi cha của ông, James Thomson, được bổ nhiệm vào ghế giáo sư toán học tại trường đại học đó. Ở tuổi lên 10, Kelvin đã vào trường đại học với tư cách là sinh viên trẻ tuổi nhất của trường.

Những thành tựu nổi bật trong lĩnh vực vật lí lý thuyết của William Thomson (Kelvin)

Năm 1841, khi ở tuổi 16 ông đã viết bài báo khoa học đầu tiên của mình, dựa trên quan hệ thư từ của ông với Philip Kelland giáo sư toán học tại Đại học Edinburgh. Kelland và những người khác đã tranh luận rằng tính không ổn định toán học tại các giới hạn gay gắt có nghĩa là chuỗi Fourier không thể sử dụng để giải các phương trình vi phân từng phần mô tả dòng chảy nhiệt. Kelvin đã chứng minh điều ngược lại và do đó nền vật lí cổ điển của các môi trường liên tục đã ra đời.

Bài báo đầu tiên của Kelvin là đáng chú ý hơn cả vì vào lúc đó không hề có sự hiểu biết chắc chắn nào xem nhiệt thật ra là cái gì – một bí ấn bắt đầu được tháo gỡ hai năm sau đó khi James Joule chỉ ra rằng công là đương lượng cơ học của nhiệt.

William Thomson (Kelvin) tiếp tục nghiên cứu của ông về nhiệt và năm 1848 ông đưa ra từ “nhiệt động lực học”. Vào giữa thế kỉ 19, yêu cầu của cuộc cách mạng công nghiệp đã đặt “mô hình chuẩn” của nền vật lí học vào một cơn khủng hoảng xung quanh câu hỏi “Năng lượng là gì ?”. Đặc biệt, sự phát triển của động cơ hơi nước đã phát sinh ra vấn đề năng lượng và làm thế nào khai thác nó có hiệu quả nhất.

James Thomson anh trai của Kelvin đã phát hiện thấy nhiệt độ băng tan chảy giảm đi khi áp suất ngoài được thiết đặt. Từ đó William Thomson (Kelvin) đã đưa ra khái niệm nhiệt độ tuyệt đối. Các định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học có thể viết lại theo thuật ngữ năng lượng. Thuật ngữ “động năng” và “thế năng” đã được đưa ra bởi Kelvin và nhà vật lí Edingburg, Peter Tait, người cùng với Kelvin là đồng tác giả quyển sách Chuyên luận về Triết học từ nhiên – cuốn sách giáo khoa đầu tiên về vật lí.

Nhiệt độ tuyệt đối là một trong những đại lượng đo lường cơ bản trong hệ đo lường SI

Những phát minh mang tính cách mạng của William Thomson (Kelvin)

Ông là người đầu tiên thiết đặt đường cáp điện báo xuyên đại dương giữa Ireland và Newfoundland năm 1858 – 1866. Một vấn đề cơ bản trước mắt Công ty Điện báo Đại Tây Dương, trong đó Kelvin là giám đốc, là không ai biết đại dương này sâu bao nhiêu. Những nỗ lực đo độ sâu bằng cách đơn giản thả một trọng vật rất nặng ở một đầu của dây cáp luôn mang lại kết quả là guồng quay cáp bị đứt. Kelvin giải quyết vấn đề này bằng cách phát minh ra một dụng cụ cỡ nhỏ có thể hạ thấp trên một dây piano và đo sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt và đáy biển, từ đó tính ra độ sâu. Thành tựu của đường cáp xuyên đại dương mang thế giới lại gần nhau hơn bao giờ hết hay kể từ đó. Những đóng góp của William Thomson (Kelvin) mang đến cho ông dang vọng quý tộc và đặt ông vào con đường giàu có và phát minh nối tiếp phát minh.

Năm 1884, ở tuổi 60, Kelvin gia nhập lực lượng với nhà sản xuất thiết bị Glasgow, James White, thành lập một công ti trở thành Kelvin and James White Ltd. Có lẽ sản phẩm nổi tiếng nhất của nó là hải đồ Kelvin dùng cho tàu sắt. Đây là thiết bị đầu tiên có thể mang lại một số đọc thật sự của cực Bắc từ bất chấp mômen từ vĩnh cửu của con tàu và mômen cảm ứng trong thân tàu do sự định hướng của nó trong từ trường Trái Đất.

William Thomson (Kelvin) giữ vai trò quan trọng trong nền khoa học mầm và công nghệ điện. Ông nghiên cứu tinh chỉnh độ chính xác của các đơn vị đo điện, cuối cùng chủ trì ủy ban đặt tên là Ampere, Volt, Ohm,… như chúng ta biết ngày nay.

William Thomson (Kelvin) cũng đi tiên phong trong lĩnh vực thắp sáng điện, và năm 1881 đã biến ngôi nhà của ông ở Glasgow trở thành ngôi nhà đầu tiên trên thế giới được thắp sáng trọn vẹn bằng điện, với 106 bóng đèn. Cũng trong năm đó, ông bắt đầu nghiên cứu và phát triển công trình cùng với Joseph Swan, một nhà tiên phong trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo các bóng đèn nóng sáng. Các sinh viên quốc tế quây quần đến làm việc trong phòng thí nghiệm của Kelvin, trong đó có Gerard Philips, đồng sáng lập xưởng chế tạo bóng đèn ở Hà Lan, sau này trở thành Royal Philips Electronics.

Những tiếc nuối của William Thomson (Kelvin)

Bất chấp những tiến bộ to lớn của ông trong khoa học và công nghệ, về phía cuối đời mình, Kelvin nhận thức sâu sắc ra sự thất bại của nền vật lí cổ điển mà ông đã nhọc công xây dựng. Ông đã chia sẻ tình cảm này tại buổi lễ kỉ niệm 50 năm làm giáo sư với những từ chắc chắn gây sốc cho người nghe: “Một từ mô tả thích hợp nhất những nỗ lực cho sự tiến bộ của khoa học mà tôi đã kiên trì thực hiện trong suốt 55 năm qua. Đó là từ thất bại. Tôi biết không gì hơn ngoài lực điện và lực từ, hay mối quan hệ giữa ête, điện và vật chất cân được, hay ái lực hóa học, và tôi cố gắng truyền đạt cho học trò học của mình nền triết học tự nhiên 50 năm trước đây trong buổi họp đầu tiên của tôi với tư cách là giáo sư”.

Kỉ nguyên Kelvin đang khép lại. Nhiệm vụ dành cho những người khác là làm sáng tỏ các hiện tượng mới – electron, tia X, phóng xạ, hiệu ứng quang điện, thuyết tương đối – xuất hiện trong thập niên cuối cùng của ông.