William Thomson, primer barón Kelvin (26 de junio de 1824 - 17 de diciembre de 1907 [7] ) fue un matemático, físico matemático e ingeniero británico. [8] [9] Nacido en Belfast, fue profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow durante 53 años, donde realizó importantes investigaciones y análisis matemáticos de la electricidad, fue fundamental en la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica , [10] [11] y contribuyó significativamente a unificar la física , que entonces estaba en sus inicios de desarrollo como disciplina académica emergente. Recibió la Medalla Copley de la Royal Society en 1883 y sirvió como su presidente de 1890 a 1895. En 1892, se convirtió en el primer científico en ser elevado a la Cámara de los Lores . [12]
Las temperaturas absolutas se expresan en unidades de kelvin en honor a Lord Kelvin. Si bien la existencia de una temperatura más fría posible, el cero absoluto , se conocía antes de su trabajo, Kelvin determinó su valor correcto como aproximadamente -273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit . [13] El efecto Joule-Thomson también recibe su nombre en su honor.
Kelvin trabajó en estrecha colaboración con el profesor de matemáticas Hugh Blackburn en su trabajo. También tuvo una carrera como ingeniero de telégrafos eléctricos e inventor que lo catapultó a la fama y le valió riqueza, fama y honores. Por su trabajo en el proyecto del telégrafo transatlántico , fue nombrado caballero en 1866 por la reina Victoria , convirtiéndose en Sir William Thomson. Tenía amplios intereses marítimos y trabajó en la brújula del marinero , que anteriormente tenía una fiabilidad limitada.
Kelvin fue ennoblecido en 1892 en reconocimiento a sus logros en termodinámica y a su oposición al gobierno local irlandés , [14] [15] [16] convirtiéndose en barón Kelvin, de Largs en el condado de Ayr . El título hace referencia al río Kelvin , que fluye cerca de su laboratorio en la casa Gilmorehill de la Universidad de Glasgow en Hillhead . A pesar de las ofertas de puestos elevados de varias universidades de renombre mundial, Kelvin se negó a abandonar Glasgow, permaneciendo hasta su jubilación de ese puesto en 1899. [7] Activo en la investigación y el desarrollo industrial, fue reclutado alrededor de 1899 por George Eastman para servir como vicepresidente de la junta directiva de la empresa británica Kodak Limited, afiliada a Eastman Kodak . [17] En 1904 se convirtió en canciller de la Universidad de Glasgow . [7]
Kelvin residió en Netherhall, una mansión de piedra roja en Largs , que construyó en la década de 1870 y donde murió en 1907. El Museo Hunterian de la Universidad de Glasgow tiene una exposición permanente sobre la obra de Kelvin, que incluye muchos de sus documentos originales, instrumentos y otros artefactos, incluida su pipa de fumar.
El padre de Thomson, James Thomson , era profesor de matemáticas e ingeniería en la Royal Belfast Academical Institution e hijo de un granjero. James Thomson se casó con Margaret Gardner en 1817 y, de sus hijos, cuatro varones y dos niñas sobrevivieron a la infancia. Margaret Thomson murió en 1830 cuando William tenía seis años. [18]
William y su hermano mayor, James, recibieron clases particulares en casa de su padre, mientras que los hijos menores fueron instruidos por sus hermanas mayores. James debía beneficiarse de la mayor parte del estímulo, el afecto y el apoyo financiero de su padre y estaba preparado para una carrera en ingeniería.
En 1832, su padre fue nombrado profesor de matemáticas en Glasgow y la familia se trasladó allí en octubre de 1833. Los hijos de Thomson tuvieron una experiencia cosmopolita más amplia que la educación rural de su padre, y pasaron mediados de 1839 en Londres, mientras que los chicos recibieron clases particulares de francés en París. Gran parte de la vida de Thomson a mediados de la década de 1840 transcurrió en Alemania y los Países Bajos . El estudio de idiomas recibió una alta prioridad.
Su hermana, Anna Thomson, fue la madre del físico James Thomson Bottomley FRSE. [19]
Thomson asistió a la Royal Belfast Academical Institution, donde su padre era profesor en el departamento universitario. En 1834, a los 10 años, comenzó a estudiar en la Universidad de Glasgow , no por precocidad; la universidad proporcionaba muchas de las instalaciones de una escuela primaria para alumnos capaces, y esta era una edad de inicio típica. En la escuela, mostró un gran interés por los clásicos junto con su interés natural por las ciencias. A los 12 años ganó un premio por traducir los Diálogos de los dioses de Luciano de Samosata del griego antiguo al inglés.
En el año académico 1839/1840, Thomson ganó el premio de la clase en astronomía por su "Ensayo sobre la figura de la Tierra", que mostraba una temprana facilidad para el análisis matemático y la creatividad. Su tutor de física en ese momento era su tocayo, David Thomson . [20] A lo largo de su vida, trabajaría en los problemas planteados en el ensayo como una estrategia de afrontamiento durante los momentos de estrés personal. En la página del título de este ensayo, Thomson escribió las siguientes líneas de " Un ensayo sobre el hombre " de Alexander Pope . Estas líneas inspiraron a Thomson a comprender el mundo natural utilizando el poder y el método de la ciencia:
Ve, criatura maravillosa, súbete a donde te guíe la Ciencia;
ve a medir la tierra, pesa el aire y determina las mareas;
instruye a los planetas en qué órbitas deben moverse,
corrige el Tiempo antiguo y regula el sol.
Thomson se sintió intrigado por la Théorie analytique de la chaleur ( La teoría analítica del calor ) de Joseph Fourier y se comprometió a estudiar las matemáticas "continentales" a las que se resistía un establishment británico que todavía trabajaba a la sombra de Sir Isaac Newton . Como era de esperar, el trabajo de Fourier había sido atacado por matemáticos locales, y Philip Kelland escribió un libro crítico. El libro motivó a Thomson a escribir su primer artículo científico publicado [21] bajo el seudónimo PQR , defendiendo a Fourier, que fue enviado a The Cambridge Mathematical Journal por su padre. Un segundo artículo de PQR siguió casi inmediatamente. [22]
Mientras estaba de vacaciones con su familia en Lamlash en 1841, escribió un tercer artículo PQR más sustancial Sobre el movimiento uniforme del calor en cuerpos sólidos homogéneos y su conexión con la teoría matemática de la electricidad . [23] En el artículo hizo conexiones notables entre las teorías matemáticas de la conducción térmica y la electrostática , una analogía que James Clerk Maxwell finalmente describiría como una de las ideas formadoras de ciencia más valiosas . [24]
El padre de William pudo hacer una generosa provisión para la educación de su hijo favorito y, en 1841, lo instaló, con extensas cartas de presentación y amplio alojamiento, en Peterhouse, Cambridge . Mientras estuvo en Cambridge, Thomson participó activamente en deportes, atletismo y remo , ganando el Colquhoun Sculls en 1843. [25] Se interesó vivamente por los clásicos, la música y la literatura; pero el verdadero amor de su vida intelectual fue la búsqueda de la ciencia. El estudio de las matemáticas, la física y, en particular, la electricidad, había cautivado su imaginación. En 1845, Thomson se graduó como segundo vaquero . [26] También ganó el primer Premio Smith , que, a diferencia del tripos , es una prueba de investigación original. Se dice que Robert Leslie Ellis , uno de los examinadores, le dijo a otro examinador: "Usted y yo estamos casi en condiciones de reparar sus plumas". [27]
En 1845, desarrolló por primera vez en matemáticas la idea de Michael Faraday de que la inducción eléctrica se produce a través de un medio intermedio, o " dieléctrico ", y no por alguna incomprensible "acción a distancia". También ideó la técnica matemática de las imágenes eléctricas, que se convirtió en un poderoso agente para resolver problemas de electrostática , la ciencia que estudia las fuerzas entre cuerpos cargados eléctricamente en reposo. Fue en parte como respuesta a su estímulo que Faraday emprendió la investigación en septiembre de 1845 que condujo al descubrimiento del efecto Faraday , que estableció que la luz y los fenómenos magnéticos (y, por lo tanto, eléctricos) estaban relacionados.
Fue elegido miembro de la St. Peter's (como se llamaba a menudo a Peterhouse en esa época) en junio de 1845. [28] Al obtener la beca, pasó algún tiempo en el laboratorio del célebre Henri Victor Regnault , en París; pero en 1846 fue designado para la cátedra de filosofía natural en la Universidad de Glasgow. A los 22 años se encontró vistiendo la toga de profesor en una de las universidades más antiguas del país y dando conferencias a la clase de la que había sido estudiante de primer año unos años antes.
En 1847, Thomson ya se había ganado una reputación de científico precoz y disidente cuando asistió a la reunión anual de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Oxford . En esa reunión, escuchó a James Prescott Joule hacer otro de sus intentos, hasta entonces ineficaces, de desacreditar la teoría calórica del calor y la teoría de la máquina térmica construida a partir de ella por Sadi Carnot y Émile Clapeyron . Joule defendía la convertibilidad mutua del calor y el trabajo mecánico y su equivalencia mecánica.
Thomson se mostró intrigado, pero escéptico. Aunque creía que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se replegó a un compromiso aún más profundo con la escuela de Carnot-Clapeyron. Predijo que el punto de fusión del hielo debe caer con la presión , de lo contrario su expansión al congelarse podría aprovecharse en un perpetuum mobile . La confirmación experimental en su laboratorio contribuyó en gran medida a reforzar sus creencias.
En 1848, amplió la teoría de Carnot-Clapeyron aún más debido a su insatisfacción con el hecho de que el termómetro de gas sólo proporcionaba una definición operativa de la temperatura. Propuso una escala de temperatura absoluta [29] en la que "una unidad de calor que desciende desde un cuerpo A a la temperatura T ° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura ( T −1)°, daría el mismo efecto mecánico [trabajo] , cualquiera que sea el número T ". Una escala de este tipo sería "totalmente independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica". [30] Al emplear una "cascada" de este tipo, Thomson postuló que se alcanzaría un punto en el que no se podría transferir más calor (calórico), el punto de cero absoluto sobre el que Guillaume Amontons había especulado en 1702. "Reflexiones sobre la fuerza motriz del calor", publicada por Carnot en francés en 1824, el año del nacimiento de Lord Kelvin, utilizó −267 como estimación de la temperatura del cero absoluto. Thomson utilizó datos publicados por Regnault para calibrar su escala respecto a las mediciones establecidas.
En su publicación, Thomson escribió:
... La conversión de calor (o calórico ) en efecto mecánico es probablemente imposible, ciertamente no descubierta.
—Pero una nota a pie de página señaló sus primeras dudas sobre la teoría calórica, haciendo referencia a los descubrimientos muy notables de Joule . Sorprendentemente, Thomson no le envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando Joule finalmente lo leyó le escribió a Thomson el 6 de octubre, afirmando que sus estudios habían demostrado la conversión de calor en trabajo, pero que estaba planeando más experimentos. Thomson respondió el 27 de octubre, revelando que estaba planeando sus propios experimentos y esperando una reconciliación de sus dos lados.
Thomson volvió a criticar la publicación original de Carnot y leyó su análisis en la Royal Society de Edimburgo en enero de 1849, [31] todavía convencido de que la teoría era fundamentalmente sólida. Sin embargo, aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los dos años siguientes se sintió cada vez más insatisfecho con la teoría de Carnot y convencido de la de Joule. En febrero de 1851 se sentó a articular su nuevo pensamiento. No estaba seguro de cómo enmarcar su teoría, y el artículo pasó por varios borradores antes de decidirse por un intento de reconciliar a Carnot y Joule. Durante su reescritura, parece haber considerado ideas que posteriormente darían lugar a la segunda ley de la termodinámica . En la teoría de Carnot, el calor perdido se perdía absolutamente, pero Thomson sostenía que estaba " perdido para el hombre irremediablemente; pero no perdido en el mundo material". Además, sus creencias teológicas llevaron a Thomson a extrapolar la segunda ley al cosmos, originando la idea de la muerte térmica universal .
Creo que la tendencia en el mundo material es que el movimiento se difunda, y que en general se está produciendo gradualmente la inversión de la concentración; creo que ninguna acción física puede restaurar jamás el calor emitido por el Sol, y que esta fuente no es inagotable; también que los movimientos de la Tierra y otros planetas están perdiendo vis viva que se convierte en calor; y que aunque algo de vis viva puede restaurarse, por ejemplo, en la Tierra por el calor recibido del Sol, o por otros medios, esa pérdida no puede compensarse con precisión y creo que es probable que esté subcompensada. [32]
La compensación requeriría un acto creativo o un acto que poseyera un poder similar , [32] resultando en un universo rejuvenecedor (como Thomson había comparado previamente la muerte térmica universal con un reloj que funcionaba cada vez más lento, aunque no estaba seguro de si eventualmente alcanzaría el equilibrio termodinámico y se detendría para siempre ). [33] Thomson también formuló la paradoja de la muerte térmica (paradoja de Kelvin) en 1862, que utiliza la segunda ley de la termodinámica para refutar la posibilidad de un universo infinitamente viejo; esta paradoja fue posteriormente ampliada por William Rankine . [34]
En su publicación final, Thomson se retractó de una desviación radical y declaró que "toda la teoría de la fuerza motriz del calor se basa en... dos... proposiciones, debidas respectivamente a Joule, a Carnot y a Clausius". [35] Thomson continuó enunciando una forma de la segunda ley:
Es imposible, por medio de la acción de materiales inanimados, derivar un efecto mecánico de cualquier porción de materia enfriándola por debajo de la temperatura del más frío de los objetos circundantes. [36]
En el artículo, Thomson apoya la teoría de que el calor era una forma de movimiento, pero admite que había sido influenciado solo por el pensamiento de Sir Humphry Davy y los experimentos de Joule y Julius Robert von Mayer , manteniendo que la demostración experimental de la conversión de calor en trabajo aún estaba pendiente. [37] Tan pronto como Joule leyó el artículo, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una colaboración fructífera, aunque en gran parte epistolar, entre los dos hombres, Joule realizando experimentos, Thomson analizando los resultados y sugiriendo experimentos adicionales. La colaboración duró desde 1852 hasta 1856, sus descubrimientos, incluido el efecto Joule-Thomson , a veces llamado efecto Kelvin-Joule, y los resultados publicados [38] hicieron mucho para lograr la aceptación general del trabajo de Joule y la teoría cinética .
Thomson publicó más de 650 artículos científicos [2] y solicitó 70 patentes (no todas fueron concedidas). En cuanto a la ciencia, Thomson escribió lo siguiente:
En la ciencia física, un primer paso esencial para aprender cualquier tema es encontrar principios de cálculo numérico y métodos prácticos para medir alguna cualidad relacionada con él. A menudo digo que cuando puedes medir aquello de lo que estás hablando y expresarlo en números, sabes algo al respecto; pero cuando no puedes medirlo, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es de un tipo pobre e insatisfactorio: puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado, en tus pensamientos, hasta la etapa de la ciencia , sea cual sea el tema. [39]
Aunque era un eminente académico, Thomson era un desconocido para el público en general. En septiembre de 1852 se casó con su novia de la infancia Margaret Crum, hija de Walter Crum ; [7] pero la salud de ella se quebró durante su luna de miel, y durante los siguientes 17 años Thomson estuvo distraído por su sufrimiento. El 16 de octubre de 1854, George Gabriel Stokes le escribió a Thomson para intentar que volviera a interesarse en el trabajo preguntándole su opinión sobre algunos experimentos de Faraday sobre el cable telegráfico transatlántico propuesto .
Faraday había demostrado que la construcción de un cable limitaría la velocidad a la que se podían enviar mensajes (en términos modernos, el ancho de banda) . Thomson abordó el problema y publicó su respuesta ese mismo mes. [40] Expresó sus resultados en términos de la velocidad de datos que se podía lograr y las consecuencias económicas en términos de los ingresos potenciales de la empresa transatlántica. En un análisis posterior de 1855, [41] Thomson destacó el impacto que el diseño del cable tendría en su rentabilidad.
Thomson sostuvo que la velocidad de transmisión de señales a través de un cable determinado era inversamente proporcional al cuadrado de la longitud del cable. Los resultados de Thomson fueron cuestionados en una reunión de la Asociación Británica en 1856 por Wildman Whitehouse , el electricista de la Atlantic Telegraph Company . Whitehouse posiblemente había malinterpretado los resultados de sus propios experimentos, pero sin duda estaba sintiendo presión financiera ya que los planes para el cable ya estaban en marcha. Creía que los cálculos de Thomson implicaban que el cable debía ser "abandonado por ser práctica y comercialmente imposible".
Thomson atacó la afirmación de Whitehouse en una carta a la popular revista Athenaeum , [42] lanzándose a la opinión pública. Thomson recomendó un conductor más grande con una sección transversal de aislamiento más grande . Pensaba que Whitehouse no era un tonto y sospechaba que podría tener la habilidad práctica para hacer que el diseño existente funcionara. El trabajo de Thomson había atraído la atención de los empresarios del proyecto. En diciembre de 1856, fue elegido miembro de la junta directiva de la Atlantic Telegraph Company.
Thomson se convirtió en asesor científico de un equipo con Whitehouse como electricista jefe y Sir Charles Tilston Bright como ingeniero jefe, pero Whitehouse se salió con la suya con la especificación, apoyado por Faraday y Samuel FB Morse .
Thomson navegó a bordo del barco cablero HMS Agamemnon en agosto de 1857, con Whitehouse confinado a tierra debido a una enfermedad, pero el viaje terminó después de 380 millas (610 km) cuando el cable se partió. Thomson contribuyó al esfuerzo publicando en Engineer la teoría completa de las tensiones involucradas en el tendido de un cable de comunicaciones submarino , mostrando que cuando la línea sale del barco, a una velocidad constante en una profundidad de agua uniforme, se hunde en una pendiente oblicua o recta desde el punto donde entra al agua hasta donde toca el fondo. [43]
Thomson desarrolló un sistema completo para operar un telégrafo submarino que era capaz de enviar un carácter cada 3,5 segundos. Patentó los elementos clave de su sistema, el galvanómetro de espejo y el registrador de sifón , en 1858. Whitehouse todavía se sentía capaz de ignorar las muchas sugerencias y propuestas de Thomson. No fue hasta que Thomson convenció a la junta de que el uso de cobre más puro para reemplazar la sección perdida del cable mejoraría la capacidad de datos, que hizo la primera diferencia en la ejecución del proyecto. [44]
La junta insistió en que Thomson se uniera a la expedición de tendido de cables de 1858, sin compensación económica alguna, y que tomara parte activa en el proyecto. A cambio, Thomson consiguió una prueba para su galvanómetro de espejo, que no había entusiasmado a la junta, junto con el equipo de Whitehouse. Thomson consideró que el acceso que se le había dado no era satisfactorio, y el Agamemnon tuvo que regresar a casa tras una desastrosa tormenta en junio de 1858. En Londres, la junta estaba a punto de abandonar el proyecto y mitigar sus pérdidas vendiendo el cable. Thomson, Cyrus West Field y Curtis M. Lampson abogaron por otro intento y prevalecieron, ya que Thomson insistió en que los problemas técnicos eran solucionables. Aunque se le contrató en calidad de asesor, Thomson había desarrollado durante los viajes los instintos de un verdadero ingeniero y la habilidad para resolver problemas prácticos bajo presión, a menudo tomando la iniciativa en el tratamiento de emergencias y sin miedo a ayudar en el trabajo manual. Se completó un cable el 5 de agosto.
Los temores de Thomson se hicieron realidad cuando el aparato de Whitehouse demostró no ser lo suficientemente sensible y tuvo que ser reemplazado por el galvanómetro de espejo de Thomson. Whitehouse siguió sosteniendo que era su equipo el que proporcionaba el servicio y comenzó a tomar medidas desesperadas para remediar algunos de los problemas. Dañó fatalmente el cable al aplicar 2.000 voltios . Cuando el cable falló por completo, Whitehouse fue despedido, aunque Thomson se opuso y fue reprendido por la junta por su interferencia. Thomson posteriormente lamentó haber aceptado con demasiada facilidad muchas de las propuestas de Whitehouse y no haberlo desafiado con suficiente vigor. [45]
La Junta de Comercio y la Atlantic Telegraph Company crearon un comité conjunto de investigación . Se determinó que la mayor parte de la culpa del fallo del cable recaía sobre Whitehouse. [46] El comité determinó que, aunque los cables submarinos eran conocidos por su falta de fiabilidad , la mayoría de los problemas surgían de causas conocidas y evitables. Thomson fue designado miembro de un comité de cinco miembros para recomendar una especificación para un nuevo cable. El comité presentó su informe en octubre de 1863. [47]
En julio de 1865, Thomson se embarcó en la expedición de tendido de cables del SS Great Eastern , pero el viaje se vio obstaculizado por problemas técnicos. El cable se perdió después de haber tendido 1.900 km y el proyecto se abandonó. Un nuevo intento en 1866 tendió un nuevo cable en dos semanas y luego recuperó y completó el cable de 1865. La empresa fue celebrada como un triunfo por el público y Thomson disfrutó de una gran parte de la adulación. Thomson, junto con los otros directores del proyecto, fue nombrado caballero el 10 de noviembre de 1866. Para explotar sus inventos para la señalización en cables submarinos largos, Thomson se asoció con CF Varley y Fleeming Jenkin . Junto con este último, también ideó un transmisor automático de bordillo , una especie de llave telegráfica para enviar mensajes por cable.
Thomson participó en el tendido del cable de comunicaciones submarino francés del Atlántico en 1869 y, junto con Jenkin, fue ingeniero de los cables occidental, brasileño y platino-brasileño, asistido por el estudiante de vacaciones James Alfred Ewing . Estuvo presente en el tendido del tramo Pará - Pernambuco de los cables de la costa brasileña en 1873.
La esposa de Thomson, Margaret, murió el 17 de junio de 1870, y él decidió hacer cambios en su vida. Ya adicto a la navegación, en septiembre compró una goleta de 126 toneladas , la Lalla Rookh [48] [49] y la utilizó como base para recibir amigos y colegas científicos. Sus intereses marítimos continuaron en 1871 cuando fue designado miembro de la Junta de Investigación sobre el hundimiento del HMS Captain .
En junio de 1873, Thomson y Jenkin estaban a bordo del Hooper , rumbo a Lisboa con 4020 km de cable, cuando el cable sufrió una avería. A continuación, hicieron una escala no programada de 16 días en Madeira , y Thomson se hizo muy amigo de Charles R. Blandy y sus tres hijas. El 2 de mayo de 1874 zarpó hacia Madeira en el Lalla Rookh . Al acercarse al puerto, hizo una señal a la residencia de los Blandy: "¿Quieres casarte conmigo?" y Fanny (la hija de Blandy, Frances Anna Blandy) respondió con una señal: "Sí". Thomson se casó con Fanny, 13 años menor que él, el 24 de junio de 1874.
Durante el período de 1855 a 1867, Thomson colaboró con Peter Guthrie Tait en un libro de texto que fundó el estudio de la mecánica primero en las matemáticas de la cinemática , la descripción del movimiento sin tener en cuenta la fuerza . El texto desarrolló la dinámica en varias áreas pero con atención constante a la energía como principio unificador. Una segunda edición apareció en 1879, ampliada a dos partes encuadernadas por separado. El libro de texto estableció un estándar para la educación temprana en física matemática .
Thomson hizo contribuciones significativas a la electricidad atmosférica durante el tiempo relativamente corto que trabajó en el tema, alrededor de 1859. [50] Desarrolló varios instrumentos para medir el campo eléctrico atmosférico, utilizando algunos de los electrómetros que había desarrollado inicialmente para el trabajo de telégrafo, que probó en Glasgow y durante sus vacaciones en Arran. Sus mediciones en Arran fueron lo suficientemente rigurosas y bien calibradas como para poder usarse para deducir la contaminación del aire del área de Glasgow, a través de sus efectos en el campo eléctrico atmosférico. [51] El electrómetro de gotero de agua de Thomson se utilizó para medir el campo eléctrico atmosférico en el Observatorio de Kew y el Observatorio de Eskdalemuir durante muchos años, [52] y uno todavía estaba en uso de manera operativa en el Observatorio de Kakioka en Japón [53] hasta principios de 2021. Thomson puede haber observado involuntariamente los efectos eléctricos atmosféricos causados por el evento Carrington (una tormenta geomagnética significativa) a principios de septiembre de 1859. [50]
Entre 1870 y 1890, la teoría del átomo en vórtice, que proponía que un átomo era un vórtice en el éter , fue popular entre los físicos y matemáticos británicos. Thomson fue pionero en la teoría, que se diferenciaba de la teoría del vórtice del siglo XVII de René Descartes en que Thomson pensaba en términos de una teoría del continuo unitario, mientras que Descartes pensaba en términos de tres tipos diferentes de materia, cada uno relacionado respectivamente con la emisión, la transmisión y la reflexión de la luz. [54] Aproximadamente 25 científicos escribieron alrededor de 60 artículos científicos. Siguiendo el liderazgo de Thomson y Tait, [55] se desarrolló la rama de la topología llamada teoría de nudos . La iniciativa de Thomson en este estudio complejo que continúa inspirando nuevas matemáticas ha llevado a la persistencia del tema en la historia de la ciencia . [56]
Thomson era un entusiasta navegante, y su interés por todo lo relacionado con el mar tal vez surgió de sus experiencias en el Agamemnon y el Great Eastern o se vio fomentado por ellas . Thomson introdujo un nuevo método de sondeo de profundidad en aguas profundas , en el que un alambre de piano de acero reemplaza la cuerda manual habitual. El alambre se desliza tan fácilmente hasta el fondo que se pueden realizar "sondeos al vuelo" mientras el barco está a toda velocidad. Thomson añadió un manómetro para registrar la profundidad del plomo. [57] Casi al mismo tiempo, revivió el método Sumner para encontrar la posición de un barco y calculó un conjunto de tablas para su fácil aplicación.
Durante la década de 1880, Thomson trabajó para perfeccionar la brújula ajustable para corregir errores que surgían de la desviación magnética debido al mayor uso del hierro en la arquitectura naval . El diseño de Thomson fue una gran mejora con respecto a los instrumentos más antiguos, ya que era más estable y se veía menos obstaculizado por la fricción. La desviación causada por el magnetismo del barco se corrigió mediante masas de hierro móviles en la bitácora . Las innovaciones de Thomson implicaron mucho trabajo detallado para desarrollar los principios identificados por George Biddell Airy y otros, pero contribuyeron poco en términos de pensamiento físico novedoso. El enérgico cabildeo y la creación de redes de Thomson resultaron eficaces para lograr la aceptación de su instrumento por parte del Almirantazgo .
Los biógrafos científicos de Thomson, si es que han prestado alguna atención a sus innovaciones en el campo de las brújulas, por lo general han considerado que se trata de una triste saga de administradores navales tontos que se resisten a las maravillosas innovaciones de una mente científica superlativa. Los escritores que simpatizan con la Marina, por otra parte, describen a Thomson como un hombre de indudable talento y entusiasmo, con un conocimiento genuino del mar, que logró convertir un puñado de ideas modestas en el diseño de brújulas en un monopolio comercial para su propia empresa manufacturera, utilizando su reputación como garrote en los tribunales para derribar incluso pequeñas afirmaciones de originalidad de otros, y persuadiendo al Almirantazgo y a la ley para que pasaran por alto tanto las deficiencias de su propio diseño como las virtudes de los de sus competidores.
La verdad, inevitablemente, parece estar en algún lugar entre los dos extremos. [58]
Charles Babbage había sido uno de los primeros en sugerir que se podría hacer que un faro señalara un número distintivo mediante ocultaciones de su luz, pero Thomson señaló los méritos del código Morse para ese propósito e instó a que las señales deberían consistir en destellos cortos y largos de la luz para representar los puntos y las rayas.
Thomson hizo más que cualquier otro electricista hasta su tiempo en la introducción de métodos y aparatos precisos para medir la electricidad. Ya en 1845 señaló que los resultados experimentales de William Snow Harris estaban de acuerdo con las leyes de Coulomb . En las Memorias de la Academia Romana de Ciencias de 1857 publicó una descripción de su electrómetro de anillo dividido , basado en el electroscopio de Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger . Introdujo una cadena o serie de instrumentos efectivos, incluido el electrómetro de cuadrante, que cubren todo el campo de la medición electrostática. Inventó la balanza de corriente , también conocida como balanza de Kelvin o balanza de Ampere ( SiC ), para la especificación precisa del amperio , la unidad estándar de corriente eléctrica . Desde alrededor de 1880 fue ayudado por el ingeniero eléctrico Magnus Maclean FRSE en sus experimentos eléctricos. [59]
En 1893, Thomson encabezó una comisión internacional para decidir sobre el diseño de la central eléctrica de las cataratas del Niágara . A pesar de su creencia en la superioridad de la transmisión de energía eléctrica por corriente continua , respaldó el sistema de corriente alterna de Westinghouse que se había demostrado en la Feria Mundial de Chicago de ese año. Incluso después de las cataratas del Niágara, Thomson seguía creyendo que la corriente continua era el sistema superior. [60]
En reconocimiento a su contribución a la estandarización eléctrica, la Comisión Electrotécnica Internacional eligió a Thomson como su primer presidente en su reunión preliminar, celebrada en Londres los días 26 y 27 de junio de 1906. "A propuesta del Presidente [Sr. Alexander Siemens, Gran Bretaña], secundada [sic] por el Sr. Mailloux [Instituto de Ingenieros Eléctricos de los EE. UU.], el Muy Honorable Lord Kelvin, GCVO , OM , fue elegido por unanimidad primer Presidente de la Comisión", se lee en las actas del Informe de la Reunión Preliminar. [61]
Kelvin hizo una estimación temprana basada en la física de la edad de la Tierra . Dado su trabajo juvenil sobre la figura de la Tierra y su interés en la conducción del calor, no es sorprendente que eligiera investigar el enfriamiento de la Tierra y hacer inferencias históricas de la edad de la Tierra a partir de sus cálculos. Thomson era un creacionista en un sentido amplio, pero no era un " geólogo del diluvio " [62] (una visión que había perdido el apoyo científico generalizado en la década de 1840). [63] [64] Sostuvo que las leyes de la termodinámica operaron desde el nacimiento del universo y previó un proceso dinámico que vio la organización y evolución del Sistema Solar y otras estructuras, seguidas por una "muerte térmica" gradual. Desarrolló la visión de que la Tierra había sido una vez demasiado caliente para soportar la vida y contrastó esta visión con la del uniformismo , que las condiciones habían permanecido constantes desde el pasado indefinido. Sostuvo que "Esta tierra, ciertamente hace un número moderado de millones de años, era un globo al rojo vivo..." [65]
Después de la publicación de El origen de las especies de Charles Darwin en 1859, Thomson consideró que la evidencia de la relativamente corta edad habitable de la Tierra tendía a contradecir la explicación gradualista de Darwin de la lenta selección natural que produjo la diversidad biológica . Las propias opiniones de Thomson favorecían una versión de la evolución teísta acelerada por la guía divina. [66] Sus cálculos mostraron que el Sol no podría haber existido el tiempo suficiente para permitir el lento desarrollo incremental por evolución , a menos que fuera calentado por una fuente de energía más allá del conocimiento de la ciencia de la era victoriana . Pronto se vio arrastrado a un desacuerdo público con los geólogos y con los partidarios de Darwin, John Tyndall y TH Huxley . En su respuesta al discurso de Huxley en la Sociedad Geológica de Londres (1868), presentó su discurso "De la dinámica geológica" (1869) [67] que, entre sus otros escritos, desafió la afirmación de los geólogos de que la Tierra debe ser enormemente antigua, tal vez miles de millones de años. [68]
La estimación inicial de Thomson de la edad de la Tierra en 1864 fue de entre 20 y 400 millones de años. Estos límites amplios se debieron a su incertidumbre sobre la temperatura de fusión de la roca, a la que equiparó la temperatura interior de la Tierra, [69] [70] así como a la incertidumbre en las conductividades térmicas y los calores específicos de las rocas. Con los años, refinó sus argumentos y redujo el límite superior por un factor de diez, y en 1897 Thomson, ahora Lord Kelvin, finalmente se estableció en una estimación de que la Tierra tenía entre 20 y 40 millones de años. [65] [71] En una carta publicada en Scientific American Supplement 1895 Kelvin criticó las estimaciones de los geólogos sobre la edad de las rocas y la edad de la Tierra, incluidas las opiniones publicadas por Darwin, como "edad vagamente vasta". [72]
Su exploración de esta estimación se puede encontrar en su discurso de 1897 en el Instituto Victoria , dado a petición del presidente del instituto George Stokes , [73] como se registra en la revista Transactions de ese instituto . [74] Aunque su ex asistente John Perry publicó un artículo en 1895 desafiando la suposición de Kelvin de baja conductividad térmica dentro de la Tierra, y por lo tanto mostrando una edad mucho mayor, [75] esto tuvo poco impacto inmediato. El descubrimiento en 1903 de que la desintegración radiactiva libera calor llevó a que la estimación de Kelvin fuera cuestionada, y Ernest Rutherford argumentó famosamente en una conferencia de 1904 a la que asistió Kelvin que esto proporcionaba la fuente de energía desconocida que Kelvin había sugerido, pero la estimación no fue revocada hasta el desarrollo en 1907 de la datación radiométrica de rocas. [68]
El descubrimiento de la radiactividad invalidó en gran medida la estimación de Kelvin sobre la edad de la Tierra. Aunque finalmente pagó una apuesta de caballeros con Strutt sobre la importancia de la radiactividad en la geología de la Tierra, nunca lo reconoció públicamente porque pensó que tenía un argumento mucho más sólido para restringir la edad del Sol a no más de 20 millones de años. Sin la luz solar, no podría haber explicación para el registro de sedimentos en la superficie de la Tierra. En ese momento, la única fuente conocida de energía solar era el colapso gravitacional . Fue solo cuando se reconoció la fusión termonuclear en la década de 1930 que la paradoja de la edad de Kelvin se resolvió realmente. [76] Sin embargo, la cosmología moderna reconoce el período Kelvin en la vida temprana de una estrella, durante el cual brilla a partir de la energía gravitacional (calculada correctamente por Kelvin) antes de que comience la fusión y la secuencia principal.
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En el invierno de 1860-61, Kelvin se resbaló en el hielo mientras jugaba curling cerca de su casa en Netherhall y se fracturó la pierna, lo que le obligó a perderse la reunión de Manchester de 1861 de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia y a cojear a partir de entonces. [7] Siguió siendo una especie de celebridad en ambos lados del Atlántico hasta su muerte.
Thomson siguió siendo un devoto creyente del cristianismo durante toda su vida; asistir a la capilla era parte de su rutina diaria. [77] Consideraba que su fe cristiana respaldaba e informaba su trabajo científico, como se desprende de su discurso en la reunión anual de la Christian Evidence Society [78] el 23 de mayo de 1889. [79]
En la lista de honores de la coronación de 1902 publicada el 26 de junio de 1902 (el día original de la coronación de Eduardo VII y Alejandra ), [80] Kelvin fue nombrado consejero privado y uno de los primeros miembros de la nueva Orden del Mérito (OM). Recibió la orden del rey el 8 de agosto de 1902 [81] [82] y juró como miembro del consejo en el palacio de Buckingham el 11 de agosto de 1902. [83] En sus últimos años, a menudo viajaba a su casa de la ciudad en 15 Eaton Place, cerca de Eaton Square en Belgravia , Londres . [7]
En noviembre de 1907 se resfrió y su estado empeoró hasta que murió en su casa de campo escocesa, Netherhall, en Largs el 17 de diciembre. [84] A petición de la Abadía de Westminster , la empresa de pompas fúnebres Wylie & Lochhead preparó un ataúd de roble forrado de plomo. En la oscuridad de la tarde de invierno, el cortejo partió de Netherhall hacia la estación de tren de Largs , una distancia de aproximadamente una milla. Grandes multitudes presenciaron el paso del cortejo y los comerciantes cerraron sus locales y atenuaron las luces. El ataúd fue colocado en un vagón especial de Midland and Glasgow and South Western Railway . El tren partió a las 8:30 pm hacia Kilmarnock , donde el vagón se unió al expreso nocturno a la estación de tren de St Pancras en Londres. [85]
El funeral de Kelvin se celebró el 23 de diciembre de 1907. [7] La abadía estaba repleta, incluidos representantes de la Universidad de Glasgow y la Universidad de Cambridge , junto con representantes de Francia, Italia, Alemania, Austria-Hungría , Rusia, Estados Unidos, Canadá, Australia, Japón y Mónaco . La tumba de Kelvin está en la nave , cerca del coro , y cerca de las tumbas de Isaac Newton , John Herschel y Charles Darwin . [86] El hijo de Darwin, Sir George Darwin , fue uno de los portadores del féretro. [87]
La Universidad de Glasgow celebró un servicio conmemorativo para Kelvin en el Bute Hall. Kelvin había sido miembro de la Iglesia Episcopal Escocesa , adscrita a la Iglesia Episcopal de San Columba en Largs, y cuando estaba en Glasgow, a la Iglesia Episcopal de Santa María (ahora, la Catedral de Santa María, Glasgow ). [85] Al mismo tiempo que el funeral en la Abadía de Westminster, se celebró un servicio en la Iglesia Episcopal de San Columba, Largs, al que asistió una gran congregación, incluidos dignatarios del burgo. [88]
Lord Kelvin está conmemorado en la tumba de la familia Thomson en la Necrópolis de Glasgow . La tumba familiar tiene un segundo monumento moderno, erigido por la Royal Philosophical Society de Glasgow ; una sociedad de la que fue presidente en los períodos 1856-58 y 1874-77. [89]
En 1884, Lord Kelvin dirigió una clase magistral sobre "Dinámica molecular y la teoría ondulatoria de la luz" en la Universidad Johns Hopkins . [90] Kelvin se refirió a la ecuación de onda acústica que describe el sonido como ondas de presión en el aire e intentó describir también una ecuación de onda electromagnética , suponiendo un éter luminífero susceptible a la vibración. El grupo de estudio incluyó a Albert A. Michelson y Edward W. Morley , quienes posteriormente realizaron el experimento de Michelson-Morley , que no encontró éter luminífero. Kelvin no proporcionó un texto, pero AS Hathaway tomó notas y las duplicó con un papirógrafo . Como el tema estaba en desarrollo activo, Kelvin modificó ese texto y en 1904 fue compuesto y publicado. Los intentos de Kelvin de proporcionar modelos mecánicos finalmente fracasaron en el régimen electromagnético. A partir de su conferencia de 1884, fue el primer científico en formular el concepto hipotético de materia oscura ; luego intentó definir y localizar algunos "cuerpos oscuros" en la Vía Láctea . [91] [92]
Se mostró escéptico sobre la predicción de Maxwell sobre la presión de radiación , pero admitió que existía después de ver la prueba experimental de la presión de radiación de Pyotr Lebedev . [93]
El 27 de abril de 1900, dio una conferencia ampliamente difundida titulada "Nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz" en la Royal Institution. [94] [95] Las dos "nubes oscuras" a las que aludía eran la confusión en torno a cómo se mueve la materia a través del éter (incluidos los desconcertantes resultados del experimento de Michelson-Morley) y las indicaciones de que el teorema de equipartición en mecánica estadística podría romperse. Dos teorías físicas importantes se desarrollaron durante el siglo XX a partir de estos temas: para la primera, la teoría de la relatividad ; para la segunda, la mecánica cuántica . En 1905, Albert Einstein publicó los llamados artículos annus mirabilis , uno de los cuales explicaba el efecto fotoeléctrico basado en el descubrimiento de Max Planck de los cuantos de energía que fue la base de la mecánica cuántica, otro de los cuales describía la relatividad especial , y el último de los cuales explicaba el movimiento browniano en términos de mecánica estadística, proporcionando un sólido argumento para la existencia de átomos.
Como muchos científicos, Thomson cometió algunos errores al predecir el futuro de la tecnología.
Su biógrafo Silvanus P. Thompson escribe que "Cuando se anunció el descubrimiento de los rayos X por parte de Röntgen a finales de 1895, Lord Kelvin se mostró totalmente escéptico y consideró el anuncio como un engaño. Los periódicos habían estado llenos de las maravillas de los rayos de Röntgen, sobre los que Lord Kelvin se mostraba intensamente escéptico hasta que el propio Röntgen le envió una copia de sus Memorias"; el 17 de enero de 1896, tras leer el periódico y ver las fotografías, escribió a Röntgen una carta en la que decía que "no necesito decirle que cuando leí el periódico quedé muy sorprendido y encantado. No puedo decir más ahora que felicitarlo calurosamente por el gran descubrimiento que ha hecho" [96]. Kelvin se hizo tomar una radiografía de la mano en mayo de 1896. [97]
Su pronóstico para la aviación práctica (es decir, aeronaves más pesadas que el aire) fue negativo. En 1896 rechazó una invitación para unirse a la Sociedad Aeronáutica, escribiendo: "No tengo la más mínima fe en la navegación aérea, salvo en los globos aerostáticos, ni en la expectativa de buenos resultados de ninguna de las pruebas de las que tenemos noticias". [98] En una entrevista de periódico de 1902, predijo que "Ningún globo ni ningún aeroplano tendrán jamás éxito en la práctica". [99]
Una afirmación falsamente atribuida a Kelvin es: "No hay nada nuevo que descubrir en física ahora. Todo lo que queda es una medición cada vez más precisa". Esto ha sido atribuido erróneamente a Kelvin desde la década de 1980, ya sea sin citarlo o afirmando que lo hizo en un discurso ante la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (1900). [100] No hay evidencia de que Kelvin haya dicho esto, [101] [102] y la cita es en cambio una paráfrasis de Albert A. Michelson, quien en 1894 afirmó: "... parece probable que la mayoría de los grandes principios subyacentes hayan sido firmemente establecidos... Un físico eminente comentó que las verdades futuras de la ciencia física deben buscarse en el sexto lugar de los decimales". [102] Otros dieron declaraciones similares anteriormente, como Philipp von Jolly . [103] La atribución a Kelvin en 1900 es presumiblemente una confusión con su conferencia “Dos nubes” y que por el contrario señalaba áreas que posteriormente verían revoluciones.
En 1898, Kelvin predijo que solo quedaban 400 años de suministro de oxígeno en el planeta, debido a la tasa de quema de combustibles. [104] [105] En su cálculo, Kelvin asumió que la fotosíntesis era la única fuente de oxígeno libre; no conocía todos los componentes del ciclo del oxígeno . [ dudoso – discutir ] Ni siquiera podría haber conocido todas las fuentes de la fotosíntesis: por ejemplo, la cianobacteria Prochlorococcus —que representa más de la mitad de la fotosíntesis marina— no fue descubierta hasta 1986.
Una variedad de fenómenos y conceptos físicos con los que Thomson está asociado se denominan Kelvin , entre ellos:
El monte Kelvin, en la cordillera Paparoa de Nueva Zelanda , recibió su nombre gracias al botánico William Trownson. [106]
Su primera esposa fue Margaret Crum y se casó en segundas nupcias con Frances Blandy, pero no tuvo hijos.
físico teórico y experimental británico
Lord Kelvin 1824–1907 Físico y filósofo naturalbritánico
Kelvin, Lord (1824–1907) Matemático, físico e ingeniero británico
Un científico escocés nacido en Belfast
Kelvin, Lord (William Thomson) (1824–1907) físico escocés
Lord Kelvin 1824–1907 Científico británico
Kelvin, Lord (William Thomson; 1824–1907) físico británico
Kelvin, Lord (William Thomson; 1824–1907) Físico británico, nacido en Belfast
