William Thomson, primer barón Kelvin , OM , GCVO , PC , FRS , FRSE (26 de junio de 1824 - 17 de diciembre de 1907) [7] fue un matemático , físico matemático e ingeniero británico nacido en Belfast . [8] Fue profesor de Filosofía Natural en la Universidad de Glasgow durante 53 años, donde llevó a cabo importantes investigaciones y análisis matemáticos de la electricidad, la formulación de la primera y segunda leyes de la termodinámica , y contribuyó significativamente a unificar la física , que fue luego en su infancia de desarrollo como disciplina académica emergente. Recibió la Medalla Copley de la Royal Society en 1883 y fue su presidente de 1890 a 1895. En 1892, se convirtió en el primer científico británico elevado a la Cámara de los Lores . [2]
Las temperaturas absolutas se expresan en unidades de kelvin en su honor. Si bien antes de su trabajo se conocía la existencia de la temperatura más fría posible, conocida como cero absoluto , Kelvin es conocido por determinar su valor correcto como aproximadamente -273,15 grados Celsius o -459,67 grados Fahrenheit . El efecto Joule-Thomson también lleva su nombre en su honor.
Trabajó en estrecha colaboración con el profesor de matemáticas Hugh Blackburn en su trabajo. También tuvo una carrera como ingeniero e inventor de telégrafos eléctricos que lo impulsó a la luz pública 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 de navegación , que anteriormente tenía una confiabilidad limitada.
Fue ennoblecido en 1892 en reconocimiento a sus logros en termodinámica y a su oposición al gobierno autónomo irlandés , [9] [10] [11] convirtiéndose en el barón Kelvin, de Largs en el condado de Ayr . El título se refiere 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 y permaneció 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. -Presidente del consejo de administración de la empresa británica Kodak Limited, afiliada a Eastman Kodak . [12] En 1904 se convirtió en rector de la Universidad de Glasgow . [7]
Residió en Netherhall, una mansión de piedra roja en Largs , que construyó en la década de 1870 y donde murió en 1907. El Museo Hunteriano de la Universidad de Glasgow tiene una exposición permanente sobre la obra de Kelvin, que incluye muchos de sus artículos 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 niños y dos niñas sobrevivieron la infancia. Margaret Thomson murió en 1830, cuando William tenía seis años. [13]
William y su hermano mayor James recibieron tutoría en casa de su padre, mientras que los niños más jóvenes recibieron tutoría de sus hermanas mayores. Se pretendía que James se beneficiara 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 mudó allí en octubre de 1833. Los niños Thomson conocieron una experiencia cosmopolita más amplia que la educación rural de su padre, y pasaron mediados de 1839 en Londres, y los niños recibieron tutoría. en francés en París. Gran parte de la vida de Thomson a mediados de la década de 1840 la pasó en Alemania y los Países Bajos . Se dio alta prioridad al estudio del idioma.
Su hermana, Anna Thomson, era la madre del físico James Thomson Bottomley FRSE . [14]
Thomson tuvo problemas cardíacos y casi muere cuando tenía 9 años. 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 alguna; la universidad proporcionaba muchas de las instalaciones de una escuela primaria para alumnos capaces, y ésta era una edad de inicio típica. En la escuela, Thomson 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 astronomía por su "Ensayo sobre la figura de la Tierra", que mostró una temprana facilidad para el análisis matemático y la creatividad. Su tutor de física en ese momento era su tocayo, David Thomson . [15] A lo largo de su vida, trabajaría en los problemas planteados en el ensayo como estrategia de afrontamiento en momentos de estrés personal. En la portada 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! monte donde guía la ciencia;
Ve a medir la tierra, pesar el aire y declarar las mareas;
Instruye a los planetas sobre qué orbes ejecutar,Corregir el tiempo antiguo y regular el sol;
Thomson quedó 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 nacionales, y Philip Kelland escribió un libro crítico. El libro motivó a Thomson a escribir su primer artículo científico publicado [16] bajo el seudónimo de PQR , defendiendo a Fourier, que fue presentado a The Cambridge Mathematical Journal por su padre. Casi inmediatamente apareció un segundo artículo de PQR. [17]
Mientras estaba de vacaciones con su familia en Lamlash en 1841, escribió un tercer artículo de PQR, más sustancial, Sobre el movimiento uniforme del calor en cuerpos sólidos homogéneos y su conexión con la teoría matemática de la electricidad . [18] 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 más valiosas para la formación de la ciencia . [19]
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 los deportes, el atletismo y el remo , ganando el Colquhoun Sculls en 1843. [20] 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 wrangler . [21] También ganó el primer Premio Smith , que, a diferencia de los tripos , es una prueba de investigación original. Se dice que Robert Leslie Ellis , uno de los examinadores, le declaró a otro examinador: "Tú y yo estamos en condiciones de reparar sus plumas". [22]
En 1845, dio el primer desarrollo matemático de la idea de Michael Faraday de que la inducción eléctrica tiene lugar a través de un medio intermedio, o " dieléctrico ", y no mediante alguna "acción a distancia" incomprensible. También ideó la técnica matemática de las imágenes eléctricas, que se convirtió en un poderoso agente para resolver problemas de electrostática , la ciencia que se ocupa de las fuerzas entre cuerpos cargados eléctricamente en reposo. Fue en parte en respuesta a su estímulo que Faraday emprendió la investigación en septiembre de 1845 que condujo al descubrimiento del efecto Faraday , que estableció que los fenómenos luminosos y magnéticos (y por tanto eléctricos) estaban relacionados.
Fue elegido miembro de San Pedro (como se llamaba a menudo Peterhouse en ese momento) en junio de 1845. [23] Al obtener la beca, pasó algún tiempo en el laboratorio del célebre Henri Victor Regnault , en París; pero en 1846 fue nombrado catedrático 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 en la clase en la que era estudiante de primer año unos años antes.
En 1847, Thomson ya se había ganado la reputación de científico precoz e inconformista 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 realizar otro de sus, hasta ahora, ineficaces intentos de desacreditar la teoría calórica del calor y la teoría de la máquina térmica construida sobre ella por Sadi Carnot y Émile Clapeyron . Joule defendió la convertibilidad mutua del calor y el trabajo mecánico y su equivalencia mecánica.
Thomson estaba intrigado pero escéptico. Aunque sentía que los resultados de Joule exigían una explicación teórica, se retiró a un compromiso aún más profundo con la escuela Carnot-Clapeyron. Predijo que el punto de fusión del hielo debe disminuir con la presión , de lo contrario su expansión al congelarse podría explotarse en un perpetuum mobile . La confirmación experimental en su laboratorio contribuyó en gran medida a reforzar sus creencias.
En 1848, amplió aún más la teoría de Carnot-Clapeyron debido a su insatisfacción de que el termómetro de gas proporcionaba sólo una definición operativa de temperatura. Propuso una escala de temperatura absoluta [24] en la que "una unidad de calor que desciende de un cuerpo A a la temperatura T ° de esta escala, a un cuerpo B a la temperatura ( T −1)°, produciría la misma temperatura mecánica". efecto [trabajo] , cualquiera que sea el número T. " Una escala así sería "bastante independiente de las propiedades físicas de cualquier sustancia específica". [25] Al emplear tal "cascada", Thomson postuló que se alcanzaría un punto en el que no se podría transferir más calor (calórico), el punto del cero absoluto sobre el que Guillaume Amontons había especulado en 1702. "Reflexiones sobre el motivo Power of Heat", publicado 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 con respecto a medidas 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, refiriéndose a los muy notables descubrimientos de Joule . Sorprendentemente, Thomson no envió a Joule una copia de su artículo, pero cuando finalmente Joule 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 puntos de vista.
Thomson volvió a criticar la publicación original de Carnot y leyó su análisis en la Royal Society de Edimburgo en enero de 1849, [26] todavía convencido de que la teoría era fundamentalmente sólida. Sin embargo, aunque Thomson no realizó nuevos experimentos, durante los dos años siguientes estuvo 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 formular su teoría, y el artículo pasó por varios borradores antes de que se decidiera por intentar 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 por completo, pero Thomson sostenía que " el hombre lo perdía irremediablemente; pero no se perdía en el mundo material". Es más, sus creencias teológicas llevaron a Thomson a extrapolar la segunda ley al cosmos, originando la idea de la muerte universal por calor .
Creo que la tendencia en el mundo material es que el movimiento se vuelva difuso, y que en general se está produciendo gradualmente lo contrario de la concentración: creo que ninguna acción física podrá jamás restaurar el calor emitido por el Sol, y que esta fuente es no inagotable; también que los movimientos de la Tierra y de otros planetas van perdiendo vis viva que se convierte en calor; y que aunque se puede restaurar algo de vis viva en la Tierra, por ejemplo, mediante el calor recibido del sol o por otros medios, la pérdida no puede compensarse con precisión y creo que es probable que esté insuficientemente compensada. [27]
La compensación requeriría un acto creativo o un acto que posea un poder similar , [27] dando como resultado un universo rejuvenecedor (ya que Thomson había comparado previamente la muerte por calor universal con un reloj que funciona cada vez más lento, aunque no estaba seguro de si eventualmente alcanzaría el equilibrio termodinámico y detenerse para siempre ). [28] Thomson también formuló la paradoja de la muerte por calor (la 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 ampliada más tarde por William Rankine . [29]
En su publicación final, Thomson se retractó de un cambio radical y declaró que "toda la teoría de la fuerza motriz del calor se basa en... dos... proposiciones, debidas respectivamente a Joule, Carnot y Clausius". [30] Thomson pasó a establecer una forma de la segunda ley:
Es imposible, por medio de agentes materiales inanimados, derivar un efecto mecánico de cualquier porción de materia enfriándola por debajo de la temperatura del más frío de los objetos circundantes. [31]
En el artículo, Thomson apoya la teoría de que el calor era una forma de movimiento pero admite que había sido influenciado sólo 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 el trabajo todavía estaba pendiente. [32] Tan pronto como Joule leyó el artículo, le escribió a Thomson con sus comentarios y preguntas. Así comenzó una colaboración fructífera, aunque en gran medida epistolar, entre los dos hombres: Joule dirigió experimentos y Thomson analizó los resultados y sugirió nuevos experimentos. La colaboración duró de 1852 a 1856, sus descubrimientos incluyeron el efecto Joule-Thomson , a veces llamado efecto Kelvin-Joule, y los resultados publicados [33] contribuyeron en gran medida a 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). Respecto a la ciencia, Thomson escribió lo siguiente:
En las ciencias físicas, un primer paso esencial hacia el aprendizaje de cualquier tema es encontrar principios de cálculo numérico y métodos practicables para medir alguna cualidad relacionada con ellos. 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 escaso e insatisfactorio: puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado, en tus pensamientos, a la etapa de la ciencia , sea cual sea. el asunto puede ser. [34]
Aunque eminente en el campo académico, Thomson era 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 su salud se deterioró 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 escribió a Thomson para intentar volver a interesarle en el trabajo pidiéndole su opinión sobre algunos experimentos de Faraday sobre el proyecto de cable telegráfico transatlántico .
Faraday había demostrado cómo 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 mes. [35] Expresó sus resultados en términos de la velocidad de datos que podría alcanzarse y las consecuencias económicas en términos de ingresos potenciales de la empresa transatlántica. En otro análisis de 1855, [36] Thomson destacó el impacto que el diseño del cable tendría en su rentabilidad.
Thomson sostuvo que la velocidad de señalización 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 . Es posible que Whitehouse hubiera malinterpretado los resultados de sus propios experimentos, pero sin duda sentía 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 prácticamente y comercialmente imposible".
Thomson atacó el argumento de Whitehouse en una carta a la popular revista Athenaeum , [37] mostrándose a la vista del público. Thomson recomendó un conductor más grande con una sección transversal de aislamiento más grande . Pensó que Whitehouse no era 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 encargados del proyecto. En diciembre de 1856, fue elegido miembro de la junta directiva de Atlantic Telegraph Company.
Thomson se convirtió en asesor científico de un equipo con Whitehouse como jefe de electricidad y Sir Charles Tilston Bright como jefe de ingeniería, 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 el Engineer toda la teoría 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 uniforme del agua, se hunde. en pendiente inclinada o recta desde el punto donde entra al agua hasta el lugar donde toca el fondo. [38]
Thomson desarrolló un completo sistema 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 directiva de que utilizar cobre más puro para reemplazar la sección de cable perdida mejoraría la capacidad de datos, que marcó la diferencia en la ejecución del proyecto. [39]
La junta insistió en que Thomson se uniera a la expedición de tendido de cables de 1858, sin ninguna compensación financiera, y 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 encontró que el acceso que se le había dado era insatisfactorio y el Agamenón tuvo que regresar a casa tras una desastrosa tormenta en junio de 1858. En Londres, la junta estuvo 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, Thomson insistió en que los problemas técnicos eran manejables. Aunque empleado en calidad de asesor, Thomson había desarrollado, durante los viajes, los instintos y la habilidad de un verdadero ingeniero para la resolución práctica de problemas bajo presión, a menudo tomando la iniciativa en el manejo de emergencias y sin miedo de 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 resultó insuficientemente sensible y tuvo que ser reemplazado por el galvanómetro de espejo de Thomson. Whitehouse continuó manteniendo que era su equipo el que brindaba el servicio y comenzó a tomar medidas desesperadas para remediar algunos de los problemas. Dañó fatalmente el cable al aplicarle 2.000 voltios . Cuando el cable falló por completo, Whitehouse fue despedido, aunque Thomson se opuso y la junta lo reprendió por su interferencia. Posteriormente, Thomson lamentó haber aceptado con demasiada facilidad muchas de las propuestas de Whitehouse y no haberlo desafiado con suficiente vigor. [40]
La Junta de Comercio y la Atlantic Telegraph Company establecieron un comité conjunto de investigación . Se encontró que la mayor parte de la culpa por el fallo del cable recaía en Whitehouse. [41] El comité encontró que, aunque los cables submarinos eran notorios por su falta de confiabilidad , la mayoría de los problemas surgían de causas conocidas y evitables. Thomson fue nombrado miembro de un comité de cinco miembros para recomendar una especificación para un nuevo cable. El comité informó en octubre de 1863. [42]
En julio de 1865, Thomson navegó en la expedición de tendido de cables del SS Great Eastern , pero el viaje se vio afectado por problemas técnicos. El cable se perdió después de haber tendido 1.900 kilómetros (1.200 millas) y el proyecto fue abandonado. 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 gran parte de la adulación. Thomson, junto con los demás protagonistas del proyecto, fue nombrado caballero el 10 de noviembre de 1866. Para explotar sus inventos para la señalización en largos cables submarinos, Thomson se asoció con CF Varley y Fleeming Jenkin . Junto con este último, también ideó un remitente automático , una especie de tecla telegráfica para enviar mensajes por cable.
Thomson participó en el tendido del cable de comunicaciones submarino del Atlántico francés de 1869, y con Jenkin fue ingeniero de los cables occidental y 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 [43] [44] y la utilizó como base para entretener a amigos y colegas científicos. Sus intereses marítimos continuaron en 1871 cuando fue nombrado miembro de la Junta de Investigación sobre el hundimiento del HMS Captain .
En junio de 1873, Thomson y Jenkin estaban a bordo del Hooper , con destino a Lisboa con 4.020 km (2.500 millas) de cable cuando el cable desarrolló una falla. Siguió 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 . Mientras se acercaba al puerto, hizo una señal a la residencia Blandy: "¿Quieres casarte conmigo?" y Fanny (la hija de Blandy, Frances Anna Blandy) respondió "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 fundamentaba 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 dinámicas en diversos ámbitos pero con una atención constante a la energía como principio unificador. En 1879 apareció una segunda edición, 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 relativamente corto tiempo que trabajó en el tema, alrededor de 1859. [45] Desarrolló varios instrumentos para medir el campo eléctrico atmosférico, utilizando algunos de los electrómetros que había desarrollado inicialmente para trabajos 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 utilizarlas para deducir la contaminación del aire en el área de Glasgow, a través de sus efectos sobre el campo eléctrico atmosférico. [46] El electrómetro con cuentagotas de agua de Thomson se utilizó para medir el campo eléctrico atmosférico en el Observatorio Kew y el Observatorio Eskdalemuir durante muchos años, [47] y uno todavía estuvo en uso operativo en el Observatorio Kakioka en Japón [48] hasta principios de 2021. Thomson puede han observado sin darse cuenta los efectos eléctricos atmosféricos causados por el evento Carrington (una importante tormenta geomagnética) a principios de septiembre de 1859. [45]
Entre 1870 y 1890, la teoría del átomo de vórtice, que pretendía 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 de los vórtices 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 de ellos relacionado respectivamente con la emisión, la transmisión y la transmisión. y reflejo de la luz. [49] Aproximadamente 25 científicos escribieron alrededor de 60 artículos científicos. Siguiendo el ejemplo de Thomson y Tait, [50] se desarrolló la rama de la topología llamada teoría de nudos . La iniciativa de Thompson en este complejo estudio que continúa inspirando nuevas matemáticas ha llevado a la persistencia del tema en la historia de la ciencia . [51]
Thomson era un navegante entusiasta y su interés por todo lo relacionado con el mar tal vez surgiera o fuera fomentado por sus experiencias en el Agamenón y el Great Eastern . Thomson introdujo un método de sondeo de las profundidades del mar , en el que una cuerda de piano de acero reemplaza la línea de mano ordinaria. El cable se desliza tan fácilmente hasta el fondo que se pueden realizar "sondeos voladores" mientras el barco está a toda velocidad. Thomson añadió un manómetro para registrar la profundidad del plomo. 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 derivados de la desviación magnética debido al mayor uso del hierro en la arquitectura naval . El diseño de Thomson supuso una gran mejora con respecto a los instrumentos más antiguos, ya que era más estable y estaba menos obstaculizado por la fricción. La desviación provocada por el magnetismo del barco fue corregida mediante masas de hierro móviles en la bitácora . Las innovaciones de Thomson implicaron un trabajo muy detallado para desarrollar 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 efectivos para lograr la aceptación de su instrumento por parte del Almirantazgo .
Los biógrafos científicos de Thomson, si han prestado alguna atención a sus innovaciones en materia de brújulas, generalmente han considerado el asunto como una triste saga de administradores navales tontos que se resisten a innovaciones maravillosas provenientes de una mente científica superlativa. Los escritores que simpatizan con la Marina, por otro lado, retratan a Thomson como un hombre de indudable talento y entusiasmo, con algún conocimiento genuino del mar, que logró convertir un puñado de ideas modestas en el diseño de brújulas en un monopolio comercial para su propia fabricación. preocupación, utilizando su reputación como garrote en los tribunales para derrotar incluso las pequeñas reclamaciones 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 punto entre los dos extremos. [52]
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 las ventajas del código Morse para este propósito e instó a que las señales consistiran en señales cortas y largos destellos de luz para representar los puntos y rayas.
Thomson hizo más que cualquier otro electricista hasta su época al introducir 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 eficaces, incluido el electrómetro de cuadrante, que cubren todo el campo de la medición electrostática. Inventó la balanza de corriente , también conocida como balanza Kelvin o balanza de amperios ( SiC ), para la especificación precisa del amperio , la unidad estándar de corriente eléctrica . Aproximadamente a partir de 1880 contó con la ayuda del ingeniero eléctrico Magnus Maclean FRSE en sus experimentos eléctricos. [53]
En 1893, Thomson encabezó una comisión internacional para decidir 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 todavía mantenía su creencia de que la corriente continua era el sistema superior. [54]
Reconociendo su contribución a la normalización 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], apoyó [ sic] por el Sr. Mailloux [Instituto de Ingenieros Eléctricos de EE.UU.] el Muy Honorable Lord Kelvin, GCVO , OM , fue elegido por unanimidad primer Presidente de la Comisión", se lee en el acta del Informe de la Reunión Preliminar. [55]
Kelvin hizo una estimación temprana de la edad de la Tierra basada en la física . Dado su trabajo juvenil sobre la figura de la Tierra y su interés en la conducción del calor, no sorprende que decidiera investigar el enfriamiento de la Tierra y hacer inferencias históricas sobre la edad de la Tierra a partir de sus cálculos. Thomson era un creacionista en un sentido amplio, pero no era un " geólogo de inundaciones " [56] (una visión que había perdido el apoyo científico dominante en la década de 1840. [57] [58] Sostenía que las leyes de la termodinámica operaban desde el principio. nacimiento del universo y previó un proceso dinámico que vio la organización y evolución del Sistema Solar y otras estructuras, seguida de una "muerte por calor" gradual. Desarrolló la opinión de que la Tierra alguna vez había sido demasiado caliente para albergar vida y contrastó esta visión con el 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..." [ 59]
Después de la publicación de El origen de las especies de Charles Darwin en 1859, Thomson vio que la evidencia de la edad habitable relativamente corta de la Tierra tendía a contradecir la explicación gradualista de Darwin de que la selección natural lenta generaba diversidad biológica . Los propios puntos de vista de Thomson favorecían una versión de la evolución teísta acelerada por la guía divina. [60] Sus cálculos mostraron que el Sol no podría haber existido el tiempo suficiente para permitir el lento desarrollo incremental de la 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 ante la Sociedad Geológica de Londres (1868), presentó su discurso "Of Geological Dynamics" (1869) [61] que, entre otros escritos, desafiaba la afirmación de los geólogos de que la Tierra debía ser enormemente antigua, tal vez miles de millones de años de edad. [62]
La estimación inicial de Thomson de 1864 sobre la edad de la Tierra era de 20 a 400 millones de años. Estos amplios límites se debieron a su incertidumbre sobre la temperatura de fusión de la roca, a la que equiparó la temperatura interior de la Tierra, [63] [64] así como a la incertidumbre en las conductividades térmicas y los calores específicos de las rocas. Con el paso de los años, perfeccionó sus argumentos y redujo el límite superior en un factor de diez, y en 1897 Thomson, ahora Lord Kelvin, finalmente llegó a una estimación de que la Tierra tenía entre 20 y 40 millones de años. [59] [65] En una carta publicada en el suplemento Scientific American de 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". [66]
Su exploración de esta estimación se puede encontrar en su discurso de 1897 al Instituto Victoria , pronunciado a petición del presidente del instituto, George Stokes , [67] según consta en la revista Transactions de ese instituto . [68] Aunque su antiguo asistente John Perry publicó un artículo en 1895 desafiando la suposición de Kelvin de una baja conductividad térmica dentro de la Tierra y mostrando así una edad mucho mayor, [69] esto tuvo poco impacto inmediato. El descubrimiento en 1903 de que la desintegración radiactiva libera calor llevó a que se cuestionara la estimación de Kelvin, y Ernest Rutherford argumentó 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. [62]
El descubrimiento de la radiactividad invalidó en gran medida la estimación de Kelvin sobre la edad de la Tierra. Aunque finalmente saldó 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 fuerte para restringir la edad del Sol a no más de 20 millones de años. Sin 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 . Sólo cuando se reconoció la fusión termonuclear en la década de 1930 se resolvió verdaderamente la paradoja de la edad de Kelvin. [70] Sin embargo, la cosmología moderna reconoce el período Kelvin en la vida temprana de una estrella, durante el cual brilla gracias a 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 1860-1861, Kelvin resbaló en el hielo mientras se acurrucaba cerca de su casa en Netherhall y se fracturó la pierna, lo que le hizo perderse la reunión de Manchester de 1861 de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia y 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 en el cristianismo durante toda su vida; La asistencia a la capilla era parte de su rutina diaria. [71] Vio que su fe cristiana apoyaba e informaba su trabajo científico, como se desprende de su discurso en la reunión anual de la Christian Evidence Society [72] el 23 de mayo de 1889. [73]
En la lista de Honores de Coronación de 1902 publicada el 26 de junio de 1902 (el día original de la coronación de Eduardo VII y Alejandra ), [74] 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 [75] [76] y juró como miembro del consejo del Palacio de Buckingham el 11 de agosto de 1902. [77] En sus últimos años viajó a menudo a su casa en el número 15 de Eaton. Place, junto a Eaton Square en Belgravia de Londres . [7]
En noviembre de 1907 sufrió un resfriado y su estado se deterioró hasta que murió en su residencia de campo escocesa, Netherhall, en Largs, el 17 de diciembre. [78] A petición de la Abadía de Westminster , los funerarios Wylie & Lochhead prepararon un ataúd de roble revestido de plomo. En la oscuridad de una tarde de invierno, el cortejo partió de Netherhall hacia la estación de tren de Largs , a 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 una furgoneta especial de Midland , Glasgow y South Western Railway . El tren partió a las 8:30 pm hacia Kilmarnock , donde la furgoneta fue adjuntada al expreso nocturno a la estación de tren de St Pancras en Londres. [79]
El funeral de Kelvin tuvo lugar el 23 de diciembre de 1907. [7] La Abadía estaba abarrotada, incluidos representantes de la Universidad de Glasgow y la Universidad de Cambridge , junto con representantes de Francia, Italia, Alemania, Austria-Hungría , Rusia, Estados Unidos y Canadá. , Australia, Japón y Mónaco . La tumba de Kelvin se encuentra en la nave , cerca de la mampara del coro y cerca de las tumbas de Isaac Newton , John Herschel y Charles Darwin . [80] El hijo de Darwin, Sir George Darwin , fue uno de los portadores del féretro. [81]
La Universidad de Glasgow celebró un servicio en memoria de Kelvin en el Bute Hall. Kelvin había sido miembro de la Iglesia Episcopal Escocesa , adscrito a la Iglesia Episcopal de San Columba en Largs, y cuando estuvo en Glasgow a la Iglesia Episcopal de Santa María (ahora Catedral de Santa María, Glasgow ). [79] 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 que incluía a dignatarios del burgo. [82]
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 Real Sociedad Filosófica de Glasgow ; sociedad de la que fue presidente en los períodos 1856–58 y 1874–77. [83]
En 1884, Lord Kelvin dirigió una clase magistral sobre "Dinámica molecular y teoría ondulatoria de la luz" en la Universidad Johns Hopkins . [84] Kelvin se refirió a la ecuación de ondas acústicas que describe el sonido como ondas de presión en el aire e intentó describir también una ecuación de ondas electromagnéticas , 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 tipografiado 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 . [85] [86]
El 27 de abril de 1900 pronunció una conferencia ampliamente difundida titulada "Las nubes del siglo XIX sobre la teoría dinámica del calor y la luz" en la Royal Institution. [87] [88] Las dos "nubes oscuras" a las que se refería eran confusión sobre cómo se mueve la materia a través del éter (incluidos los resultados desconcertantes del experimento de Michelson-Morley) e indicaciones de que el teorema de equipartición en mecánica estadística podría fallar. A partir de estas cuestiones se desarrollaron dos grandes teorías físicas durante el siglo XX: para la primera, la teoría de la relatividad ; para el segundo, la mecánica cuántica . En 1905, Albert Einstein publicó los artículos llamados annus mirabilis , uno de los cuales explicaba el efecto fotoeléctrico basándose en el descubrimiento de los cuantos de energía de Max Planck , que fue la base de la mecánica cuántica, otro describía la relatividad especial y el último Explicó el movimiento browniano en términos de mecánica estadística, proporcionando un fuerte argumento a favor de la existencia de los 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 completamente escéptico y consideró el anuncio como un engaño. Los periódicos estaban llenos de las maravillas de los rayos X". Los rayos de Röntgen, sobre los cuales Lord Kelvin se mostró intensamente escéptico hasta que el propio Röntgen le envió una copia de su Memoria"; El 17 de enero de 1896, después de leer el artículo y ver las fotografías, le escribió a Röntgen una carta en la que decía: "No necesito decirle que cuando leí el artículo quedé muy asombrado y encantado. Ahora no puedo decir más que felicitar "Le agradezco calurosamente el gran descubrimiento que ha hecho" [89] Kelvin se hizo radiografiar la mano en mayo de 1896. [90]
Su pronóstico para la aviación práctica (es decir, aviones más pesados que el aire ) fue negativo. En 1896 rechazó una invitación para unirse a la Sociedad Aeronáutica y escribió: "No tengo la más mínima molécula de fe en la navegación aérea, aparte de los vuelos en globo, ni de expectativa de buenos resultados en ninguna de las pruebas de las que hemos oído hablar". [91] En una entrevista en un periódico de 1902 predijo que "Ningún globo ni ningún avión tendrán jamás éxito en la práctica". [92]
Una afirmación falsamente atribuida a Kelvin es: "Ahora no hay nada nuevo que descubrir en física. Lo único que queda es una medición cada vez más precisa". Esto se ha atribuido erróneamente a Kelvin desde la década de 1980, ya sea sin citarlo o indicando que se hizo en un discurso dirigido a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (1900). [93] No hay evidencia de que Kelvin dijera esto, [94] [95] y la cita es más bien una paráfrasis de Albert A. Michelson, quien en 1894 declaró: "... parece probable que la mayoría de los grandes principios subyacentes hayan sido firmemente establecido... Un eminente físico comentó que las verdades futuras de la ciencia física deben buscarse en el sexto lugar de los decimales." [95] Otros, como Philipp von Jolly , hicieron declaraciones similares anteriormente . [96] 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 sólo quedaban 400 años de suministro de oxígeno en el planeta, debido al ritmo de quema de combustibles. [97] [98] 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 ] Ni siquiera podría haber conocido todas las fuentes de la fotosíntesis: por ejemplo, la cianobacteria Proclorococo —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 se asocia Thomson se denominan Kelvin , entre ellos:
El monte Kelvin en la Cordillera Paparoa de Nueva Zelanda recibió su nombre del botánico William Trownson. [99]
Su primera esposa fue Margaret Crum y en segundo lugar se casó con Frances Blandy, pero no tuvo hijos.
físico teórico y experimental británico
Lord Kelvin 1824-1907 físico y filósofo natural británico
Kelvin, Lord (1824-1907) El 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
