绝对温度的发现者—凯尔文 这是唯一的留言 View: Original Format 网上论坛：tw.bbs.sci.mechanics 日期：1999/03/08 昨夜夜深星仍亮──绝对温度的发现者凯尔文 张文亮 有人说， 上帝要给人类科学， 於是「牛顿」走上了历史的舞台； 上帝要给人类工程， 於是来了「凯尔文」， 从此产生了电机工程、资讯工程与机械工程。 因着他的发现， 世界上的每一个要念工程与理科的学生， 打开课本，就会发现 「能量」的观念贯穿了每一个物理与化学的公式， 解释了每一个热、电、磁的运动， 成为近代科技理论的房角石。 凯尔文这位天才， 十岁进大学， 二十二岁剑桥大学就想礼聘他去当物理系主任， 绝对温度的K就来自於他姓氏的缩写， 热力学第二定律是他提出的， 液态氮是他首先压缩出的， 环球资讯的第一条电缆是他舖的， 电子检流器是他发明的， 同位素放射理论是他先想出来的。 当世界上的学术地位、 发明利润、大众焦点 都追随他之际， 他却挥挥手，抛开这一切， 几十年， 多少黑暗漫漫的长夜里， 他坐在爱妻马格丽特的病床边，静静地 朗读圣经的诗篇， 成为他们苦难相依的最深安慰。 亲爱的学生们， 也许你可以不喜欢科学， 不喜欢工程， 但是，你可以喜欢这个人──凯尔文。 在苏格兰的西南部，有一个美丽的地方，当地人称它是格拉斯哥(Glasgow)，翻译 出来就是「绿色的山谷」。整片山谷舖满了如茵的绿草，绿地的沿伸直到克莱河 (River Clyder)河口，过去就是大西洋了。古代冰河的侵蚀，在克莱河切下深峻的河床， 使得大型的轮船可以溯岸三十多公里远。这里自古以来就是天然良港，人文经济荟 萃之处，在西元1451年就成立了一所着名的格拉斯哥大学，几百年来默默担负着苏 格兰文化与科技的传承，尤其这里出了位大科 学家凯尔文(William Thomson Kelvin)他自传统的物理化学中，延伸出了工程的 科系，他的成就奠定了工程，成为二十世纪科技发展的主流。 凯尔文生於1824年6月26日贝尔法斯特城(Belfast)。他父亲本来要当牧师，但是在 凯尔文六岁的时候母亲就过世了，伤心的父亲带着六个小孩离开家乡，到格拉斯哥 担任数学系教授。排行老四的凯尔文从小就感受到没有母亲的孤独，与他父亲的悲 伤，孤独与悲伤就成了这个孩子一生的特质 C 天才看天才 凯尔文从小就显出不凡的数学天份。他是那种不需要花很多时间念书，就可以念第 一名的学生。至於他读书的秘诀，凯尔文後来写下：「念科学方面的书最主要的关 键，是把基本的原理明了清楚，有条有序的思考，就能消化科学冗长的数学理论推 导。」他又说：「科学是一门细心的学问， b培养学生精细分析的能力，并且以 这种分析为工具，在许多与大自然相关的事情上，奏出发现原理的胜利凯歌。」 凯尔文一进学校，就把学校里的课程加以分类，并且按难易程度排成修课的进阶次 序，在当新生的第一个月，就把大学的教导内容弄清楚。在父亲的鼓励下，凯尔文 十岁就自修微积分，并且以数学资优学生资格进入格拉斯哥大学。在汤姆森 (Thomas Thomson)教授的指导下，攻读热、电、磁、光学。汤姆森教授对这位年仅十岁的 大学生深感兴趣，不仅是为着他在任何数学课程上名列前茅，而且，汤姆森在学校 的记录簿上写下：「我很惊讶地发现，凯尔文上课所做的笔记，几乎跟我自己的讲 稿一样好。」 凯尔文十三岁就读法国大数学家傅立叶(Baron Fairier)的热传导数学，他开始把物 理与数学结合在一起。十五岁时，他发表「有关地球密度的探讨」(The Investigation of the Earth's Density)，获得大学独立研究比赛的首奖。这是他一生发表六百多篇研究报告的第 一篇。在颁奖典礼上，许多学生与家长都来看这个天才学生，凯尔文在讲台上只说 了短短几句感谢词就下台，然後迅速的消失在惊愕的人群中。 凯尔文不只那天在讲台上说得少，平常话就很少，天生的忧郁，使他的父亲与老师 ，都担心这个早熟的学生是介於天才与疯子之间，活在自己高筑城墙的城堡内。 十六岁时他读尼古拉(Nicol)教授写的「太阳系的次序与现象」(The Phenomena and Order of the Solar System)一书，书中写到天文学大师开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)的生平，「这位德国的科学家，从小就以天才着称，但是愤世 嫉俗，处处与人格格不入……。他後来发现问题的关键在於，他的内心深处在寻找 必需的永恒(Necessary Immortality)，於是转而不看地上的人事物，研究观察天上星辰的运动，因此呼唤 出上帝的作为在那里(The Finger of God is there)！」这个短短的见证把凯尔文 引各信仰之路。 物理之内有蓝天 凯尔文十七岁进入剑桥大学，专攻高等数学。二十岁以最优异的成绩毕业，而後到 巴黎大学学习物理实验。二十二岁不到已集物理、数学、化学、实验设计之大成於 一身。剑桥大学重金礼聘他回去任教，他没有接受，却回到母校格拉斯哥大学担任 首席的物理教授。 凯尔文认为所有看得见的物理与化学现象，其实背後有一个看不见的共通原则在引 导着，这就是「能量」(Energy)。只要能够了解能量的改变，物理与化学不明白的 地方就成为「蓝天一片」般的清楚。历史上後来称凯尔文是「热力学之父」 (Founder of Thermodynamic)。因着他的看见，今天理工科的学生，无论是念电机的、化工的 、土木、机械、电子的，尽管科系名称不同，但是打开课本，最基本的地方都是从 能量的变化开始讲起的。 凯尔文的日记里，每天都写下一句他当天所背下的圣经经句。在他发表的研究报告 里，也经常提到信仰。例如：当他发表热力学第二定律时，他就提到圣经里的诗篇 第102篇26节：「天地都要如外衣，渐渐旧了」，表示能量的反应进行使得有效能 量逐渐的减少。当他在28时，发表热动力理论 (The Dynamic Theory of Heat)时，他在研究报告上写道：「上帝在这个时代还行神蹟吗？是的！科学的知 识是来自上帝的作为，放在我们的心中，使我们能够了解。过去，祂把异象放在先 知的梦中，现今祂把知识放在人的心中，使人能够建立理论去说明这个世界的真实 。人有能理解的心智，是上帝所创造。」 在发表潜热(Latent Heat)的演讲上，他说道：「如果没有水的潜热现象，人类将立 刻面对世界灭亡的浩劫。因为两极的冰山将立刻溶化，大水将淹没全地。我愈了解 水的特性，愈知道这是出於上帝的慈爱与恩典。」 凯尔文的三个辩论变化球 凯尔文将他的信仰表白都放在研究报告里，公开场合里他还是很少说话。他对信仰 的坚持引来许多进化论学者的反对，甚至有人召开大会与他辩论。在辩论会上，进 化论者挟已袭卷整个生物科学界的气焰，炮火凶猛地攻击。凯尔文静静的坐在台上 ，静静的听，然後投出第一个问题： 「进化论是一个学说呢？还是一个不变的定律？」 凯尔文不愧是一代天才。这个问题立刻压制了对方的气焰。因为进化论如果是一个 真理，为什麽进化论里有那麽多的假设；如果说只不过是一种未定的学说，为什支 持进化论者像支持真理似的不容别人质疑？凯尔文看得更远，他知道进化论的缺点 在哪里，他说：「进化论假设整个生物的进 P年代，都在与今天相同的环境里 产生，这种动物学上的臆测，违反了物理学的定律。」 凯尔文继续投出第二个问题： 「进化论能够回答生命是怎麽产生的吗？」 这个问题不仅让会众安静，也让与他争辩的进化学大将赫胥黎(Huxley)为之语塞。 凯尔文说：「我们都知道地球的地质年代上有一段漫长的年代是没有生命的，而後 突然有生命产生。没有任何力量可以产生生命；无论是机械性的动力，是化学的变 化，是电子的传递，是矿物的结晶，是原子 漱O量，都无法使生命从无变有。当 你认真的面对这个问题，你必须承认这是科学跨不过的栅栏。这是上帝的奥秘。… …我并不反对生命在产生以後，因着某些环境的改变，生物会有一些进化的程序， 但是最基本的真理仍不改变──是上帝创造了生命，并且有智慧地掌管一切。」 「因此，」他投出第三个问题：「人有道德、有爱、有对於永生不朽的渴慕。如果 人只是无意义的，偶然的进化产物，怎麽会问这些有意义的问题？」凯尔文用五分 钟结束了辩论。他没有反对进化论，而是说明了，即使有进化论，上帝仍是进化论 的主。凯尔文说：「人类承认自己所知的有 迭A是科学最关键的原理。」 黑夜里的爱情 凯尔文在大学任教时，与他的青梅竹马玛格丽特(Margaret Crum)结婚。玛格丽特是凯尔文的表妹，从小就深知认识凯尔文的为人。这位大科 学家受天性孤独的影响，与长期浸淫在数学与物理的思考中，使他的生活严谨刻苦 ，别无嗜好，了无情趣。玛格丽特却衷心欣赏他的执着与真实。凯尔文深夜思索解 题时，玛格丽特就静静地陪伴一旁，她不懂什 麽热力学的绝对低温，但她知道先生爱她的温度绝对在-273℃以上。 玛格丽特後来经常生病，凯尔文陪她多次远渡大西洋，到德国、法国寻访良医。 1866年大西洋电报公司(Atlantic Telegraph Company)请问他能否传递电子信号经过海洋，凯尔文也想迅速知道欧洲那边医师 对他妻子的诊断，於是担任第一位海底电缆工程师，在大西洋海底舖设了长达四千 八百公里的铜丝电缆，并且设计了第一部电子检流器(galvanometer)检测传来的电 子信号。开拓了环球电子通讯的首页。英国皇 L这项杰出成就，封他为爵士， 在1890-1895年间，他还担任英国皇家协会会长。 长年缠绵病榻的玛格丽特终死於中风。伤心欲绝的凯尔文随之在同年12月17日逝世 。他一生坚信人所看到的物理、化学、生物的现象，都是由看不见的原理所引导的 ，这是来自上帝的永恒智慧与掌管的权能，正如圣经所记：「原来我们不是顾念所 见的，乃是顾念所不见的，因为所见的是暂 阞满A所不见的是永远的」(圣经哥林 多前书第四章18节)。 资料来源：Wilson, D. B. 1987. "Kelvin and Stokes". Adam Hilger, Bristol.