絕對溫度的發現者—凱爾文 這是唯一的留言 View: Original Format 網上論壇：tw.bbs.sci.mechanics 日期：1999/03/08 昨夜夜深星仍亮──絕對溫度的發現者凱爾文 張文亮 有人說， 上帝要給人類科學， 於是「牛頓」走上了歷史的舞台； 上帝要給人類工程， 於是來了「凱爾文」， 從此產生了電機工程、資訊工程與機械工程。 因著他的發現， 世界上的每一個要唸工程與理科的學生， 打開課本，就會發現 「能量」的觀念貫穿了每一個物理與化學的公式， 解釋了每一個熱、電、磁的運動， 成為近代科技理論的房角石。 凱爾文這位天才， 十歲進大學， 二十二歲劍橋大學就想禮聘他去當物理系主任， 絕對溫度的K就來自於他姓氏的縮寫， 熱力學第二定律是他提出的， 液態氮是他首先壓縮出的， 環球資訊的第一條電纜是他舖的， 電子檢流器是他發明的， 同位素放射理論是他先想出來的。 當世界上的學術地位、 發明利潤、大眾焦點 都追隨他之際， 他卻揮揮手，拋開這一切， 幾十年， 多少黑暗漫漫的長夜裡， 他坐在愛妻馬格麗特的病床邊，靜靜地 朗讀聖經的詩篇， 成為他們苦難相依的最深安慰。 親愛的學生們， 也許你可以不喜歡科學， 不喜歡工程， 但是，你可以喜歡這個人──凱爾文。 在蘇格蘭的西南部，有一個美麗的地方，當地人稱它是格拉斯哥(Glasgow)，翻譯 出來就是「綠色的山谷」。整片山谷舖滿了如茵的綠草，綠地的沿伸直到克萊河 (River Clyder)河口，過去就是大西洋了。古代冰河的侵蝕，在克萊河切下深峻的河床， 使得大型的輪船可以溯岸三十多公里遠。這裡自古以來就是天然良港，人文經濟薈 萃之處，在西元1451年就成立了一所著名的格拉斯哥大學，幾百年來默默擔負著蘇 格蘭文化與科技的傳承，尤其這裡出了位大科 學家凱爾文(William Thomson Kelvin)他自傳統的物理化學中，延伸出了工程的 科系，他的成就奠定了工程，成為二十世紀科技發展的主流。 凱爾文生於1824年6月26日貝爾法斯特城(Belfast)。他父親本來要當牧師，但是在 凱爾文六歲的時候母親就過世了，傷心的父親帶著六個小孩離開家鄉，到格拉斯哥 擔任數學系教授。排行老四的凱爾文從小就感受到沒有母親的孤獨，與他父親的悲 傷，孤獨與悲傷就成了這個孩子一生的特質 C 天才看天才 凱爾文從小就顯出不凡的數學天份。他是那種不需要花很多時間唸書，就可以唸第 一名的學生。至於他讀書的祕訣，凱爾文後來寫下：「唸科學方面的書最主要的關 鍵，是把基本的原理明瞭清楚，有條有序的思考，就能消化科學冗長的數學理論推 導。」他又說：「科學是一門細心的學問， b培養學生精細分析的能力，並且以 這種分析為工具，在許多與大自然相關的事情上，奏出發現原理的勝利凱歌。」 凱爾文一進學校，就把學校裡的課程加以分類，並且按難易程度排成修課的進階次 序，在當新生的第一個月，就把大學的教導內容弄清楚。在父親的鼓勵下，凱爾文 十歲就自修微積分，並且以數學資優學生資格進入格拉斯哥大學。在湯姆森 (Thomas Thomson)教授的指導下，攻讀熱、電、磁、光學。湯姆森教授對這位年僅十歲的 大學生深感興趣，不僅是為著他在任何數學課程上名列前茅，而且，湯姆森在學校 的記錄簿上寫下：「我很驚訝地發現，凱爾文上課所做的筆記，幾乎跟我自己的講 稿一樣好。」 凱爾文十三歲就讀法國大數學家傅立葉(Baron Fairier)的熱傳導數學，他開始把物 理與數學結合在一起。十五歲時，他發表「有關地球密度的探討」(The Investigation of the Earth's Density)，獲得大學獨立研究比賽的首獎。這是他一生發表六百多篇研究報告的第 一篇。在頒獎典禮上，許多學生與家長都來看這個天才學生，凱爾文在講台上只說 了短短幾句感謝詞就下台，然後迅速的消失在驚愕的人群中。 凱爾文不只那天在講台上說得少，平常話就很少，天生的憂鬱，使他的父親與老師 ，都擔心這個早熟的學生是介於天才與瘋子之間，活在自己高築城牆的城堡內。 十六歲時他讀尼古拉(Nicol)教授寫的「太陽系的次序與現象」(The Phenomena and Order of the Solar System)一書，書中寫到天文學大師開普勒(Johannes Kepler,1571-1630)的生平，「這位德國的科學家，從小就以天才著稱，但是憤世 嫉俗，處處與人格格不入……。他後來發現問題的關鍵在於，他的內心深處在尋找 必需的永恆(Necessary Immortality)，於是轉而不看地上的人事物，研究觀察天上星辰的運動，因此呼喚 出上帝的作為在那裡(The Finger of God is there)！」這個短短的見證把凱爾文 引各信仰之路。 物理之內有藍天 凱爾文十七歲進入劍橋大學，專攻高等數學。二十歲以最優異的成績畢業，而後到 巴黎大學學習物理實驗。二十二歲不到已集物理、數學、化學、實驗設計之大成於 一身。劍橋大學重金禮聘他回去任教，他沒有接受，卻回到母校格拉斯哥大學擔任 首席的物理教授。 凱爾文認為所有看得見的物理與化學現象，其實背後有一個看不見的共通原則在引 導著，這就是「能量」(Energy)。只要能夠瞭解能量的改變，物理與化學不明白的 地方就成為「藍天一片」般的清楚。歷史上後來稱凱爾文是「熱力學之父」 (Founder of Thermodynamic)。因著他的看見，今天理工科的學生，無論是唸電機的、化工的 、土木、機械、電子的，儘管科系名稱不同，但是打開課本，最基本的地方都是從 能量的變化開始講起的。 凱爾文的日記裡，每天都寫下一句他當天所背下的聖經經句。在他發表的研究報告 裡，也經常提到信仰。例如：當他發表熱力學第二定律時，他就提到聖經裡的詩篇 第102篇26節：「天地都要如外衣，漸漸舊了」，表示能量的反應進行使得有效能 量逐漸的減少。當他在28時，發表熱動力理論 (The Dynamic Theory of Heat)時，他在研究報告上寫道：「上帝在這個時代還行神蹟嗎？是的！科學的知 識是來自上帝的作為，放在我們的心中，使我們能夠瞭解。過去，祂把異象放在先 知的夢中，現今祂把知識放在人的心中，使人能夠建立理論去說明這個世界的真實 。人有能理解的心智，是上帝所創造。」 在發表潛熱(Latent Heat)的演講上，他說道：「如果沒有水的潛熱現象，人類將立 刻面對世界滅亡的浩劫。因為兩極的冰山將立刻溶化，大水將淹沒全地。我愈瞭解 水的特性，愈知道這是出於上帝的慈愛與恩典。」 凱爾文的三個辯論變化球 凱爾文將他的信仰表白都放在研究報告裡，公開場合裡他還是很少說話。他對信仰 的堅持引來許多進化論學者的反對，甚至有人召開大會與他辯論。在辯論會上，進 化論者挾已襲捲整個生物科學界的氣焰，砲火兇猛地攻擊。凱爾文靜靜的坐在台上 ，靜靜的聽，然後投出第一個問題： 「進化論是一個學說呢？還是一個不變的定律？」 凱爾文不愧是一代天才。這個問題立刻壓制了對方的氣焰。因為進化論如果是一個 真理，為什麼進化論裡有那麼多的假設；如果說只不過是一種未定的學說，為什支 持進化論者像支持真理似的不容別人質疑？凱爾文看得更遠，他知道進化論的缺點 在哪裡，他說：「進化論假設整個生物的進 P年代，都在與今天相同的環境裡 產生，這種動物學上的臆測，違反了物理學的定律。」 凱爾文繼續投出第二個問題： 「進化論能夠回答生命是怎麼產生的嗎？」 這個問題不僅讓會眾安靜，也讓與他爭辯的進化學大將赫胥黎(Huxley)為之語塞。 凱爾文說：「我們都知道地球的地質年代上有一段漫長的年代是沒有生命的，而後 突然有生命產生。沒有任何力量可以產生生命；無論是機械性的動力，是化學的變 化，是電子的傳遞，是礦物的結晶，是原子 漱O量，都無法使生命從無變有。當 你認真的面對這個問題，你必須承認這是科學跨不過的柵欄。這是上帝的奧祕。… …我並不反對生命在產生以後，因著某些環境的改變，生物會有一些進化的程序， 但是最基本的真理仍不改變──是上帝創造了生命，並且有智慧地掌管一切。」 「因此，」他投出第三個問題：「人有道德、有愛、有對於永生不朽的渴慕。如果 人只是無意義的，偶然的進化產物，怎麼會問這些有意義的問題？」凱爾文用五分 鐘結束了辯論。他沒有反對進化論，而是說明了，即使有進化論，上帝仍是進化論 的主。凱爾文說：「人類承認自己所知的有 迭A是科學最關鍵的原理。」 黑夜裡的愛情 凱爾文在大學任教時，與他的青梅竹馬瑪格麗特(Margaret Crum)結婚。瑪格麗特是凱爾文的表妹，從小就深知認識凱爾文的為人。這位大科 學家受天性孤獨的影響，與長期浸淫在數學與物理的思考中，使他的生活嚴謹刻苦 ，別無嗜好，了無情趣。瑪格麗特卻衷心欣賞他的執著與真實。凱爾文深夜思索解 題時，瑪格麗特就靜靜地陪伴一旁，她不懂什 麼熱力學的絕對低溫，但她知道先生愛她的溫度絕對在-273℃以上。 瑪格麗特後來經常生病，凱爾文陪她多次遠渡大西洋，到德國、法國尋訪良醫。 1866年大西洋電報公司(Atlantic Telegraph Company)請問他能否傳遞電子信號經過海洋，凱爾文也想迅速知道歐洲那邊醫師 對他妻子的診斷，於是擔任第一位海底電纜工程師，在大西洋海底舖設了長達四千 八百公里的銅絲電纜，並且設計了第一部電子檢流器(galvanometer)檢測傳來的電 子信號。開拓了環球電子通訊的首頁。英國皇 L這項傑出成就，封他為爵士， 在1890-1895年間，他還擔任英國皇家協會會長。 長年纏綿病榻的瑪格麗特終死於中風。傷心欲絕的凱爾文隨之在同年12月17日逝世 。他一生堅信人所看到的物理、化學、生物的現象，都是由看不見的原理所引導的 ，這是來自上帝的永恆智慧與掌管的權能，正如聖經所記：「原來我們不是顧念所 見的，乃是顧念所不見的，因為所見的是暫 阞滿A所不見的是永遠的」(聖經哥林 多前書第四章18節)。 資料來源：Wilson, D. B. 1987. "Kelvin and Stokes". Adam Hilger, Bristol.