19 世紀的開爾文勳爵怎樣創新改變世界

“是什麼促使您投身於天體物理學領域？”在推廣活動中，這是我經常被問到的一個問題，而我的回答是，指出我早年對於探索我們宇宙重大問題的那份熱情。嗯，還有在容易受影響的年紀觀看了《星球大戰》。

這種對基礎科學的迷戀是許多初露鋒芒的科學家常走的道路。瞭解諸如廣義相對論（描述大尺度宇宙）和量子物理學（主宰原子和粒子的微觀世界）等令人驚歎的領域，是激發年輕人思維的有力途徑。

然而，對於許多其他人而言，通往物理學的道路（仿若地獄之路）是由美好的意圖鋪就的。激發他們熱情的，與其說是宇宙的深邃奧秘，倒不如說是運用最新科學來解決社會問題和全球挑戰——從健康不平等到氣候緊急狀況。

然而，這種研究與創新的雙軌模式——全球各地研究委員會和資助機構當代使命的核心——並不像其表面看起來那般現代。今年是威廉·湯姆森誕辰兩百週年，又名開爾文勳爵，可以說是 19 世紀乃至更久遠最有影響力的科學家。他擅長將基礎發現與社會和商業影響相結合。

湯姆森在格拉斯哥大學擔任自然哲學教授達 53 年之久，對物理學、數學和工程學作出了至今仍具影響力的革命性貢獻。

他或許最爲人所知的是其在能量和熱力學定律方面所做的工作，熱力學是關於熱和功的科學，這些定律常被譽爲自然界最不可打破的定律。據報道，英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓（Arthur Eddington）在 20 世紀 20 年代宣稱，熱力學在自然法則中佔據着至高無上的地位，並補充道：“如果你的理論被發現違反熱力學第二定律，我無法給你任何希望；除了在極度羞辱中崩潰，別無他法。”

熱力學在現代物理學中仍然發揮着核心作用，支撐着信息科學、量子力學、宇宙學甚至生命和意識理論的研究。事實上，它與廣義相對論和量子力學一樣，是現代物理學的基石。任何最終的“萬物理論”都需要與熱力學定律相一致。

也許湯姆森最著名的發現是溫度標度上的絕對零度概念，該溫度以他在 1892 年獲得的頭銜開爾文（Kelvin）命名。但是，當我們超越他在熱力學方面的工作時，他的成就不僅因其廣度，而且因其多樣性而引人注目。它們涵蓋了從解決當時最大研究問題的理論突破到推動工業和商業創新的實際發明。

是什麼讓湯姆森如此成功？我認爲他的研究和發現方法中有三個關鍵方面，使他成爲了一位永恆的科學家。

首先，他有着卓越的數學才能。這與他對數學用於闡釋自然世界這一力量的深刻讚賞相結合——在他的整個職業生涯中，他大量地藉助了這種力量。這在一句被認爲是湯姆森所說的深刻話語中得以體現：“數學在描述宇宙方面做得如此出色這一事實是一個我們不理解的謎團，也是一筆我們可能永遠無法償還的債務。”

但湯姆森絕非僅僅是一位傑出的數學家。他還明白精確的測量和量化是科學進步的重要工具——這一觀點在他 1889 年的著作《通俗講座與演講》中有所展露。他寫道：“當你能夠測量你所談論的東西並用數字表達出來時，你就對它有所瞭解。”

湯姆森一生髮明精巧科學儀器的天賦使他獲得了 70 項專利，促成了數十項科學方面的突破，並使他成爲一位非常成功的企業家。

第三，湯姆森有着出色的“跳出框框”思考的能力，能夠以一種全新的方式去看待問題。對我來說，沒有比湯姆森在鋪設第一條跨大西洋電報電纜方面的工作更能彰顯這種有遠見思考的例子了。這是一個巨大的技術挑戰，被描述爲 19 世紀的“阿波羅計劃”。

它對維多利亞時代世界的變革之深刻，猶如互聯網和移動通信對我們當今世界的改變。

毫不誇張地說，湯姆森的天賦對 1865 年首次成功的電纜鋪設探險起到了重要作用。

湯姆森對熱傳遞和電傳輸之間相似性的理解，讓他能夠模擬電脈衝沿着海底電纜傳輸時是如何失真的。

他沒有采用更強的信號（因爲這需要更重、更昂貴的電纜），而是 發明了儀器，能夠精確測量以莫爾斯電碼傳輸的極其微弱的電信號。

這些在本質上是現代噴墨打印機的前身。

這些發明改變了遊戲規則，因此，全球通信被永遠地改變了。

正因如此，湯姆森於 1866 年首次被封爲爵士，隨後在 1892 年獲封貴族，成爲開爾文勳爵——他是首位獲此殊榮的科學家之一。湯姆森將超精密技術與前沿理論精妙結合，以探測極其微弱的信號，這與我們的LIGO 激光干涉儀的情況產生了強烈共鳴，LIGO 激光干涉儀是有史以來最靈敏的科學儀器。正是這樣的結合促成了 2015 年對被稱爲引力波的時空漣漪的發現，並因此獲得了諾貝爾獎。

黑洞和引力波相關的科學技術無疑屬於愛因斯坦物理學的後開爾文領域。但我認爲，這個領域——以及它所促成的變革性量子技術——從威廉·湯姆森的開創性範例中獲取了靈感，他將基礎研究與創新相結合，改變了世界。