張　銘

年幼的大學(xué)學(xué)生

1824 年6 月26 日，威廉·湯姆孫出生于愛爾蘭貝爾法斯特。父親是貝爾法斯特皇家學(xué)院有名的教學(xué)教授，治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)孩子的教育非常嚴(yán)格，注重通過討論培養(yǎng)孩子們的思維習(xí)慣。不幸的是，湯姆孫7歲時(shí)，母親辭別人世。

湯姆孫8 歲時(shí)，父親被聘任為格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，攜全家前往。這一年新學(xué)期，這位新聘教授開始授課，每次上課都帶著兩個(gè)漂亮的小男孩，讓他們坐在教室最后旁聽。起初，同學(xué)們都以為他們是跟來玩的，后來發(fā)現(xiàn)教授授課時(shí)，這兩個(gè)小家伙竟然認(rèn)認(rèn)真真地做筆記！這兩個(gè)小男孩就是8歲的湯姆孫和他的哥哥杰姆。

湯姆孫10歲時(shí)，與哥哥一道進(jìn)入格拉斯哥大學(xué)預(yù)科班學(xué)習(xí)。大學(xué)的學(xué)習(xí)使湯姆孫兄弟大開眼界，他們驚奇地?cái)[弄著桌上的地球儀，夢(mèng)想著漂洋過海到全球遨游，他們注視著神秘的天球儀，幻想著太空的奇異景象。湯姆孫完全被地球儀和天球儀迷住了，盡管年齡很小，但他在日記中的記錄表明了對(duì)探索未知世界的信心：“科學(xué)領(lǐng)路到哪里，就在哪里攀登不息。前進(jìn)吧，去測(cè)量大地，衡量空氣，記錄潮汐；去指示行星奔跑的軌跡，去糾正老皇歷，叫太陽遵從你的規(guī)律?！?/p>

俗話說，有志者事竟成。15 歲時(shí)，湯姆孫獲得天文學(xué)獎(jiǎng)。同一年，他因名為《地球的形狀》的論文，獲得大學(xué)的金質(zhì)獎(jiǎng)牌。1845 年1 月，年僅20 歲的湯姆孫通過了緊張的畢業(yè)考試，以優(yōu)異的成績(jī)畢業(yè)。湯姆孫的父親一心要兒子競(jìng)爭(zhēng)教授席位，特意安排湯姆孫去巴黎留學(xué)。

走到“電磁學(xué)”邊緣

1845 年初夏，湯姆孫從巴黎來到劍橋，參加了英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的大會(huì)，面對(duì)世界一流的大科學(xué)家，他大膽發(fā)表自己的見解，博得大家的贊賞與肯定。在這次會(huì)議上，湯姆孫有幸結(jié)識(shí)了仰慕已久的法拉第，法拉第很欣賞湯姆孫出眾的才華，鼓勵(lì)湯姆孫在電磁領(lǐng)域深入研究。

但是，湯姆孫幾次試圖把他對(duì)電磁學(xué)的研究總結(jié)成理論，最終都失敗了。他的主要缺點(diǎn)在于不善于吸取他人之長(zhǎng)。這也許與他一直受父親單獨(dú)教育過多有關(guān)，他很少認(rèn)真閱讀他人的著作與研究成果，他的發(fā)現(xiàn)，都是全憑自己實(shí)驗(yàn)得來的，其中有的確實(shí)閃耀著天才的光芒，有的則是別人早就發(fā)現(xiàn)了的東西。

1846 年9 月，通過一場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，22 歲的湯姆孫擊敗所有對(duì)手，坐上教授交椅。此后，湯姆孫仍潛心于電磁學(xué)，刻苦鉆研，試圖用數(shù)學(xué)公式將電力和磁力統(tǒng)一起來，這的確是一個(gè)天才的設(shè)想。

湯姆孫把研究成果寫成一篇論文，論文完成時(shí)，他興奮地在日記中寫到：“上午十時(shí)一刻——我終于成功地用‘力的活動(dòng)影像法來表示電力、磁力、電流了?！钡?，他的理論雖然已經(jīng)非常接近電磁理論的邊緣，離真理卻還差一步之遙，可是他在這關(guān)鍵時(shí)刻止步了。建立電磁理論的桂冠，后來被麥克斯韋摘取了。

盡管如此，湯姆孫的功績(jī)是不可否認(rèn)的，他為這一理論的建立做了開拓性的工作，并把自己多年積累的科學(xué)成果毫無保留地告訴了麥克斯韋。

熱力學(xué)領(lǐng)域奇光異彩

當(dāng)湯姆孫在電磁理論邊緣徘徊不前時(shí)，他幸運(yùn)地遇上了另一位大物理學(xué)家焦耳，從此，他把興趣轉(zhuǎn)向了另一個(gè)研究領(lǐng)域——熱力學(xué)研究。

1847 年，在牛津召開的英國(guó)科學(xué)協(xié)會(huì)的會(huì)議上，焦耳再次宣傳當(dāng)時(shí)未被人們接受的“熱功當(dāng)量理論”。這位不屈不撓的實(shí)驗(yàn)家，面對(duì)懷疑和非難，堅(jiān)定地說明“各種形式的能可以定量地相互轉(zhuǎn)化”。懷有質(zhì)疑的湯姆孫出席了這次會(huì)議，但在聽完焦耳的演講后卻明白其中包含真理。

這次會(huì)議結(jié)束后，湯姆孫和焦耳建立了良好的朋友關(guān)系，成了莫逆之交。在焦耳的鼓勵(lì)下，湯姆孫開始傾注于熱力學(xué)的研究。他的天才在電磁學(xué)未充分發(fā)揮，在熱力學(xué)領(lǐng)域卻放出了奇光異彩。

1848 年，湯姆孫發(fā)表了第一部熱力學(xué)著作。在這部書中，他以卡諾原理為基礎(chǔ)，確立了絕對(duì)溫標(biāo)的概念。1851 年，湯姆孫撰寫出版了《熱力學(xué)理論》，他從卡諾理論出發(fā)，作為他對(duì)熱力學(xué)第二定律的一種表述，發(fā)展了熱力學(xué)理論，使其成為物理學(xué)的奠基石之一。1853 年至1854 年期間，湯姆孫和焦耳共同研究了氣體的擴(kuò)散對(duì)溫度的變化，并發(fā)現(xiàn)了著名的焦耳—湯姆孫效應(yīng)：氣體受壓通過窄孔后膨脹降溫，這個(gè)效應(yīng)為近代低溫工程提供了重要的理論基礎(chǔ)。

一天，湯姆孫晚餐時(shí)突發(fā)奇想：在高溫下食物的分子很活躍，在低溫下分子運(yùn)動(dòng)卻特別遲緩。細(xì)菌可以在高溫下被殺死，也可以在低溫下停止活動(dòng)。這樣，食物不就可以通過冷卻來保存嗎？當(dāng)他清晨從田間走過時(shí)，他仔細(xì)觀察了露水是如何保護(hù)農(nóng)作物不受夜間霜凍侵襲的。從這個(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)象中，他領(lǐng)悟到一種最新工藝—— 冷藏的原理。

在熱力學(xué)短短幾年的研究中，他的研究成果就使他成為物理學(xué)界薈萃群星中耀眼的一顆。

大西洋海底電纜沉放

1853 年，29 歲的湯姆孫再次把注意力投向了電磁學(xué)。

經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，湯姆孫證明了“萊頓瓶放電具有振蕩性質(zhì)”，這是發(fā)現(xiàn)電磁波的前兆！遺憾的是，他沒有繼續(xù)研究下去！

有人認(rèn)為，可能是當(dāng)時(shí)舉世矚目的大西洋海底電纜工程吸引了他的注意力。

要建造和鋪設(shè)數(shù)千千米的海底電纜，工程艱巨可想而知，有許多理論和技術(shù)問題需要解決。湯姆孫以其豐富的理論知識(shí)和超群出眾的才華脫穎而出，被選聘為大西洋海底電纜公司的董事。

然而，年輕的湯姆孫開始并未受到重用，公司選擇華特霍斯擔(dān)任電氣工程師。工程開始時(shí)，由于按華特霍斯合同訂做的電纜的直徑比理論要求小得多，剛開始時(shí)就陷入混亂。為了補(bǔ)救這一嚴(yán)重錯(cuò)誤，湯姆孫廢寢忘食地進(jìn)行研究，及時(shí)解決了問題。

1857 年，電纜沉放工程開始，華特霍斯以身體不適為名拒絕出航，湯姆孫接替華氏披甲上陣。不幸的是，電纜沉放到300 多海里時(shí)突然折斷，而且信號(hào)微弱，第一次沉放失敗。

沉放失敗后，湯姆孫對(duì)電纜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電纜折斷是由于外層機(jī)械強(qiáng)度不夠。同時(shí)，為了解決信號(hào)微弱的難題，湯姆孫從陽光下鏡片反射光的放大中受到啟發(fā)，發(fā)明了鏡式電流計(jì)、電報(bào)機(jī)，這種電報(bào)機(jī)靈敏度很高，為長(zhǎng)途電纜通信提供了實(shí)用、快捷、靈敏的終端設(shè)備。這兩個(gè)難題的解決為電纜再次沉放奠定了基礎(chǔ)。

1858 年，湯姆孫再次向大海征戰(zhàn)，與風(fēng)浪搏擊一個(gè)多月，8 月5 日上午電纜終于著陸。湯姆孫拍發(fā)出從歐洲到美洲的第一份電報(bào)，5 分鐘后，美洲清晰地收到了電報(bào)。寬廣大西洋終于被征服了！大西洋兩岸的人們激動(dòng)不已。然而，大西洋海底電纜使用一個(gè)月后，出現(xiàn)嚴(yán)重故障，信號(hào)模糊，不久信號(hào)完全中斷。調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，電纜絕緣層抗腐蝕性太差。

1865 年初，經(jīng)過改良的發(fā)現(xiàn)電纜終于制成。這年6 月，湯姆孫再

次遠(yuǎn)航，領(lǐng)導(dǎo)了這次沉放工程。但意想不到的是，電纜再次折斷，墜入深海。

整整9 年的心血付之流水，湯姆孫卻仍然堅(jiān)信：“大西洋阻擋不住人類的進(jìn)步!”“只要再造出一條電纜，我保證能夠成功！”

1866 年春天，電纜制成，湯姆孫主持了第四次沉放。蒼天不負(fù)有心人，這次沉放圓滿成功！至此，一項(xiàng)人間奇跡——長(zhǎng)途海底電纜通信在湯姆孫手下變成活生生的現(xiàn)實(shí)。這一偉大功績(jī)揭開了人類文明史的新篇章，全球性遠(yuǎn)距離通信日益密切而快捷。直到今天，海底電纜仍然是國(guó)際通信的一種重要手段。湯姆孫后來被授予開爾文勛爵的封號(hào)。

用“失敗”概括科學(xué)一生

很多人認(rèn)為，湯姆孫不是法拉第那樣的實(shí)驗(yàn)科學(xué)家，也不是麥克斯韋那樣的理論科學(xué)家，他更多地具有工程師的氣質(zhì)。他做了50 多年的大學(xué)教授，其實(shí)是以教授的名義當(dāng)了50多年的工程師。

他剛剛被選拔教授職位，就決定在格拉斯哥大學(xué)的物理系來一場(chǎng)革命。他的課堂和實(shí)驗(yàn)室堆滿了各種各樣的儀器，小配件堆積在桌上，吊在天花板上，掛在墻上。至于大件，有一套三件的螺旋彈簧振蕩器；一座9 米長(zhǎng)的擺鐘等等。他所主持的格拉斯哥大學(xué)物理學(xué)，實(shí)際上成了工程應(yīng)用系。他的眾多發(fā)明專利給他帶來了豐厚的收入，但他把大量的金錢都用于新的研究。他熱愛航海，發(fā)明了幾種很輕便的新式指南針。在電學(xué)測(cè)量上，他的鏡式電流計(jì)不僅成功地用于海底電纜通信，也成了電學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器。此外，湯姆孫的虹吸記錄器——電筆的發(fā)明，則把電纜傳來的信號(hào)最后從波浪形線條譯成了文字。

但是，湯姆孫干的事太多太雜，因此有傳記作者說他“博而不?！保骸耙?yàn)閷?duì)于科學(xué)思想缺乏健全的直覺，所以不能在科學(xué)上完成更偉大的功績(jī)。他能翻過科學(xué)上崇山峻嶺一般的障礙，不過他一經(jīng)到達(dá)了山巔，就不能看清霧層以外的景色了?！边@個(gè)批評(píng)是中肯的。正因?yàn)槿绱?，他幾次走在了真理邊緣，又幾次失之交臂。湯姆孫的成功與失敗，對(duì)每個(gè)人都具有借鑒意義。

1896 年，在格拉斯哥大學(xué)湯姆孫榮任該校教授50 周年紀(jì)念會(huì)上，人們逐一列舉他的貢獻(xiàn)時(shí)，這位72歲的勛爵有點(diǎn)自嘲地說：“有兩個(gè)字最能代表我50 年內(nèi)在科學(xué)進(jìn)步上的奮斗，就是‘失敗二字??失敗當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生憂慮的，可是對(duì)于從事科學(xué)的人，天賦的才能常會(huì)帶來一種特別的興致，借此使他不致十分失望，也許反會(huì)使他的日常生活格外快樂。”這席話驚動(dòng)全座。作為一名世界聞名的科學(xué)巨子、物理學(xué)的一代奇才，竟用“失敗”二字來概括自己的一生，這是一個(gè)科學(xué)上不知足的人的謙遜與自知。