維多利亞時代的物理巨擘: 開爾文男爵 (下): 大西洋電纜
- 阿文開講
- 撰文者：高崇文
- 發文日期：2018-06-20
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上一次阿文介紹了十九世紀的英國科學家William Thomson 的前半生，接下來要來繼續講述他如何從William Thomson 變成 Lord Kelvin 。還請各位看官賞臉繼續看下去。
在1850年代，雖然Thomson 已經是英國物理界的一方之雄，但還不是公眾人物。但一場人生的悲劇卻讓這位書生的人生產生一個重大的轉折，結果讓他一躍成為英國眾所皆知的名人。1852年9月，Thomson娶了青梅竹馬的Margaret Crum，她是蘇格蘭企業家化學家Walter Crum的掌上明珠。但是不幸的是就在他們度蜜月時，她的身體就出了嚴重的問題了，並在接下來的17年裡，Thomson一直擔憂她的疾病，無法全神貫注在他的科學研究上。這種情形讓Thomson身旁的友人都深為惋惜。1854年10月16日，斯托克斯寫信給Thomson，詢問他對擬議中的跨大西洋電報電纜的事情以及法拉第做的一些相關實驗的看法。試圖讓他重新對工作提起興趣。當時這可是街頭巷尾都在熱議的大新聞。自從發明了電報之後，人類進入了電訊時代，1852年，大不列顛的愛爾蘭之間的電纜架設了起來。1852年海底電報公司第一次用纜線將倫敦到巴黎連接在一起。1853年，英格蘭一條電纜橫跨北海，架設到荷蘭。但是問題開始浮上檯面。1853年時一家電報公司連接倫敦和曼徹斯特的電報線發生嚴重的延遲的問題，法拉第當時也在場。他將這個問題視為推廣他的電磁感應理論的大好機會。幾個月之後，法拉第在皇家科學研究所的演講中，用他的理論展示了海水如何與海底纜線反應；就像一個電容器一般，海水會增加了纜線的電容，減低了電感，因此更加延遲了信號。他還展示了電纜的建造方式將限制消息發送的速度（也即現代所說的傳輸速率之「帶寬」bandwidth）。
這件事的確讓Thomson 又興致勃勃了起來!他開始研究這個問題，並且當月就發表了他的回應，"On the theory of the electric telegraph"(1854)。Thomson不僅預測了可以實現的數據傳輸速率，而且還評估了跨大西洋計劃的潛在收益和經濟效益。在1855年發表的"On the peristaltic induction of electric currents in submarine telegraph wires"(1855)論文中，Thomson進一步的分析發現電纜的設計將對其收益性有很大影響。而且Thomson認為，信號通過纜線的速度與芯部的長度的平方成反比。這對當時推動跨大西洋電纜的電訊業者是當頭棒喝。所以不意外地，電氣工程師Wildman Whitehouse 在寫給大英科學促進會(British Association for the Advancement of Science) 的信中反駁Thomson 的理論。Whitehouse比 Thomson大九歲，他還認為，Thomson的計算暗示電纜必須被拋棄，這在實用上和商業上都不現實。顯然他對沒有實務經驗的物理教授是打從心眼地看不起的吧。
Thomson 當然不會默不作聲，白白地挨打。他寫了一篇文章: "Letters on telegraph to America" ，還投稿到著名的雜誌《Athenaeum》狠狠地反擊了Whitehouse的說法，這件事讓Thomson聲名大噪，讓Thomson的研究吸引了許多人的注意；所以在1856年12月，他當選為新成立的大西洋電報公司(Atlantic Telegraph Company)的董事會成員。董事會中有十八個英國人，九個美國人，三個加拿大人。Thomson還成為了團隊的科學顧問，雖然這個職位是不支薪的，但是Thomson的熱情與能力在決策時讓他常常說得上話。他的死對頭Whitehouse則是擔任首席電氣工程師，而首席工程師是由Charles Tilston Bright擔任。
當時Thomson對電纜線已經有他的構想，因為在此之前他已經開發了一個完整操作海底電報的系統，能夠每3.5秒發送一個字母。1858年時他還給他的系統中的關鍵部分，也即反射鏡檢流計（鏡式檢流計）和虹吸記錄器，申請了專利。但Whitehouse在設計規格上早就有他的想法。所以Thomson的提議在1856年英國協會會議上被Wildman Whitehouse所駁斥而沒有被採用。Whitehouse在設計規格上有他自己的想法。不過，由於隔行如隔山，加上他誤以為Whitehouse可能真的有兩下子，覺得他可能有足夠的技術可以達成，實現現有的設計。再加上連法拉第和模爾斯也支持Whitehouse，所以他倒也沒有堅持己見。Whitehouse的想法最後被大西洋電報公司採用。
1857年8月，Thomson登上了電纜敷設船阿嘉美農號HMS Agamemnon，開始航行，Whitehouse則因病留在岸上，但航行380英里（610 km）後電纜不幸斷開了。對此，Thomson在《Engineer》發表了鋪設海底電纜所涉及到的應力的完整理論，並表明，當纜線以恆定的速度離開船體，進入到深度均勻的水中時，它會保持傾斜的直線的形狀下沉，該直線從入水點延伸到觸及底部的點。誰說沒有實務經驗的物理教授不行的呢? 但是就算到了這種節骨眼，Whitehouse還是持續忽略Thomson的許多意見和建議。直到Thomson說服董事會，使用更加純淨的銅更換電纜的丟失部分，用以改善電纜輸送數據能力，Thomson才第一次對電纜的鋪設發揮了實質的影響力。
大西洋電報公司在1857年沒有完成鋪設電纜，隔年他們又試了一次，董事會堅持讓Thomson加入1858年的電纜敷設遠征，並且要他積極參與各項計畫，但卻沒有給酬勞! (阿文曰:這也太小氣了吧) Thomson 雖然同意了，但是作為回報，他要求董事會給他一個試驗他的反射鏡檢流計的機會，之前董事會對這些儀器的細節毫無興趣。但是在1858年6月的災難性風暴之後，阿嘉美農號只好打道回府。回到倫敦後，董事會幾乎要放棄整個計畫，並打算通過銷售電纜減輕其損失的程度。Thomson、Cyrus West Field和Curtis Miranda Lampson說服了董事會再嘗試一次，Thomson堅持認為電纜的技術問題都是可以處理的。雖然僅以顧問的身份參與，Thomson在先前幾次的航行中獲得了在壓力下解決實際問題的真正的工程師的直覺和技能，往往率先處理突發事件，並且不畏懼對體力活伸出援助之手。
不要忘了他在劍橋時可是運動健將呢!到了當年的8月5日，電纜終於貫通了。大家欣喜若狂，Charles Tilston Bright 幾天後還被封為爵士，但是Thomson擔憂的事情終於發生了：Whitehouse的設備被證明不夠敏感，必須由Thomson的反射鏡檢流計所取代。但Whitehouse堅持是他的裝置提供了服務，並開始做一些把死馬當活馬醫的措施來補救。結果，他只是成功地用 2,000 V 的電壓徹底損壞了電纜。當電纜完全失敗時Whitehouse終於被開除；Thomson表示反對炒Whitehouse 魷魚，還被董事會譴責。這之後Thomson感到後悔自己太隨便地默許了許多Whitehouse的提議，沒有花足夠的努力去質疑他。禍不單行的是1860–1861年之間的冬天，Thomson在冰上摔了一跤，讓他從此不良於行，不過他可不是容意放棄的人。電纜失敗後，貿易委員會和大西洋電報公司聯合設立了調查委員會，發現關於電纜的故障，Whitehouse應當承擔大多數的責任。該委員會發現，雖然先前的幾次失敗讓大眾對海底電纜產生缺乏可靠性的惡劣印象，但是大多數問題都源於已知的和可避免的原因。所以成立了一個五人委員會，受命為新的電纜制定規範，而Thomson也被選入這個委員會。1863年10月，該委員會發表了報告，決定採用Thomson的設計，新的設計造價昂貴，但是由於前車之鑑，大西洋電報公司的董事會這次也學乖了。
1865年7月，Thomson再一次參與了大東方號（SS Great Eastern）的電纜敷設遠征航行，但航程再次受到技術問題的困擾。在鋪設了1200英里（1900公里）後電纜又不幸丟失，遠征不得不放棄。但是皇天不負苦心人，探險隊於1866年終於成功地在兩周內鋪設新的電纜，然後繼續恢復並完成了1865線。團隊凱旋而歸，受到公眾的盛情款待。1866年11月10日，Thomson與該項目的其他主要負責人一起被封為爵士。想到他的付出，這樣的榮譽算得上是實至名歸吧。從此William Thomson 教授就成了Sir William Thomson了。之後他就在電訊事業中扮演一個活躍的角色, 他利用他的長距離海底電纜信號傳輸的發明與C.F. Varley和Fleeming Jenkin簽訂了合作。與後者一起，他還設計了一個自動控制傳感器，一種在電纜上發送消息的發報電鍵。他還參加了1869年法國大西洋海底通信電纜的敷設，並與Jenkin一道擔任Western and Brazilian和Platino-Brazilian電纜的工程師，同時還有打工的學生James Alfred Ewing協助。Ewing 後來成了愛丁堡大學的校長。此外他還親臨1873年巴西海岸電纜的帕拉到伯南布哥部分的鋪設現場。真是非常的活躍呀。
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1870年6月17日，Thomson久病的妻子去世了；他也決心改變他的生活。那時他正深深沉迷於航海，所以在9月購買了一艘126噸的雙桅縱帆船「Lalla Rookh」號，作為招待朋友和同事的科學基地。他對海洋的興趣不斷增加。1871年，他受命於HMS Captain號沉沒事件調查委員會。他對海洋的熱愛還為他帶來第二春。1873年6月，Thomson和Jenkin駛著Hooper號開往里斯本，帶著2500英里（4020公里）長的電纜。電纜出現了故障，便在葡萄牙的Madeira群島上逗留了16天，此間Thomson與Charles R. Blandy和他的三個女兒成為了好朋友。1874年5月2日，他駛著Lalla Rookh又來到Madeira群島。當他靠近港口時，他向Blandy家發送電報「你願意嫁給我嗎？」而Fanny回信「是」。1874年6月24日，Thomson與比他年少13年的Fanny Blandy結婚。那時Thomson 已經五十歲囉！
Thomson對海洋的熱愛也給他帶來許多靈感。他就曾設計了一台機器可'以用聲波探測海的深度，主要是用鋼弦取代先前使用的線，還增設了一個壓力計可以記錄沉箱的深度。他還做了一台調和分析器，它可以做三角函數的加成，所以用來預測波浪。Thomson 認為這種機器可以發展成解微分方程的利器。在1880年代 Thomson 一直努力尋求方法讓航海用得羅盤能不受船上鋼材的影響，呈現正常的地磁方向。他的設計用的原理是George Biddell Airy 發現的，但是只有Thomson能將原理化成實用的設計，他還積極地遊說英國的海軍採用他的發明，而他的發明的確效果也非常地好。此外，雖然Charles Babbage 是第一個主張利用燈塔閃爍傳遞訊息的人，但是Thomson是第一個建議燈塔使用長短閃爍然後採用模爾斯代碼傳遞訊息。此外1893年Thomson 參與了決定尼加拉瓜瀑布電廠設計的國際委員會。雖然他本人認為直流電是比較好的系統，最後還是為西屋的交流電系統背書，因為交流電系統在當年的芝加哥世界博覽會獲得絕大的成功。
圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/William_Thomson,_1st_Baron_Kelvin#/media/File:DSCN1739-thomson-tide-machine.jpg
Thomson 雖然後半生投身於許多實業的大計畫之中，但是從來沒有失去他的學者本色。他一直非常熱衷於準確測量電荷的方法，他在1857年的Memoirs of the Roman Academy of Sciences 發表了文章，鼓吹新型的電荷計，這個設計是改良Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger 發明的electroscope。他又接連發明了一連串新型的儀器像是可以測量靜電的quadrant electrometer 還有可以測量微量電流的電流天平，被稱為是Kelvin balance。從1880年他在電氣工程師Magnus Maclean 襄助下更加熱心於各樣電氣的實驗。
Thomson 也改變了整個世代物理的教學方式。他一手建立格拉斯哥大學的物理教學實驗室，學物理的學生除了要學會解方程式，還要學會測量電荷，測量流體的流速，估計誤差。這在當時可真是開風氣之先，當馬克斯威爾籌辦卡文迪西實驗室實還在向Thomson 請教呢。除了實驗之外，他也很注重理論的訓練。從1855到1867之間，他與Peter Guthrie Tai 合著一本力學的教科書Treatise on Natural Philosophy，這本書在1879 擴充成兩部，後來成了物理教學的標準教科書。不過Thomson的教學技巧似乎並不出色，他常常沉醉在自己要講授的內容中而把聽眾拋諸腦後，往往自己講得手舞足蹈，但是聽眾卻完全不明所以，只能感受到他的熱情，看來Thomson顯然是"自嗨一族"，要是在現在的台灣，他的教學評量應該是不會有好分數的。1870到1890之間，將原子想像成以太的漩渦這種想法在英國相當流行，始作俑者正是Thomson與Tait, 他們發展出今天數學中的knot theory的雛型，在二十世紀末又流行了起來。1884年Thomson 在約翰霍布金斯大學帶了一門課"Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light"，他嘗試將電磁波當作是luminiferous aether 介質中的波動，雖然Thomson本人沒有提供筆記，上課的學生 A. S Hathaway 抄了一份筆記，Thomson 依此在1904年將它出版。關於以太與電磁學，有興趣的讀者可以參考阿文之前寫的見證帝國斜陽的劍橋人:拉莫爾爵士，那裡有更詳盡的介紹唷。
十九世紀後半英國還有一件大事，就是達爾文在1859年出版了物種起源，但是Thomson 卻對達爾文的演化論大大地不以為然，他對地質學家宣稱的地球存在四十億年這件事尤其感冒。他針對T.H. Huxley在1868年的倫敦地質學會發表的演說特別寫了一篇Of Geological Dynamics (1869) 強烈主張地球年齡比地質學家宣稱的要短的多！他在1864年就曾私下估計地球年齡只有兩千萬到四億年之間。 這個估計是由地球內部溫度以及岩石融化的溫度，還有岩石的比熱和地球內部熱對流的情況來推算的。1897年他重新又估計了一次。他在那一年寫給Victoria Institute 主席George Stokes 的公開信中，他宣稱地球只有兩千萬到四千萬年。1903年 科學家發現了輻射性讓Thomson的論證的有效性大打折扣。 拉塞福就曾在Thomson面前給了一個演講，公開挑戰Thomson的說法。但是Thomson可沒這麼容易認輸，他認為沒有陽光就無法解釋地球的沉積物的記錄，而太陽的能量來源單單來自重力，所以太陽的年齡從熱力學推斷不可能老過兩千萬年！當然啦，這要到後來發現核融合是太陽主要能量來源才推翻Thomson 的說法，但是當時Thomson 墓木已拱啦！
1900年四月二十七日，開爾文男爵應邀到皇家科學研究所Royal Institution給了一場演講，題目是Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light。著名的兩朵黑雲就是在這次演講中出現的。時常有書籍誤稱開爾文男爵講過:物理除了把東西再量準一點之外已經沒有其他事好做了。其實真是冤枉，開爾文男爵從來沒這樣說過。事實上他倒是指出後來物理發展的主要關鍵，所以說他寶刀未老也不為過。
不過開爾文男爵晚年對物理的許多新發現都心存懷疑也是不爭的事實，當Röntgen 在1895年發現X射線時，開爾文男爵不太相信，直到Röntgen 親自寄了一份論文給他之後，他才逐漸接受這個大發現，他寫信給Röntgen 表達祝賀之意，還親自給自己的手拍了張X光片呢。1898年他還預測地球的氧只能再供給人類使用四百年，他假設光合作用是產生氧氣的惟一途徑，他不知道氧還有其他的來源，不過這也不能怪他，像海洋中超過半數的光合作用是由 cyanobacterium Prochlorococcus 產生，而這可是1986才被發現的！開爾文男爵也不相信人類可以利用機器飛上天空，1902年他在接受報紙訪問時還公開宣稱:沒有飛行器或是氣球可以在實用上取得成功! 隔年萊特兄弟就在美國北卡試飛成功了!
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1892年，由於他在熱力學方面的工作，以及反對他強烈愛爾蘭自治的言論，使他被封為拉格斯的開爾文男爵，所以他通常被稱為開爾文男爵，這個頭銜來自於流經他在蘇格蘭格拉斯哥大學實驗室的開爾文河。受爵後，他因而成為首位進入英國上議院的科學家。1902年愛德華七世登基時，他還被任命為樞密院的成員呢。這也象徵著維多利亞時代落幕，大英帝國雖然依舊日不落，但是頹勢漸現，而 Thomson 也逐漸從物理研究的前線退下來了。
Thomson 一生共寫了六百五十篇科學論文，1851年成為皇家學會院士，1883年榮獲Copley獎章。他在1890 到1895之間是倫敦皇家學會的主席，他還當過三任愛丁堡皇家學會的主席分別是1873 到 1878，1886 到1890年以及1895到他過世為止。在1906年六月二十六日召開的國際電工大會(International Electrotechnical Commission) 為了表彰Thomson 對標準化電學單位的貢獻，推舉他為第一屆大會的主席。1907年十一月向來強健的開爾文男爵 偶感風寒，但是病情急轉急下，於當年十二月十七日病逝於自宅。享壽八十三。三年後年邁的英國國王愛德華七世也過世，七年之後歐戰爆發，整個歐洲更是陷入腥風血雨，開爾文男爵那一代的樂觀理性的氣氛以及引以為豪的大英帝國都在一戰後搖搖欲墜，而物理更是在二十世紀初經過一陣劇變，不復是開爾文男爵熟悉的那一套東西了，但是Thomson的大名還是會長留在科學史上，而他所開創的通訊時代，如今方興未艾，網路，手機，人與人之間的距離愈來愈短，看在開爾文男爵的眼中，不知做何感想呢?
參考資料:
(一) 中文 英文 維基相關條目
(二)MacTutor History of Mathematics archive
(三)科學大人物 【科技歷史】瞧! 馬克斯威爾來了 Case 讀報
本文為英國劍橋大學科學歷史與科學哲學系夏佛（Simon Schaffer）在二○一一年三月十七日《自然》的專文
(四) http://atlantic-cable.com/CablePioneers/Kelvin/