他用“失败”概括一生

张　铭

年幼的大学学生

1824 年6 月26 日，威廉·汤姆孙出生于爱尔兰贝尔法斯特。父亲是贝尔法斯特皇家学院有名的教学教授，治学严谨，对孩子的教育非常严格，注重通过讨论培养孩子们的思维习惯。不幸的是，汤姆孙7岁时，母亲辞别人世。

汤姆孙8 岁时，父亲被聘任为格拉斯哥大学自然哲学教授，携全家前往。这一年新学期，这位新聘教授开始授课，每次上课都带着两个漂亮的小男孩，让他们坐在教室最后旁听。起初，同学们都以为他们是跟来玩的，后来发现教授授课时，这两个小家伙竟然认认真真地做笔记！这两个小男孩就是8岁的汤姆孙和他的哥哥杰姆。

汤姆孙10岁时，与哥哥一道进入格拉斯哥大学预科班学习。大学的学习使汤姆孙兄弟大开眼界，他们惊奇地摆弄着桌上的地球仪，梦想着漂洋过海到全球遨游，他们注视着神秘的天球仪，幻想着太空的奇异景象。汤姆孙完全被地球仪和天球仪迷住了，尽管年龄很小，但他在日记中的记录表明了对探索未知世界的信心：“科学领路到哪里，就在哪里攀登不息。前进吧，去测量大地，衡量空气，记录潮汐；去指示行星奔跑的轨迹，去纠正老皇历，叫太阳遵从你的规律。”

俗话说，有志者事竟成。15 岁时，汤姆孙获得天文学奖。同一年，他因名为《地球的形状》的论文，获得大学的金质奖牌。1845 年1 月，年仅20 岁的汤姆孙通过了紧张的毕业考试，以优异的成绩毕业。汤姆孙的父亲一心要儿子竞争教授席位，特意安排汤姆孙去巴黎留学。

走到“电磁学”边缘

1845 年初夏，汤姆孙从巴黎来到剑桥，参加了英国科学协会的大会，面对世界一流的大科学家，他大胆发表自己的见解，博得大家的赞赏与肯定。在这次会议上，汤姆孙有幸结识了仰慕已久的法拉第，法拉第很欣赏汤姆孙出众的才华，鼓励汤姆孙在电磁领域深入研究。

但是，汤姆孙几次试图把他对电磁学的研究总结成理论，最终都失败了。他的主要缺点在于不善于吸取他人之长。这也许与他一直受父亲单独教育过多有关，他很少认真阅读他人的著作与研究成果，他的发现，都是全凭自己实验得来的，其中有的确实闪耀着天才的光芒，有的则是别人早就发现了的东西。

1846 年9 月，通过一场激烈的竞争，22 岁的汤姆孙击败所有对手，坐上教授交椅。此后，汤姆孙仍潜心于电磁学，刻苦钻研，试图用数学公式将电力和磁力统一起来，这的确是一个天才的设想。

汤姆孙把研究成果写成一篇论文，论文完成时，他兴奋地在日记中写到：“上午十时一刻——我终于成功地用‘力的活动影像法来表示电力、磁力、电流了。”但是，他的理论虽然已经非常接近电磁理论的边缘，离真理却还差一步之遥，可是他在这关键时刻止步了。建立电磁理论的桂冠，后来被麦克斯韦摘取了。

尽管如此，汤姆孙的功绩是不可否认的，他为这一理论的建立做了开拓性的工作，并把自己多年积累的科学成果毫无保留地告诉了麦克斯韦。

热力学领域奇光异彩

当汤姆孙在电磁理论边缘徘徊不前时，他幸运地遇上了另一位大物理学家焦耳，从此，他把兴趣转向了另一个研究领域——热力学研究。

1847 年，在牛津召开的英国科学协会的会议上，焦耳再次宣传当时未被人们接受的“热功当量理论”。这位不屈不挠的实验家，面对怀疑和非难，坚定地说明“各种形式的能可以定量地相互转化”。怀有质疑的汤姆孙出席了这次会议，但在听完焦耳的演讲后却明白其中包含真理。

这次会议结束后，汤姆孙和焦耳建立了良好的朋友关系，成了莫逆之交。在焦耳的鼓励下，汤姆孙开始倾注于热力学的研究。他的天才在电磁学未充分发挥，在热力学领域却放出了奇光异彩。

1848 年，汤姆孙发表了第一部热力学著作。在这部书中，他以卡诺原理为基础，确立了绝对温标的概念。1851 年，汤姆孙撰写出版了《热力学理论》，他从卡诺理论出发，作为他对热力学第二定律的一种表述，发展了热力学理论，使其成为物理学的奠基石之一。1853 年至1854 年期间，汤姆孙和焦耳共同研究了气体的扩散对温度的变化，并发现了著名的焦耳—汤姆孙效应：气体受压通过窄孔后膨胀降温，这个效应为近代低温工程提供了重要的理论基础。

一天，汤姆孙晚餐时突发奇想：在高温下食物的分子很活跃，在低温下分子运动却特别迟缓。细菌可以在高温下被杀死，也可以在低温下停止活动。这样，食物不就可以通过冷却来保存吗？当他清晨从田间走过时，他仔细观察了露水是如何保护农作物不受夜间霜冻侵袭的。从这个简单的现象中，他领悟到一种最新工艺—— 冷藏的原理。

在热力学短短几年的研究中，他的研究成果就使他成为物理学界荟萃群星中耀眼的一颗。

大西洋海底电缆沉放

1853 年，29 岁的汤姆孙再次把注意力投向了电磁学。

经过反复实验，汤姆孙证明了“莱顿瓶放电具有振荡性质”，这是发现电磁波的前兆！遗憾的是，他没有继续研究下去！

有人认为，可能是当时举世瞩目的大西洋海底电缆工程吸引了他的注意力。

要建造和铺设数千千米的海底电缆，工程艰巨可想而知，有许多理论和技术问题需要解决。汤姆孙以其丰富的理论知识和超群出众的才华脱颖而出，被选聘为大西洋海底电缆公司的董事。

然而，年轻的汤姆孙开始并未受到重用，公司选择华特霍斯担任电气工程师。工程开始时，由于按华特霍斯合同订做的电缆的直径比理论要求小得多，刚开始时就陷入混乱。为了补救这一严重错误，汤姆孙废寝忘食地进行研究，及时解决了问题。

1857 年，电缆沉放工程开始，华特霍斯以身体不适为名拒绝出航，汤姆孙接替华氏披甲上阵。不幸的是，电缆沉放到300 多海里时突然折断，而且信号微弱，第一次沉放失败。

沉放失败后，汤姆孙对电缆进行了研究，发现电缆折断是由于外层机械强度不够。同时，为了解决信号微弱的难题，汤姆孙从阳光下镜片反射光的放大中受到启发，发明了镜式电流计、电报机，这种电报机灵敏度很高，为长途电缆通信提供了实用、快捷、灵敏的终端设备。这两个难题的解决为电缆再次沉放奠定了基础。

1858 年，汤姆孙再次向大海征战，与风浪搏击一个多月，8 月5 日上午电缆终于着陆。汤姆孙拍发出从欧洲到美洲的第一份电报，5 分钟后，美洲清晰地收到了电报。宽广大西洋终于被征服了！大西洋两岸的人们激动不已。然而，大西洋海底电缆使用一个月后，出现严重故障，信号模糊，不久信号完全中断。调查分析发现，电缆绝缘层抗腐蚀性太差。

1865 年初，经过改良的发现电缆终于制成。这年6 月，汤姆孙再

次远航，领导了这次沉放工程。但意想不到的是，电缆再次折断，坠入深海。

整整9 年的心血付之流水，汤姆孙却仍然坚信：“大西洋阻挡不住人类的进步!”“只要再造出一条电缆，我保证能够成功！”

1866 年春天，电缆制成，汤姆孙主持了第四次沉放。苍天不负有心人，这次沉放圆满成功！至此，一项人间奇迹——长途海底电缆通信在汤姆孙手下变成活生生的现实。这一伟大功绩揭开了人类文明史的新篇章，全球性远距离通信日益密切而快捷。直到今天，海底电缆仍然是国际通信的一种重要手段。汤姆孙后来被授予开尔文勋爵的封号。

用“失败”概括科学一生

很多人认为，汤姆孙不是法拉第那样的实验科学家，也不是麦克斯韦那样的理论科学家，他更多地具有工程师的气质。他做了50 多年的大学教授，其实是以教授的名义当了50多年的工程师。

他刚刚被选拔教授职位，就决定在格拉斯哥大学的物理系来一场革命。他的课堂和实验室堆满了各种各样的仪器，小配件堆积在桌上，吊在天花板上，挂在墙上。至于大件，有一套三件的螺旋弹簧振荡器；一座9 米长的摆钟等等。他所主持的格拉斯哥大学物理学，实际上成了工程应用系。他的众多发明专利给他带来了丰厚的收入，但他把大量的金钱都用于新的研究。他热爱航海，发明了几种很轻便的新式指南针。在电学测量上，他的镜式电流计不仅成功地用于海底电缆通信，也成了电学上的标准测量仪器。此外，汤姆孙的虹吸记录器——电笔的发明，则把电缆传来的信号最后从波浪形线条译成了文字。

但是，汤姆孙干的事太多太杂，因此有传记作者说他“博而不专”：“因为对于科学思想缺乏健全的直觉，所以不能在科学上完成更伟大的功绩。他能翻过科学上崇山峻岭一般的障碍，不过他一经到达了山巅，就不能看清雾层以外的景色了。”这个批评是中肯的。正因为如此，他几次走在了真理边缘，又几次失之交臂。汤姆孙的成功与失败，对每个人都具有借鉴意义。

1896 年，在格拉斯哥大学汤姆孙荣任该校教授50 周年纪念会上，人们逐一列举他的贡献时，这位72岁的勋爵有点自嘲地说：“有两个字最能代表我50 年内在科学进步上的奋斗，就是‘失败二字⋯⋯失败当然会产生忧虑的，可是对于从事科学的人，天赋的才能常会带来一种特别的兴致，借此使他不致十分失望，也许反会使他的日常生活格外快乐。”这席话惊动全座。作为一名世界闻名的科学巨子、物理学的一代奇才，竟用“失败”二字来概括自己的一生，这是一个科学上不知足的人的谦逊与自知。