William Thomson, Lord Kelvin

KelvinDer schottisch-irische Physiker William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin, war einer der bedeutendsten Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts und ist heute vor allem für die Erfindung des internationalen Systems der absoluten Temperatur bekannt, das seinen Namen trägt. Er leistete Beiträge zur Elektrizität, zum Magnetismus, zur Thermodynamik, zur Hydrodynamik, zur Geophysik und Telegrafie und zu anderen Gebieten und veröffentlichte zu Lebzeiten mehr als 650 Arbeiten. Thomson war auch ein äußerst fähiger Ingenieur, der etwa 70 Erfindungen patentieren ließ und maßgeblich an der Verlegung des ersten transatlantischen Telegrafenkabels beteiligt war. Für diese erfolgreiche Arbeit wurde er 1866 von Königin Victoria zum Ritter geschlagen. Der Baron wurde in den 1890er Jahren in den Adelsstand erhoben und wurde als Lord Kelvin of Largs bekannt.

Thomson wurde in Belfast, Irland, als viertes von sieben Kindern geboren. Seine Mutter starb in seiner Jugend, und sein Vater, James, war allein für den größten Teil seiner Erziehung verantwortlich. Die Familie zog in den frühen 1830er Jahren nach Schottland, wo James den Lehrstuhl für Mathematik an der Universität von Glasgow annahm. Der ältere Thomson war ein strenger Vormund, der sich an der presbyterianischen Kirche orientierte, aber er und sein zweiter Sohn William standen sich sehr nahe. Durch seinen Vater wurde William Thomson schon früh mit der Mathematik vertraut gemacht, auch mit Entwicklungen auf diesem Gebiet, die so neu waren, dass sie noch nicht in Lehrbüchern veröffentlicht worden waren. Thomson wurde im Alter von 10 Jahren an der Universität von Glasgow aufgenommen und blühte dort akademisch auf. Dort las er zum ersten Mal die „Analytische Theorie der Wärme“ von Jean Baptiste Joseph Fourier. Die Methoden des französischen Mathematikers waren zu dieser Zeit unter britischen Wissenschaftlern umstritten, und Thomsons erste veröffentlichte Arbeiten, die bereits als Teenager unter dem Pseudonym P.Q.R. erschienen, waren Verteidigungen von Fouriers Arbeit. Anstatt Fouriers Mathematik zu verurteilen, schlug Thomson vor, dass sie auch zur Untersuchung anderer Energieformen als Wärme, wie z. B. elektrischer Ströme, verwendet werden könnte.

Nach seinen Jahren an der Universität von Glasgow trat Thomson 1841 in Cambridge ein. Als er vier Jahre später seinen Abschluss machte, erhielt er höchste Auszeichnungen. Sein Interesse an französischen mathematischen und wissenschaftlichen Methoden inspirierte ihn dann zu einer Reise nach Paris, wo er im Labor von Henri-Victor Regnault Erfahrungen mit der experimentellen Seite der Physik sammelte. Als 1846 an der Universität Glasgow ein Lehrstuhl für Naturphilosophie zu besetzen war, erhielt Thomson mit Hilfe seines Vaters den Ruf, obwohl er erst 22 Jahre alt war. Er kehrte aus Frankreich nach Schottland zurück und war zufrieden, während seiner gesamten Karriere mit der Universität Glasgow verbunden zu bleiben, obwohl er Angebote von anderen akademischen Instituten erhielt.

Noch während seines Studiums in Cambridge begann Thomson mit einer vergleichenden Studie über die Verteilung der elektrostatischen Kraft und die Verteilung der Wärme durch einen Festkörper, die ihn zu dem Schluss führte, dass beide mathematisch gleichwertig sind. Diese Arbeit, die unter dem Titel „On the uniform motion of heat in homogeneous solid bodies, and its connection with the mathematical theory of electricity“ veröffentlicht wurde, bildete die Grundlage für seine späteren Arbeiten zu elektrischen und magnetischen Feldern. Darüber hinaus bildeten Thomsons Arbeiten auf diesem Gebiet die Grundlage für James Clerk Maxwells Theorie des Elektromagnetismus, wie Maxwell selbst offen zugab.

Thomsons Einfluss auf einen anderen großen Wissenschaftler ist ebenfalls bemerkenswert. Im Jahr 1845 analysierte Thomson mathematisch die magnetischen Kraftlinien von Michael Faraday und schrieb ihm im August desselben Jahres einen Brief, in dem er erklärte, wie seine Berechnungen vorhersagten, dass Magnetfelder die Ebene von polarisiertem Licht beeinflussen sollten. Faraday hatte viele Jahre zuvor mit Licht und Magnetismus experimentiert, ohne jedoch einen Zusammenhang zwischen den beiden zu beobachten. Ermutigt durch Thomsons Vorhersage beschloss Faraday, das Problem erneut anzugehen und begann eine neue Reihe von Experimenten in seinem Labor. Mitte September hatte er bewiesen, dass Magnetismus und Licht miteinander verbunden sind, und entdeckte dabei den sogenannten Faraday-Effekt.

Ähnlich wie Faraday scheint auch Thomson von der Idee geleitet worden zu sein, dass es eine Einheit zwischen allen Arten von Materie und Energie gibt. Im Laufe seiner Karriere machte er bedeutende Fortschritte bei der Vereinheitlichung verschiedener Theorien, indem er zum Beispiel die Arbeiten von Charles Augustin de Coulomb und Siméon-Denis Poisson mit denen von Faraday verband. Er wandte auch die Ideen, die er mit George Gabriel Stokes in Bezug auf die Hydrodynamik entwickelt hatte, auf die Atomtheorie und die elektrische Theorie an und vereinigte James Joule’s dynamische Theorie der Wärme, die er allmählich akzeptierte, mit seiner eigenen dynamischen Theorie der Elektrizität und des Magnetismus. Die Zusammenarbeit war für Thomson, der in seiner Jugend viele wichtige Verbindungen in der wissenschaftlichen Welt geknüpft hatte, offensichtlich sehr wichtig.