Chi è William Thompson, L’inventore della scala Kelvin

Lord William Thomson è un fisico Nato a Belfast nel 1824. Viene nominato barone di Kelvin Largs per meriti ottenuti per il suo contributo alla scienza.

La sua attività di ricercatore fu incentrata maggiormente sui problemi della fisica(costituzione della materia, elettromagnetismo, struttura dell’Universo ed altri) ed il suo nome è collegato maggiormente ad una formulazione del secondo principio della termodinamica. Fu il principale esponente della scienza che introdusse la scala Kelvin, la scala termodinamica assoluta delle temperature e trascorse la sua vita le ricerche sui problemi della fisica, in particolare la costituzione della materia, elettromagnetismo, onde elettriche e di luce e sulla struttura e sviluppo dell’Universo.

Era figlio di James Thomson, insegnante di ingegneria a Belfast, e successivamente matematica presso l’ateneo di Glasgow, e perse la madre all’età di sei anni. Da quel momento la sua educazione venne seguita dal padre, rigido nei principi, che ebbe comunque un ottimo rapporto con il figlio a cui insegnò la matematica, interessandolo fin da piccolo alla materia.

William e il suo fratello James ebbero istruzione dal padre, mentre i fratelli più piccoli vennero seguiti e cresciuti dalle sorelle maggiori. La bravura e l’applicazione nello studio di William lo hanno reso il preferito del padre, soprattutto e anche quando suo fratello James non si dimostrà all’altezza delle aspettative.

Dal 1832, anno della nomina del padre a professore di Matematica a Glasgow, i suoi figli riuscirono ad avere una istruzione più rigorosa di quella che lo stesso padre James aveva avuto precedentemente nella campagna irlandese.

Nel 1839 i ragazzi Thomson furono portati in estate a Parigi per studiare il Francese.

William Thomson era un ragazzo molto diligente, e fin dalla tenera età di 11 anni frequentò l’Università a Glasgow anche se questo episodio non era straordinario al tempo. Infatti l’Università in scozia accoglieva i migliori studenti già da dopo il compimento dei primi anni. William a 14 anni iniziò i corsi scientifici prettamente universitari(astronomia, chimica e poi fisica).Un suo saggio sulla forma della Terra gli permise di raggiungere un premio già a 15 anni, le cui idee vennero riprese da Thomson negli anni a venire.

A 16 anni studiò Fourier e Laplace(La Meccanica Celeste) con assoluto rispetto e “reverenza”, influenzato di molto dall’approccio matematico alle scienze fisiche dei matematici francesi.

Il lavoro di Fourier, fortemente criticato da alcuni studiosi in terra inglese, in realtà ispirò di molto l’attività e l’approfondimento di Thomson, che scrisse i primi articoli scientifici nel 1841.

Dal 1841 al ’45 studiò a Cambridge, dove fu un brillante studente, e seppur attivo nello sport, musica e letteratura era molto più attratto dalla scienza, matematica, fisica ed elettricità. Nel 1846 divenne Professore all’Università di Glasgow già all’età di 22 anni.

Nel 1847 partecipò ad un collegio scientifico dove ascoltò Joule parlare della teoria che il calore e il lavoro meccanico erano convertibili uno nell’altro, assunto che contrastava con la teoria dell’epoca sul calore fluido, sostenuta da Sadi Carnot e Emile Clapeyron.

Nel 1848 propose l’uso della scala denominata Kelvin, quella secondo la quale alla temperatura di zero assoluto si solidificano tutti i fluidi. La teoria della scala Kelvin si poggiava su un principio già teorizzato nel 1702 da Guillame Amontons.

Negli anni successivi William Thomson nonostante all’inizio fu sostenitore delle idee di Carnot e Clapeyron si spostò verso le teorie di Joule.  Le teorie di Joule erano affascinati per il genio nascente Thomson e questo lo portò a lavorare con lui a molti esperimenti, in cui Lo stesso Thomson trasse le conclusioni. La collaborazione portò tra le altre alla scoperta dell’effetto Joule Thomson.

Nel 1845 Thomson diede una base matematica alle idee di Faraday sull’elettricità come singolo flusso. Incoraggiato e spinto da Thomson tra gli altri, Faraday scoprì “l’effetto Faraday” nello stesso anno, che chiarì definitivamente che la luce e il magnetismo, e quindi l’elettricità sono collegate tra loro.

Nel 1851 riflettendo sulle idee di Carnot, Thomson formulò la sua versione del secondo principio della termodinamica.

Nel 1852 vide quello che oggi viene denominato effetto Joule-Thomson, il raffreddamento di un gas durante la sua espansione nel vuoto. Le idee di Joule influenzarono Thomson fino a portarlo verso una teoria dinamica del calore

 

fino al 1847 non sapevo che il moto è l’essenza di quella che viene chiamata materia, ad Oxford (meeting della British Association) imparai da Joule la teoria dinamica del calore e fui costretto ad abbandonare molte, e gradualmente tutte, le concezioni statiche riguardanti le cause di molti fenomeni apparentemente statici”.

 

La teoria dinamica del calore lo spinse a pensare allo stesso per quanto riguarda l’elettricità e magnetismo, concependo l’elettricità come essenza di materia. L’elettricità in movimento è calore e magnetismo in un qualche modo. Le teorie di Thomson sull’elettromagnetismo portarono successivamente Maxwell a sviluppare la teoria elettromagnetica

Nonostante avesse spinto Maxwell a sviluppare le sue teorie non accettò mai appieno l’approfondimento condotto dal secondo, cercando e approfondendo studi propri nella speranza che lo portassero ad un’unificazione della teoria di elettricità, magnetismo, luce gravità e calore collegato ai fenomeni della chimica. Queste ricerche però andando avanti spensero le sue speranze rendendole vane.

I Suoi meriti nella teoria dell’elettromagnetismo sono fortemente sottostimati, anche se Thomson fu il primo a cercare di dare una definizione matematica alle teorie di Faraday, e discusse personalmente con Maxwell ponendogli i problemi del campo elettromagnetico.

 

Nel 1851 fu eletto membro della Royal Society, e ne fu presidente dal 1890 al 1895, ricevendo inoltre la Medaglia Copley(riconoscimento assimilabile ad un premio Nobel dell’Ottocento) nel 1883. Come eminente fisico continuò ad essere presidente della Royal society fino alla morte.

Nel 1854 crea insieme a Cyrus Field una linea telefonica transatlantica, migliorandone la progettazione dei cavi e viaggiando sulle navi responsabili del progetto.

Tale esperienza portò Kelvin ad inventare il galvanometro*** a specchio nel 1858 sviluppato come ricevitore telegrafico a lunga gittata, permettendo ad esso di ricevere anche segnali di bassa intensità.

 

 

***GALVANOMETRO. – Strumento usato per la misura di piccole intensità di correnti elettriche.

Un evento particolarmente da ricordare risale al 1857 sui viaggi di Thomson relativa ai cavi telefonici, perché dopo 600 Km si ruppe un cavo posato dalla nave HMSS Agamennone. L’episodio permise a Thomson di prevenire da lì in poi danni accidentali di questo tipo, con i suoi studi.

Nel 1858 Thomson viaggiò ancora sulla nave Agamennone, per testare il galvanometro a specchio. Per una tempesta la nave dovette rientrare e il progetto rischio di fallire. Nonostante questo Thomson si sforzò di spingere il consiglio a continuare. Il cavo posato non era abbastanza sensibile(scarsa tensione) e William Thomson spinse nuovamente all’uso del suo galvanometro, ma questo non convinse Whitehouse che aumentò la tensione per risolvere il problema. Un’esplosione del cavo a 2000V fece naufragare il progetto e causò il licenziamento di Whitehouse per la sua scelta.

Nel 1865 Thomson venne nominato per effettuare un altro tentativo, che portò a compimento la realizzazione del progetto grazie agli strumenti di Thomson. Il progetto che aveva come termine ultimo il 1866, venne realizzato grazie all’apporto di Thomson che per questo venne insignito della nomina di cavaliere. Grazie a questa attività venne nominato nel 1866 Barone di Kelvin di Largs e successivamente divenne famoso per il suo titolo come Lord Kelvin(Kelvin è un fiume passante per le terre dell’Università di Glasgow e Largs è la città della Scozia dove risiedeva William Thomson)

Grazie alla sua partecipazione al progetto sul cavo transatlantico William Thomson divenne molto ricco e riuscì per questo ad acquistare una tenuta con una casa molto grande e uno yacht personale, chiamato Lalla Rookh.

Thomson aveva già visto gli esperimenti di William Snow Harris in conformità con le leggi di Coulomb. Nel 1857 pubblicò un articolo su uno di loro inventato elettrometro, basato su un vecchio dispositivo di Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger.

Continuò sempre a rifiutare la teoria sull’elettromagnetismo sostenuta da J.C. Maxwell, cercando di elaborare un modello meccanico per la propagazione della luce in un mezzo elastico che fosse allineato con i nuovi dati derivati dagli esperimenti.

Nonostante fosse consapevole della grossa crisi che affrontò la Fisica nell’Ottocento, continuò ininterrottamente nella fase terminale della sua vita gli studi sui problemi della struttura della materia, portando sull’argomento conferenze ricordate negli anni a venire.

E’ morto a Netherall nel 1907.

Tra gli strumenti di misurazione da lui concepiti, progettati e realizzati ricordiamo l’elettrodinamometro assoluto, o bilancia elletrodinamica, il galvanometro asiatico ad ago mobile, l’elettrometro assoluto ed un dispositivo a ponte per la misurazione delle correnti elettriche di debole intensità.

A Kelvin è associata anche la formula per la frequenza di risonanza di un circuito oscillante:

 

Dove L indica l’Induttanza del circuito e C la capacità.

*Effetto Kelvin o effetto pellicolare

L’effetto pelle è la tendenza della corrente elettrica in corrente alternata (AC) a distribuirsi in modo non uniforme all’interno di un conduttore, portando ad un aumento della resistenza elettrica all’aumentare della frequenza. Questo effetto si verifica ogni volta che la distribuzione della corrente ha un gradiente spaziale, cioè ogni volta che la densità di corrente in un punto particolare del materiale varia con la posizione in modo che ci sia un flusso netto di carica in una direzione.

 

Thomson era un uomo di fede ed era visto tale dalla scienza. Questa fede fervente lo influenzò molto nelle sue idee riguardo all’evoluzione sull’età della Terra. A Causa del suo lavoro sullo sviluppo nel campo del flusso di conduzione del calore, riuscì a determinare l’età della Terra partendo dal momento in cui era completamente fusa. William Thomson sosteneva che la terra aveva un’età compresa tra 25 a 400 milioni di anni, dove circa 100 milioni di anni fosse la stima più probabile. Le rocce si potevano essere formate soltanto dopo quel tempo, e quindi tutte le rocce dovevano essere più giovani di 100 milioni di anni.

Nel teorizzare questo, fu un forte oppositore della teoria uniformitaria sostenuta da Charles Lyell.

Vide e sostenne inoltre che la teoria sulla giovane età della Terra che aveva calcolato fu un importante argomento a contrasto con la teoria dell’evoluzione della specie di Charles Darwin.

E siccome la Terra in quel tempo sarebbe stata troppo calda per poter sviluppare una vita, il tempo indicato per attuare il cambiamento evolutivo sarebbe stato quindi nettamente più corto.*

* William Thomson condusse una accesa battaglia di trattati con i darwinisti John Tyndall e Thomas Huxley.

Poco prima che morisse Thomson, Becquerel scoprì la radioattività e Marie Curies tramite esperimenti con l’uranio determintò una nuova fonte di energia, che mise a dura prova le teorie di Thomson.

Per via del calore generato dal deperimento radioattivo nel nucleo terrestre, i calcoli di William Thomson non erano corretti. Ad oggi la scienza ritiene che la Terra abbia 4,57 miliardi di anni, sufficienti al processo evolutivo spiegato e sviluppato dalla teoria darwiniana.

In ogni caso, Thomson non ha più ripreso in mano le sue teorie in merito e corretto quindi il suo errore originario.

Ad ogni modo, di lui si ricordano le battaglie perse, in particolare verso la fine della sua carriera di scienziato, come l’erroeno calcolo dell’età della Terra e del Sole che lo mise in contrasto con la teoria di Darwin, il contrasto che aveva sull’ipotesi di un’energia atomica possibile, e l’opposizione a Rutherford sulla radioattività.

Data la sua lunga carriera e la sua fama di genio, veniva considerato il più influente scienziato inglese del suo tempo, metà del XIX Secolo.  Alla fine del secolo pronunciò il discorso sulle “nubi” che oscuravano le teorie elettromagnetiche e dell’elettrodinamica, ovvero la questione dell’etere e dei calori specifici dei solidi, dubbi fugati solo dal lavoro svolto successivamente da Einstein, con la teoria della relatività e la scienza quantistica.

William Thomson è sepolto insieme a Isaac Newton, Maxwell ed altri scienziati inglesi all’interno della Abbazia di Westminster.

L’unità di misura della temperatura si chiama proprio Kelvin, in onore di Lord Kelvin. Altri fenomeni fisici prendono il nome da William Thomson(Kelvin), come ad esempio il materiale Kelvin, l’instabilità di Kelvin-Helmholtz, la Luminosità di Kelvin-Helmholtz, il Gocciolatore Kelvin.

 

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