제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨
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1. 개요
제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨은 1824년 아일랜드에서 태어나 글래스고 대학교에서 수학과 물리학을 공부한 스코틀랜드계 아일랜드인이다. 그는 절대 온도 눈금을 도입하고 열역학 제2법칙을 정립했으며, 줄-톰슨 효과를 발견하는 등 열역학 분야에 기여했다. 또한 해저 전신 케이블 부설에 성공하여 기사 작위를 수여받았고, 1892년에는 켈빈 남작이 되었다. 그는 전자기학, 지구물리학, 해양학 등 다양한 분야에서 업적을 남겼으며, 1907년 사망 후 웨스트민스터 사원에 안장되었다.
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| 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨 - [인물]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 작위명 | 켈빈 남작 |
| 본명 | 윌리엄 톰슨 (William Thomson) |
| 출생일 | 1824년 6월 26일 |
| 출생지 | 영국 벨파스트 |
| 사망일 | 1907년 12월 17일 |
| 사망지 | 스코틀랜드 라그스 |
| 국적 | 영국 |
| |
| 참고 | 그의 서명에 있는 'PNP'는 '자연 철학 교수'(Professor of Natural Philosophy)를 의미하는 것으로 여겨진다. 켈빈은 또한 'P. Q. R.'이라는 필명으로 글을 썼다. |
| 경력 | |
| 직업 | 물리학자, 공학자, 수학자 |
| 재직 기관 | 글래스고 대학교 |
| 학력 | 왕립 벨파스트 학술원 글래스고 대학교 피터하우스, 케임브리지 |
| 지도 교수 | 윌리엄 홉킨스 |
| 주목할 만한 제자 | 레일리 경 윌리엄 에드워드 에어턴 |
| 주요 업적 | 줄-톰슨 효과 줄-톰슨 이상 기체 계수 보이트-톰슨 법칙 톰슨 효과 (열전기) 톰슨 관계 켈빈 저울 켈빈의 공 켈빈 고양이 눈 패턴 켈빈 커플링 켈빈의 거울 검류계 켈빈 재료 켈빈 물방울 발전기 켈빈파 켈빈-헬름홀츠 불안정성 켈빈-헬름홀츠 메커니즘 켈빈-헬름홀츠 광도 켈빈-플랑크 진술 켈빈의 열사 역설 켈빈-헬름홀츠 시간 척도 켈빈 최소 에너지 정리 켈빈 추측 켈빈 구조 켈빈 폼 켈빈 함수 켈빈 변환 켈빈 순환 정리 켈빈-스토크스 정리 켈빈 브리지 켈빈 감지 켈빈 방정식 켈빈-발리 분압기 켈빈 항적 패턴 켈빈 각 절대 0켈빈 켈빈 탐침 현미경 켈빈 스캐닝 탐침 자동 커브 전송기 케이블 이론 어두운 밤하늘 역설 지구 나이 역설 수심 측량 소산 자이로스코프 제곱의 법칙 열역학 제1법칙 열역학 제2법칙 엔트로피 우주의 열사 자기 벡터 퍼텐셜 자기저항 맥스웰의 도깨비 압저항 효과 사이펀 기록기 정류상 근사법 암흑 물질 조석 예측기 원자 소용돌이 이론 카이랄성 용어 만듦 열역학 용어 만듦 운동 에너지 용어 만듦 |
| 수상 | 첫 번째 스미스 상 (1845년) 로열 메달 (1856년) 키스 메달 (1864년) 마테우치 메달 (1876년) 앨버트 메달 (1879년) 코플리 메달 (1883년) 존 프리츠 메달 (1905년) |
| 정치 활동 | |
| 소속 정당 | 자유당 (1865–1886) 자유 연합당 (1886년부터) |
| 직위 | 왕립 학회 회장 |
| 임기 시작 | 1890년 12월 1일 |
| 임기 종료 | 1895년 11월 30일 |
| 개인 정보 | |
| 아버지 | 제임스 톰슨 |
| 친척 | 제임스 톰슨 (형제) |
| 배우자 | 마가렛 크럼 (1852년 결혼, 1870년 사망) 프랜시스 블랜디 (1874년 결혼, 1907년) |
| 자녀 | 없음 |
2. 생애
1824년 아일랜드 벨파스트에서 태어나, 1834년 글래스고 대학교에, 1841년에는 케임브리지 대학교에 입학하여 1845년 졸업했다. 1846년 불과 22세의 나이로 모교인 글래스고 대학교의 자연철학 교수로 임명되어 1899년까지 재직했다.
교수 재직 중이던 1848년 절대 온도 눈금을 도입했으며, 1851년에는 열역학 제2법칙을 정립하고 왕립 학회 회원이 되었다.[118] 1852년에는 제임스 프레스콧 줄과 함께 줄-톰슨 효과를 발견했다.
과학 이론뿐만 아니라 응용 분야에서도 중요한 업적을 남겼다. 1858년 해저 전신 통신을 위한 반사 검류계를 발명했으며, 1866년 대서양 횡단 전신 케이블 부설 성공에 기여한 공로로 기사 작위를 받았다. 이후에도 사분원 전위계(1867년), 절대 전위계(1870년), 항해용 나침반(자침) 개량 및 특허 취득(1876년) 등 다양한 발명을 이어갔다. 1862년에는 당시 과학 지식을 바탕으로 지구의 나이를 2천만 년에서 4억 년 사이로 추산하기도 했다.
1890년부터 1894년까지 왕립 학회 회장을 역임했으며, 1892년에는 초대 켈빈 남작 작위를 수여받았다. 이 작위명은 그의 연구실이 있던 글래스고 대학교 옆을 흐르는 켈빈 강의 이름에서 유래했다. 1896년 로열 빅토리아 훈장, 1902년 공로 훈장을 수훈했으며, 1904년에는 글래스고 대학교 총장으로 선출되었다.
1907년 스코틀랜드 라그스에서 사망했으며, 아이작 뉴턴 등 영국의 위대한 과학자들과 함께 런던 웨스트민스터 사원에 안장되었다.
2. 1. 유년 시절
윌리엄 톰슨은 1824년 6월 26일, 아일랜드 벨파스트에서 태어났다. 그의 아버지 제임스 톰슨은 스코틀랜드계 아일랜드인 농부의 아들로, 독학으로 글래스고 대학교를 졸업하고 벨파스트의 로열 벨파스트 아카데미컬 인스티튜션에서 수학 및 공학 교사로 활동했다. 윌리엄의 어머니 마가렛 가드너는 1817년 제임스 톰슨과 결혼했으나, 윌리엄이 6살 때인 1830년에 사망했다.[17] 이후 윌리엄과 그의 형 제임스는 주로 아버지에게서 가정 교육을 받았고, 누나들도 동생들의 교육을 도왔다.
1832년, 아버지가 글래스고 대학교의 수학 교수로 임명되면서 가족은 1833년 10월 글래스고로 이사했다. 이 덕분에 톰슨 형제는 아버지의 시골 배경보다 더 넓은 경험을 할 수 있었다. 1839년에는 런던을 방문하고 파리에서 프랑스어 교습을 받았으며, 1840년대 중반에는 독일 연방과 네덜란드에서 시간을 보내는 등 외국어 학습을 중요하게 여겼다.
윌리엄 톰슨은 아버지가 교수로 재직했던 로열 벨파스트 아카데미컬 인스티튜션에 다녔으며, 1834년, 불과 10세의 나이에 글래스고 대학교에 입학했다. 당시 글래스고 대학교는 유능한 어린 학생들을 받아들였기 때문에 10세 입학이 특별히 이례적인 것은 아니었다. 대학에서 그는 과학뿐만 아니라 고전에도 깊은 관심을 보였으며, 12세에는 고대 그리스어 문헌인 루키아노스의 ''신들의 대화''를 영어로 번역하여 상을 받기도 했다.
14살이 되던 1838년부터는 천문학과 화학을 본격적으로 공부하기 시작했고, 열역학과 전자기학을 포함한 물리학에도 발을 들였다. 1839/1840 학년도에는 "지구의 형태에 대한 에세이"로 천문학 수업에서 상을 받았는데, 이는 그의 수학적 분석 능력과 창의성을 보여주는 초기 사례였다. 그는 평생에 걸쳐 어려움에 직면할 때마다 이 에세이에서 다루었던 문제들을 되짚어보며 해결책을 찾으려 했다고 전해진다. 이 에세이 표지에는 알렉산더 포프의 "인간에 관한 에세이" 중 과학의 힘으로 자연을 이해하려는 그의 열망을 나타내는 다음 구절이 적혀 있었다.
> 가서, 경이로운 존재여! 과학이 인도하는 곳으로 올라가라.
> 가서 땅을 측정하고, 공기를 재고, 조류를 파악하라.
> 행성들에게 어떤 궤도로 움직여야 하는지 가르치고,
> 오래된 시간을 바로잡고, 태양을 조절하라;
톰슨은 조제프 푸리에의 ''열의 해석적 이론''에 깊이 매료되었다. 당시 영국 학계는 아이작 뉴턴의 영향 아래 있었기에 푸리에와 같은 "대륙" 수학자들의 연구에 비판적이었다. 실제로 수학자 필립 켈랜드는 푸리에의 연구를 비판하는 책을 출간하기도 했다. 이에 자극받은 톰슨은 푸리에를 옹호하기 위해 'P.Q.R.'이라는 익명으로 첫 과학 논문[20]을 작성했고, 아버지를 통해 ''케임브리지 수학 저널''에 기고했다. 곧이어 두 번째 P.Q.R. 논문도 발표했다.[21]
1841년, 가족과 함께 램래시에서 휴가를 보내던 중 그는 세 번째 P.Q.R. 논문인 ''균질한 고체 내 열의 균일한 운동과 전기 이론과의 관계''[22]를 썼다. 이 논문에서 그는 열 전도와 정전기의 수학적 이론 사이에 존재하는 놀라운 유사성을 밝혔는데, 훗날 제임스 클러크 맥스웰은 이를 "가장 가치 있는 과학 형성 아이디어 중 하나"라고 평가했다.[23]
이후 1841년부터는 케임브리지 대학교의 피터하우스 칼리지에서 공부했으며, 1845년에 차석으로 졸업했다.[119] 졸업 후에는 파리로 건너가 앙리 빅토르 르뇨의 지도를 받았다. 그리고 이듬해인 1846년, 22세의 젊은 나이로 모교인 글래스고 대학교의 교수로 임명되어 영국 대학 최초의 물리학 연구실을 설립하게 된다.
2. 2. 청년 및 중년
톰슨은 아버지가 교수로 재직했던 로열 벨파스트 아카데미컬 인스티튜션에 다녔다. 1834년, 10세의 나이로 글래스고 대학교에 입학했는데, 당시 글래스고 대학교는 유능한 어린 학생들을 받아들였으므로 이는 특별히 조숙한 입학은 아니었다. 학교에서 그는 고전과 과학 모두에 뛰어난 재능을 보였으며, 12세에는 고대 그리스어로 된 사모사타의 루키아노스의 ''신들의 대화''를 영어로 번역하여 상을 받기도 했다.
1839/1840 학년도에는 "지구의 형태에 대한 에세이"로 천문학 수업에서 상을 받아 수학적 분석과 창의성에 대한 초기 재능을 보여주었다. 이때 그의 물리학 스승은 동명이인인 데이비드 톰슨이었다.[19] 그는 평생 동안 스트레스를 받을 때 이 에세이에서 다루었던 문제들을 푸는 것으로 해소하려 했다고 한다. 이 에세이 표지에 그는 알렉산더 포프의 "인간에 관한 에세이" 중 다음 구절을 적어두었는데, 이는 그가 과학을 통해 자연 세계를 이해하려는 열망을 갖게 된 계기가 되었다.
가서, 경이로운 존재여! 과학이 인도하는 곳으로 올라가라.
가서 땅을 측정하고, 공기를 재고, 조류를 파악하라.
행성들에게 어떤 궤도로 움직여야 하는지 가르치고,
오래된 시간을 바로잡고, 태양을 조절하라;
톰슨은 조제프 푸리에의 ''열의 해석적 이론''에 깊은 감명을 받아, 당시 아이작 뉴턴의 영향 아래 있던 영국 학계의 주류와 달리 프랑스 등 유럽 대륙의 수학을 공부하기 시작했다. 푸리에의 연구는 영국 내에서 비판받기도 했는데, 필립 켈랜드의 비판에 대응하여 톰슨은 'P.Q.R.'이라는 필명으로 푸리에를 옹호하는 첫 과학 논문을 발표했다.[20] 이 논문은 그의 아버지를 통해 ''케임브리지 수학 저널''에 게재되었으며, 곧이어 두 번째 P.Q.R. 논문도 발표되었다.[21]
1841년 가족과 함께 램래시에서 휴가를 보내는 동안 그는 세 번째이자 더 중요한 P.Q.R. 논문인 ''균질한 고체 내 열의 균일한 운동과 전기 이론과의 관계''를 썼다.[22] 이 논문에서 그는 열 전도와 정전기 이론 사이의 수학적 유사성을 밝혔는데, 이는 훗날 제임스 클러크 맥스웰이 "가장 가치 있는 과학 형성 아이디어" 중 하나라고 평가할 정도로 중요한 발견이었다.[23]
같은 해 1841년 톰슨은 케임브리지 대학교 피터하우스에 입학했다. 케임브리지에서 그는 수학, 물리학, 특히 전기에 깊이 몰두하는 한편, 조정 선수로도 활동하여 1843년 콜훈 스컬스에서 우승하기도 했다.[24] 1845년 그는 차석 랭글러로 졸업했으며,[25] 독창적인 연구 능력을 평가하는 스미스상의 첫 수상자가 되었다. 당시 시험관이었던 로버트 레슬리 엘리스는 그의 뛰어난 재능에 감탄하여 "당신과 나는 그의 펜을 고칠 정도의 능력밖에 안 된다"고 말했다고 전해진다.[26]
졸업 후 톰슨은 조지 그린의 연구에 큰 영향을 받았으며, 마이클 패러데이가 제안한 전기 유도가 매개체(유전체)를 통해 일어난다는 생각을 수학적으로 발전시켰다. 그는 또한 정전기학 문제를 해결하는 데 유용한 전기 영상법이라는 수학적 기법을 고안했다. 그의 격려는 패러데이가 빛과 자기 현상의 연관성을 밝힌 패러데이 효과를 발견하는 데에도 기여했다.
과학에 대한 프랑스적 접근에 관심이 많았던 그는 1845년 6월 피터하우스의 특별 연구원이 된 후,[27] 프랑스 파리로 건너가 앙리 빅토르 레뇨의 물리 연구소에서 일했다. 파리에서 그는 뤼빌과 교류하며 패러데이, 샤를 드 쿨롱, 시메옹 드니 푸아송의 전기 이론을 통합하려는 시도에 대한 조언을 얻었다.
1846년, 톰슨은 22세의 젊은 나이에 글래스고 대학교로 돌아와 아버지의 도움을 받아 글래스고 대학교 자연철학 교수가 되었다. 이는 그가 불과 몇 년 전 학생으로 있었던 바로 그 자리였다.
교수가 된 후 톰슨은 열역학 연구에 중요한 기여를 했다. 1848년 그는 기존의 열역학 지식을 바탕으로 온도 측정의 기준이 되는 '절대 온도' 개념을 제안했다. 비록 절대 온도의 정확한 정의는 이후 에너지 보존 법칙이 확립된 후에 이루어졌지만, 그의 선구적인 제안을 기려 절대 온도의 단위는 그의 이름을 딴 켈빈(K)으로 명명되었다.
1851년에는 열역학 제2법칙을 명확하게 공식화했으며, 같은 해 왕립학회 회원으로 선출되었다.[118] 1852년에는 제임스 줄과 함께 기체가 단열 팽창할 때 온도가 변하는 현상인 줄-톰슨 효과를 발견했다. 이는 냉동 기술 발전에 중요한 이론적 기반이 되었다. 1862년에는 당시까지 알려진 물리학 지식을 바탕으로 지구의 나이를 약 2000만 년에서 4억 년 사이로 추정하기도 했다.
1866년, 톰슨은 대서양 횡단 전신 케이블 부설 사업의 성공에 기여한 공로를 인정받아 기사작위(Knight Bachelor)를 수여받고 경(Sir) 윌리엄 톰슨이 되었다.
2. 3. 노년과 죽음
1890년부터 1894년까지 왕립학회 회장을 역임했다. 1892년에는 남작 작위를 받아 켈빈 경(Lord Kelvin)이 되었다.[122] 1896년에는 로열 빅토리아 훈장을 받았다.1902년 에드워드 7세의 대관식 서훈 명단 발표와 함께[80], 켈빈은 추밀원 의원으로 임명되었고 신설된 공로 훈장(OM)의 첫 수훈자 중 한 명이 되었다. 그는 1902년 8월 8일 국왕으로부터 훈장을 받았고[81][82], 8월 11일 버킹엄 궁전에서 추밀원 의원 선서를 했다.[83] 1904년에는 모교인 글래스고 대학교의 총장으로 취임했다.
켈빈은 평생 독실한 기독교 신앙을 유지했으며, 예배 참석은 그의 일상이었다.[77] 그는 자신의 신앙이 과학 연구를 뒷받침하고 영감을 준다고 생각했다.[78][79] 만년에는 런던 벨그라비아의 15 이튼 플레이스에 있는 타운 하우스를 자주 방문했다.[39] 1860년대 초 컬링을 하다 다리가 부러진 후 평생 다리를 절었다.[39]
1907년 11월 감기에 걸린 후 건강이 악화되어, 12월 17일 스코틀랜드 에어셔의 라르그스(Largs)에 있는 시골 저택 네더홀(Netherhall)에서 사망했다.[84] 웨스트민스터 사원의 요청에 따라 납으로 안을 댄 오크 관이 준비되었고, 장례 행렬은 네더홀에서 라르그스 기차역까지 이동했다. 많은 군중이 지켜보는 가운데 관은 특별 화물칸에 실려 런던의 세인트 판크라스 기차역으로 운구되었다.[85]
켈빈의 장례식은 1907년 12월 23일 웨스트민스터 사원에서 거행되었다.[39] 장례식에는 글래스고 대학교와 케임브리지 대학교 대표를 비롯해 프랑스, 이탈리아, 독일, 오스트리아-헝가리, 러시아, 미국, 캐나다, 호주, 일본, 모나코 등 여러 국가의 대표들이 참석했다. 그의 묘는 사원 본당의 성가대 칸막이 근처에 있으며, 아이작 뉴턴, 존 허셜, 찰스 다윈의 묘 가까이에 안장되었다.[86] 찰스 다윈의 아들인 조지 다윈 경도 운구자 중 한 명이었다.[87]
글래스고 대학교는 부트 홀(Bute Hall)에서 그를 위한 추모식을 열었다. 켈빈은 스코틀랜드 성공회 신자였으며, 웨스트민스터 사원에서 장례식이 열리는 동안 라르그스의 세인트 콜롬바 성공회 교회에서도 지역 유지들이 참석한 가운데 추모 예배가 열렸다.[88] 글래스고 네크로폴리스에 있는 톰슨 가문의 묘에는 글래스고 왕립 철학회가 세운 기념비가 있다. 켈빈은 이 학회의 회장을 두 차례(1856-58년, 1874-77년) 역임했다.[89]
3. 과학적 업적
니콜라 레오나르 사디 카르노의 이론을 발전시켜 절대 온도 개념을 도입했으며, 루돌프 클라우지우스와는 독립적으로 열역학 제2법칙(톰슨의 원리)을 발견했다. 또한 제임스 프레스콧 줄과 공동 연구를 통해 줄-톰슨 효과를 발견하는 등 열역학 분야 발전에 크게 기여했다. 이러한 업적으로 그는 클라우지우스, 윌리엄 랭킨 등과 함께 고전 열역학의 주요 개척자 중 한 명으로 평가받는다.
이 외에도 전자기학, 유체역학 등 고전 물리학의 거의 모든 분야에 걸쳐 600편이 넘는 방대한 연구 논문을 발표했다. 특히, 전자기 유도와 자기력을 설명하기 위해 벡터 개념을 도입하여 사용하기 시작한 선구자이기도 하다. 그의 연구는 후대 물리학 발전에 큰 영향을 미쳤다.
3. 1. 전자기학
1842년, 케임브리지 대학교 재학 중이던 톰슨은 독자적인 연구를 시작하여, 열의 분포와 정전기력 분포를 비교하는 논문을 발표했다. 이 논문에서 그는 전자기장과 비압축성 탄성체 사이의 유사점을 지적했다. 1845년에는 패러데이가 제시한, 전자기 유도가 단순한 원격 작용이 아니라 어떤 매체(유전체)를 통해 전달된다는 아이디어를 처음으로 수학적으로 정립했다. 또한, 정전기학 문제를 해결하는 데 유용한 수학적 기법인 전기 영상법을 고안했다.[26] 이러한 초기 연구들은 훗날 맥스웰의 전자기학 이론 발전에 중요한 영감을 주었다. 같은 해, 그는 패러데이가 빛과 자기 현상의 연관성을 밝힌 패러데이 효과를 발견하도록 격려하기도 했다.1849년부터 약 10년간, 톰슨은 패러데이가 발견한 상자성과 반자성 현상 및 관련 이론을 일반화하는 연구에 몰두했다. 이 연구 과정에서 그는 투자율과 자화율(자기 감수율)이라는 중요한 개념을 도입했으며, 자석이 저장하는 에너지를 나타내는 수학 공식을 유도했다. 전기 분야에서는 전류가 흐르는 회로가 가지는 에너지를 계산하는 식을 개발했고, 1853년에는 전기 진동 회로에 대한 이론을 발전시켰다. 이 이론은 1857년 실험을 통해 검증되었으며, 이후 헤르츠가 전자기파를 생성하는 실험의 기초가 되었다.
1851년, 베버가 국제 단위계(SI)를 전자기학 영역까지 확장하자고 제안했을 때, 톰슨은 이를 지지하며 다니엘 전지의 기전력과 줄의 법칙에 기반한 열 발생량 등을 계산했다. 그는 또한 영국 학술 협회에 전자기학적 양들에 대한 표준 단위를 제정할 것을 촉구하며 전기 단위 표준화에 기여했다.
3. 2. 열역학
1847년, 톰슨은 영국 과학 진흥 협회의 옥스퍼드 연례 회의에 참석하여 제임스 프레스콧 줄을 만났다. 줄은 당시 주류였던 열소설(caloric theory)과 사디 카르노, 에밀 클라페롱이 세운 열기관 이론을 반박하며, 열과 역학적 일이 상호 변환 가능하고 역학적으로 동등하다고 주장했다. 톰슨은 줄의 주장에 흥미를 느꼈지만, 한편으로는 회의적이었고 카르노-클라페롱 이론에 더 깊이 몰두했다. 그는 얼음의 녹는점이 압력에 따라 달라질 것이라고 예측했는데, 만약 그렇지 않다면 얼음이 얼면서 팽창하는 현상을 이용해 영구 기관을 만들 수 있을 것이라 생각했기 때문이다. 실험을 통해 자신의 예측이 맞다는 것을 확인하고 카르노 이론에 대한 믿음을 굳혔다.1848년, 톰슨은 기체 온도계가 온도에 대한 조작적 정의만을 제공한다는 점에 만족하지 못하고, 카르노-클라페롱 이론을 확장하여 절대 온도 척도를 제안했다.[28] 그는 "이 눈금의 온도 ''T''°에 있는 물체 A에서 온도 (''T''−1)°에 있는 물체 B로 내려가는 열량 단위는, 그 숫자 ''T''가 무엇이든 간에 동일한 역학적 효과 ''[일]''을 낼 것이다"라고 설명하며, 이 척도가 "특정 물질의 물리적 특성과 완전히 독립적"일 것이라고 주장했다.[29] 그는 이 원리를 이용하면 기욤 아몽통이 예측했던 절대 영도에 도달할 수 있다고 생각했다. 톰슨은 앙리 빅토르 레뇨가 발표한 데이터를 사용하여 자신의 절대 온도 척도를 기존 측정값과 비교하여 보정했다.
톰슨은 자신의 출판물에서 다음과 같이 썼다.
:... 열(또는 ''열량'')을 역학적 효과로 변환하는 것은 아마도 불가능할 것이며, 확실히 발견되지 않았다
—하지만 각주에서 줄의 ''매우 놀라운 발견''을 언급하며 열 이론에 대한 그의 첫 번째 의구심을 알렸다. 그는 줄에게 논문 사본을 보내지 않았지만, 줄이 우연히 논문을 읽고 톰슨에게 편지를 보내면서 두 사람의 교류가 시작되었다. 줄은 자신의 연구가 열을 일로 변환하는 것을 증명한다고 주장했고, 톰슨은 자신도 실험을 계획 중이며 두 사람의 관점을 조화시키고 싶다고 답했다.
1849년 에든버러 왕립 학회에서 카르노 이론 분석을 발표할 때까지도 톰슨은 여전히 카르노 이론이 근본적으로 옳다고 믿었다.[30] 그러나 이후 2년간 그는 점차 카르노 이론에 불만을 느끼고 줄의 이론에 더 확신을 갖게 되었다. 1851년 2월, 톰슨은 카르노와 줄의 이론을 조화시키려는 시도 속에서 자신의 새로운 생각을 정리하기 시작했다. 이 과정에서 그는 열역학 제2법칙의 핵심 아이디어를 발전시킨 것으로 보인다. 카르노 이론에서는 손실된 열이 완전히 사라진다고 보았지만, 톰슨은 열이 "인간에게는 잃어버려 회복할 수 없지만, 물질 세계에서 사라진 것은 아니다"라고 생각했다. 이러한 생각은 더 나아가 우주의 열적 죽음이라는 개념으로 이어졌다.
최종 발표된 논문에서 톰슨은 열역학 제2법칙의 한 형태를 다음과 같이 명확히 밝혔다.
:무생물적인 물질적 작용을 통해 어떤 물질의 일부를 주변 물체의 가장 차가운 온도보다 낮게 냉각시켜 역학적 효과를 얻는 것은 불가능하다.[35]
이는 "온도가 일정한 하나의 열원으로부터 열을 취하여 이것을 전부 일로 바꾸고 그 외에 어떤 변화도 남기지 않도록 하는 것은 불가능하다"는 원리와 같은 의미이다. 이 논문에서 그는 열이 운동의 한 형태라는 이론을 지지했지만, 험프리 데이비, 줄, 율리우스 로베르트 폰 마이어의 실험에 영향을 받았음을 인정하면서도 열을 일로 변환하는 실험적 증명은 아직 부족하다고 보았다.[36]
줄은 이 논문을 읽고 즉시 톰슨에게 자신의 의견과 질문을 담은 편지를 보냈다. 이를 계기로 두 사람의 생산적인 협력이 시작되었다. 주로 서신 교환을 통해 이루어진 이 협력은 1852년부터 1856년까지 이어졌으며, 줄이 실험을 수행하고 톰슨이 결과를 분석하며 다음 실험을 제안하는 방식으로 진행되었다. 이 공동 연구를 통해 줄-톰슨 효과(Joule–Thomson effect)가 발견되었고,[37] 이는 줄의 연구 결과와 기체 운동론이 학계에서 널리 받아들여지는 데 크게 기여했다.
3. 3. 지구물리학
1862년, 톰슨은 푸리에 급수와 열전도 이론을 이용하여 지구가 고온 용융 상태에서 현재 온도로 식는 데 걸리는 시간을 계산했다. 이를 통해 그는 지구의 나이가 수천만 년에서 최대 4억 년을 넘을 수 없다고 결론지었다.[120] 같은 해, 그는 태양의 열이 중력 수축에 의해 발생한다고 가정하여 태양의 나이를 1억 년 미만, 최대 5억 년으로 추정했다.[120] 이렇게 독립적으로 계산된 지구와 태양의 나이가 비슷하게 나오자 그의 주장에 설득력을 더했다.[120]
그러나 톰슨의 계산은 몇 가지 중요한 가정을 기반으로 했다. 그는 지구가 생성된 이후 식기만 한다고 전제했으며, 당시에는 알려지지 않았던 방사성 원소의 붕괴열이나 핵융합 에너지를 고려하지 않았다. 또한 지구 내부의 열전도율이 일정하다고 가정했는데, 이는 나중에 잘못된 것으로 밝혀졌다. 현대 과학은 지구 내부의 맨틀 대류 현상으로 인해 열이 표층보다 내부에서 더 빠르게 전달된다는 사실을 밝혀냈으며, 이것이 톰슨의 계산이 실제 지구 나이와 크게 차이 나는 주된 이유임을 설명한다. 방사성 붕괴열의 영향은 상대적으로 작았던 것으로 평가된다.[120]
1863년에는 태양과 달의 조석력에 의해 지구의 형태가 변형되는 현상(지구 조석)을 이용하여 지구의 강성(굳기)을 계산했다.
톰슨의 지구 나이 추정은 당시 지질학의 주류였던 동일 과정설과 찰스 다윈의 진화론과 충돌했다. 다윈의 1859년 저서 ''종의 기원''은 생물 다양성이 느린 자연 선택 과정을 통해 점진적으로 이루어졌다고 설명했는데, 이는 매우 긴 지구의 역사를 필요로 했다. 톰슨은 지구가 생명체가 살 수 있었던 기간이 비교적 짧다고 보았고, 이는 다윈의 이론과 모순되는 경향이 있었다. 톰슨 자신은 광범위한 의미에서 창조론자였지만, 홍수 지질학자는 아니었다.[62] 그는 열역학 법칙에 따라 우주가 탄생하고 진화하여 결국 "열죽음"에 이를 것이라고 보았으며,[70] 신의 인도를 통해 진화가 가속화되었다는 유신론적 진화를 선호했다.[65] 그는 지질학자들이 주장하는 수십억 년의 지구 나이에 대해 공개적으로 반박하며 존 틴들, T. H. 헉슬리 등 다윈 지지자들과 논쟁을 벌였다.[66][67]
톰슨은 지속적으로 자신의 계산을 개선하여 지구 나이 추정치의 상한선을 낮추었고, 1897년에는 최종적으로 2천만 년에서 4천만 년 사이로 결론 내렸다.[70][71] 그는 지질학자들의 추정치를 "막연하게 광대한 나이"라고 비판했다.[72] 그의 전 조수였던 존 페리가 1895년에 지구 내부의 열전도율이 일정하지 않다는 점을 지적하며 훨씬 더 오래된 지구 나이를 제시했지만,[75] 즉각적인 반향은 적었다.
1903년 방사성 붕괴가 열을 방출한다는 사실이 발견되면서 톰슨의 추정치에 대한 근본적인 의문이 제기되었다. 1904년 어니스트 러더퍼드는 톰슨이 참석한 강연에서 방사능이 바로 톰슨이 알지 못했던 지구 내부의 열원이라고 주장했다.[67] 마침내 1907년 암석의 방사성 연대 측정법이 개발되면서 톰슨의 지구 나이 추정은 결정적으로 반증되었다.[67] 톰슨은 방사능의 중요성에 대한 내기에서 패배했음을 사적으로 인정했지만, 태양의 나이를 2천만 년 이하로 제한하는 계산(중력 붕괴 에너지 기반)이 더 강력한 증거라고 믿었기 때문에 공개적으로는 자신의 오류를 인정하지 않았다.[76] 태양 에너지의 진짜 근원인 핵융합이 1930년대에 밝혀지면서 켈빈의 나이 역설은 완전히 해결되었다.[76] 흥미롭게도 현대 우주론에서는 별의 초기 단계에서 중력 수축으로 빛을 내는 기간을 '켈빈-헬름홀츠 시간척도' 또는 '켈빈 시기'라고 부르며 그의 계산 자체는 정확했음을 인정한다.
3. 4. 대서양 횡단 케이블
1854년, 마이클 패러데이가 해저 케이블을 통한 전신 신호 지연 현상을 발표하자 톰슨은 이에 큰 관심을 보였다. 1855년 5월, 그는 왕립 협회에 "대서양 횡단 케이블의 신호 지연 시간은 길이의 제곱에 비례하여 증가한다"는 이른바 '제곱 법칙'을 보고했다. 이 보고는 곧 공개되었고, 같은 해 5월 왕립학회에서는 패러데이와 톰슨 등이 참여하여 대서양 횡단 케이블의 전기적 특성을 검토했다.
1856년 대서양 전신 회사가 설립되면서 톰슨은 이 회사의 대서양 횡단 케이블 부설 사업에 수학자로 채용되었다. 그러나 회사 경영진과의 의견 차이로 인해 곧 해고되었다. 그럼에도 불구하고 그는 무급 조언자로서 이 계획에 계속 참여했다.
1857년부터 1858년까지 진행된 대서양 횡단 해저 전신 케이블 부설 작업 동안, 톰슨은 무급 조언자 자격으로 케이블 부설선에 직접 승선하여 해저 케이블 부설 과정의 기술적인 부분을 지도했다. 또한, 그는 미약한 신호도 감지할 수 있는 고감도 거울검류계를 개발하여 1858년 마침내 대서양을 횡단하는 전신 수신에 성공하는 데 결정적인 역할을 했다.
1859년 12월, 영국 정부는 대서양 횡단 해저 케이블 사업의 초기 실패 원인을 규명하기 위해 조사위원회를 설립했고, 톰슨은 이 위원회의 위원으로 참여하여 케이블의 전기적 특성에 대한 심도 있는 연구를 수행했다. 이 시기 그의 연구와 기여 덕분에 전기의 기본 원리인 도체와 절연에 관한 기술이 크게 발전하고 확립될 수 있었다.
1866년 11월, 톰슨은 대서양 횡단 해저 전신 케이블 부설 성공에 기여한 공로를 인정받아 기사작위(Knight Bachelor)를 수여받았다.[123] 이후에도 그는 해저 케이블 관련 사업에 지속적으로 참여했다. 1869년에는 프랑스 대서양 해저 통신 케이블 부설에 참여했으며, 젠킨과 함께 웨스턴 및 브라질, 플라티노-브라질 케이블 사업의 기술자로 활동했다. 이 과정에서 당시 학생이었던 제임스 알프레드 잉의 도움을 받기도 했다. 1873년에는 브라질 해안 케이블 중 벨렝에서 페르남부쿠 구간을 부설하는 작업에 참여했다.
3. 5. 기타
1855년부터 1867년까지 톰슨은 피터 거스리 테이트와 함께 역학 연구의 기초를 다지는 교과서 ''자연 철학 논고''를 공동 집필했다. 이 교과서는 먼저 운동학, 즉 힘과 무관하게 운동을 묘사하는 수학에 기반을 두었다. 이 책은 다양한 분야에서 고전 역학을 발전시켰지만, 에너지라는 통일 원리에 지속적으로 주목했다. 두 번째 판은 1879년에 출판되었으며, 두 개의 별도로 제본된 부분으로 확장되었다. 이 교과서는 수리물리학 초급 교육의 표준을 세웠다.
톰슨은 열성적인 요트 애호가였으며, 바다와 관련된 모든 것에 대한 그의 관심은 아마도 ''아가멤논'' 호와 대동양 호에서의 경험에서 비롯되었거나, 그 경험에 의해 길러졌을 것이다. 톰슨은 강철 피아노선이 일반적인 손 줄을 대체하는 새로운 심해 수심 측정 방법을 도입했다. 이 와이어는 배가 전속력으로 항해하는 동안에도 "비행 측심"을 할 수 있을 정도로 바닥까지 쉽게 미끄러졌다. 톰슨은 추의 깊이를 기록하기 위해 압력계를 추가했다.[57] 거의 같은 시기에 그는 배의 위치를 찾는 섬너 방법을 부활시켜 이를 쉽게 적용할 수 있도록 일련의 표를 계산했다.
1880년대 동안 톰슨은 해군 건축에서 철의 사용이 증가함에 따라 발생하는 자기 편차로 인한 오차를 수정하기 위해 조절 가능한 나침반을 개선하기 위해 노력했다. 톰슨의 설계는 이전의 기기보다 훨씬 개선되었으며, 더욱 안정적이고 마찰에 덜 방해를 받았다. 선박의 자기에 의해 발생하는 편차는 선박 나침반통에 있는 움직이는 철 덩어리로 수정되었다. 톰슨의 혁신은 조지 비델 에어리 등에 의해 확인된 원리를 개발하기 위한 많은 세부 작업을 포함했지만, 새로운 물리적 사고 측면에서는 거의 기여하지 않았다. 톰슨의 활발한 로비 활동과 인맥 구축은 그의 기기가 영국 해군성에 의해 받아들여지도록 하는 데 효과적이었다.
톰슨의 나침반 혁신에 대한 평가는 엇갈린다. 그의 과학적 전기 작가들은 그의 나침반 혁신에 조금이라도 주의를 기울였다면, 일반적으로 이 문제를 뛰어난 과학적 두뇌로부터의 훌륭한 혁신을 저항하는 어리석은 해군 행정관의 슬픈 이야기로 여겼다. 반면에, 해군에 우호적인 작가들은 톰슨을 의심할 여지 없는 재능과 열정을 가진 사람으로 묘사했으며, 바다에 대한 진정한 지식을 가지고 있었고, 나침반 설계에 대한 몇 가지 작은 아이디어를 자신의 제조 회사에 대한 상업적 독점으로 전환하는 데 성공했으며, 법정에서 자신의 명성을 휘둘러 다른 사람들의 작은 독창성 주장조차 꺾고, 해군성과 법원에 자신의 설계 결함과 경쟁자의 장점을 간과하도록 설득했다. 진실은 불가피하게 두 극단 사이 어딘가에 있는 것으로 보인다.[58]
찰스 배비지는 등대가 빛의 엄폐를 통해 독특한 숫자를 신호하도록 제안한 최초의 인물 중 하나였지만, 톰슨은 이 목적을 위해 모스 부호의 장점을 지적하고, 신호가 점과 대시를 나타내기 위해 빛의 짧고 긴 점멸로 구성되어야 한다고 주장했다.
4. 틀렸음이 입증된 발언들
톰슨은 당대의 저명한 과학자였음에도 불구하고, 여러 예측과 주장들이 나중에 틀렸음이 입증되었다.
- X선: 1895년 말 뢴트겐의 X선 발견이 발표되었을 때, 톰슨은 이를 사기라고 생각하며 회의적인 태도를 보였다. 그러나 뢴트겐이 직접 보낸 논문과 사진을 본 후에는 자신의 생각을 바꾸어 뢴트겐에게 축하 편지를 보냈다.[96] 1896년 5월에는 직접 자신의 손을 X선으로 촬영하기도 했다.[97] 하지만 다른 기록에 따르면 "X선은 곧 장난으로 밝혀질 것이다"라고 말했다는 내용도 있다.[121]
- 실용적 항공: 톰슨은 공기보다 무거운 항공기가 실용적으로 성공할 가능성에 대해 부정적이었다. 1896년 항공학회 가입 초대를 거절하며 "기구나 우리가 듣는 어떤 실험에서 좋은 결과를 얻을 수 있다는 기대 외에는 항공 항해에 대한 최소한의 믿음도 가지고 있지 않다"라고 밝혔다.[98] 1902년 한 신문 인터뷰에서는 "어떤 기구도, 어떤 비행기도 실용적으로 성공하지 못할 것이다"라고 예측했다.[99] 라이트 형제가 비행에 성공하기 불과 몇 년 전의 일이었다.[121]
- 지구의 산소 고갈: 1898년 톰슨은 연소성 물질의 연소 속도를 근거로 지구의 산소 공급량이 400~500년밖에 남지 않았다고 예측했다.[104][105] 그는 현재 남아있는 산소량을 약 10억 톤으로 추정하고, 석탄 연소로 인한 산소 소모량을 계산하여 "지금의 속도라면 500년 후에 인류가 산소 부족으로 멸망할 것"이라고 주장했다.[124] 그러나 이 계산은 광합성만을 산소의 유일한 공급원으로 가정하고, 산소의 순환 전체 과정을 고려하지 않은 오류가 있었다. 그는 해양 시아노박테리아와 같은 중요한 산소 공급원을 알지 못했다.
- 기타 과학적 오류: 톰슨은 원자의 존재를 부정했으며,[121] 다윈의 이론으로 대표되는 진화론에도 동의하지 않았다.[65] 또한, 지구의 나이를 실제보다 훨씬 짧게 계산했고(2천만~4천만 년으로 추정[70][71]), 러더퍼드가 밝혀낸 방사성 현상이나 맥스웰의 전자기 현상에 대해서도 부정적인 입장을 취하는 등[3] 과학적 오류가 적지 않았다.
- 전파: 그는 "전파에는 미래가 없다"고 발언한 것으로 기록되어 있다.[121]
- 잘못 귀속된 인용: "물리학에서 이제 발견할 새로운 것은 없다. 남은 것은 점점 더 정확한 측정뿐이다."라는 말은 1980년대 이후 톰슨의 발언으로 널리 잘못 알려졌으나,[100] 그가 이런 말을 했다는 증거는 없다.[101][102] 이 인용구는 1894년 앨버트 A. 마이컬슨이 다른 물리학자의 말을 인용한 것을 잘못 옮긴 것으로 추정된다.[102] 오히려 톰슨은 1900년 "열과 빛의 역학 이론에 대한 19세기의 먹구름" 강연에서 상대성 이론과 양자 역학의 단초가 될 문제들을 지적하며 물리학의 새로운 발전을 예견했다.[94][95]
5. 수상과 명예
| 연도 | 수상 및 명예 |
|---|---|
| 1847 | 에든버러 왕립학회 회원으로 선출됨 |
| 1851 | 스웨덴 왕립 과학 아카데미 외국인 회원으로 선출됨 |
| 1851 | 왕립학회 회원으로 선출됨[118] |
| 1856 | 왕립학회 로열 메달 및 베이커리언 메달 수상 |
| 1858 | 로열칼리지오브프리셉터스(교사 칼리지) 명예 회원 |
| 1859 | 스코틀랜드 기술자 및 조선업자 협회 명예 회원 |
| 1864 | 에든버러 왕립학회 키스 메달 수상 |
| 1866 | 기사작위(Knight Bachelor) 서임 |
| 1873 | 에든버러 왕립학회 회장 취임 (1873~1878, 1886~1890, 1895~1907) |
| 1873 | 브라질 제국 장미 훈장 사령관 수훈 |
| 1876 | 마테우치 메달 수상 |
| 1879 | 앨버트 메달 수상 |
| 1881 | 프랑스 레지옹 도뇌르 훈장 코망되르(Commandeur) 수훈 |
| 1883 | 왕립학회 코플리 메달 수상 |
| 1884 | 프로이센 푸르 르 메리트 훈장 기사 수훈 |
| 1887 | 에든버러 왕립학회 거닝 빅토리아 주빌리 상 수상 |
| 1889 | 프랑스 레지옹 도뇌르 훈장 그랑도피시에(Grand Officier) 수훈 |
| 1890 | 왕립학회 회장 취임 (1890~1895) |
| 1890 | 벨기에 레오폴드 훈장 커맨더(Commandeur) 수훈 |
| 1892 | 초대 켈빈 남작(Baron Kelvin)으로 승작 (에어셔 라그스의 켈빈 남작). 이 칭호는 글래스고 대학교 부지를 흐르는 켈빈 강에서 유래했으며, 상속자 없이 사망하여 작위는 소멸됨. |
| 1892 | 헬름홀츠 메달 수상 |
| 1896 | 로열 빅토리아 훈장 1등급(Knight Grand Cross, GCVO) 수훈 |
| 1901 | 일본 제국 서보장 1등급 수훈 |
| 1902 | 메리트 훈장(Order of Merit, OM) 수훈 (최초 수훈자 12명 중 한 명) |
| 1902 | 영국 추밀원 위원으로 임명됨 |
| 1902 | 예일 대학교 명예 법학 박사(LL.D.) 학위 수여 |
| 1902 | 오슬로 대학교 명예 수학 박사 학위 수여 (닐스 헨리크 아벨 탄생 100주년 기념) |
| 1905 | 존 프리츠 메달 수상 (최초의 국제 수상자) |
- 1971년 클라이데스데일 은행에서 발행한 20파운드 지폐에 그의 모습이 담겼으며, 현재는 100파운드 지폐에 조정 컴퍼스를 들고 있는 모습으로 등장한다. 지폐 배경에는 대서양 횡단 전신 케이블 지도가 그려져 있다.
- 미국 애리조나주의 켈빈(Kelvin) 마을은 그가 투자했던 지역 광산 개발을 기념하여 그의 이름을 따서 명명되었다.
- 2011년 스코틀랜드 공학 명예의 전당에 헌액되었다.
- 세계 냉동의 날(6월 26일)은 그의 생일을 기념하여 제정되었으며, 2019년부터 매년 기념 행사가 열리고 있다.
- 1907년 사망 후 런던 웨스트민스터 사원에 안장되었으며, 그의 묘는 아이작 뉴턴의 묘 옆에 위치한다.
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