“是什么让你对天体物理学产生兴趣的?”这是我在外联活动中经常被问到的问题，我的回答是，我早期对探索宇宙最大问题的热情。好吧，还有我在易受影响的年龄观看《星球大战》的经历。

对基本原理的痴迷是许多新晋科学家的必经之路。学习广义相对论(描述宇宙的大尺度)和量子物理学(原子和粒子的微观世界)等令人难以置信的领域，可以成为激发年轻人思维的有效方法。

然而，对许多其他人来说，通往物理学的道路(如)是由良好的意愿铺就的。驱动他们热情的不是宇宙的深奥秘密，而是应用最新科学来解决社会问题和全球挑战——从健康不平等到气候紧急情况。这两种动机都是合理的，甚至是必不可少的，有助于在“蓝天”研究和创新之间形成良性循环。

然而，这种研究和创新的双轨制——当今全球研究理事会和资助机构的核心使命——并不像看上去那么现代。今年是威廉·汤姆森(又名开尔文勋爵)诞辰200周年，他可以说是19世纪乃至更久远最具影响力的科学家。他是将基础发现与社会和商业影响相结合的大师。

物理学的基石

汤姆森曾担任格拉斯哥大学自然哲学教授53年，为物理学、数学和工程学做出了革命性的贡献，至今仍产生着影响。

他最为人所知的可能是他在能量和热力学定律方面的研究，热力学是一门关于热和功的科学，常被誉为最牢不可破的自然定律。据报道，英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿在20世纪20年代宣称，热力学在“自然定律中占据至高无上的地位”，并补充道：“如果你的理论被发现违反了热力学第二定律，那我就不给你希望了;它只能在最屈辱中崩溃。”

热力学在现代物理学中仍然发挥着核心作用，支撑着信息科学、量子力学、宇宙学甚至生命和意识理论的研究。事实上，它与广义相对论和量子力学一样，是现代物理学的基石。任何最终的“万物理论”都需要符合热力学定律。

汤姆森最著名的发现或许是温标上的绝对零度概念，该概念被命名为开尔文，以纪念他在1892年获得的头衔。但当我们超越热力学研究时，他的成就不仅因其广度而引人注目，还因其多样性而引人注目。这些成就既包括解决当今最大研究问题的理论突破，也包括推动工业和商业创新的实用发明。

凯尔文的主要特质

汤姆森为何如此成功?我认为，他的研究和发现方法有三个关键方面，使他成为一位经久不衰的科学家。

首先，他拥有卓越的数学才能。这与他对数学解释自然世界的力量的深刻理解相结合——在他的整个职业生涯中，他都大量借鉴了这种力量。汤姆森的一句深刻名言体现了这一点：“数学在描述宇宙方面做得如此出色，这是我们无法理解的一个谜，也是我们可能永远无法偿还的一笔债务。”

但汤姆森不仅仅是一位杰出的数学家。他还明白，精确的测量和量化是科学进步的必要工具——我们在他1889年出版的《大众演讲和演说》一书中看到了这一思想。他写道：“当你能测量你所说的内容并用数字表达时，你就对它有所了解。”

汤姆森一生致力于发明精巧的科学仪器，这为他赢得了70项专利，实现了数十项科学突破，并使他成为一名非常成功的企业家。

第三，汤姆森具有出色的“跳出思维定势”的能力，能够以全新的方式看待问题。在我看来，汤姆森铺设第一条跨大西洋电报电缆就是这种远见卓识的最好例证。这是一项巨大的技术挑战，被称为19世纪的“阿波罗计划”。

它彻底改变了维多利亚时代的世界，就像互联网和移动通信彻底改变了我们一样。

在19世纪50年代的尝试失败之后，汤姆森的天才之举对1865年首次成功铺设电缆起到了至关重要的作用。汤姆森对热传递和电传输之间相似性的理解使他能够模拟电脉冲在海底电缆中传输时如何发生扭曲。

但汤姆森的实验突破也至关重要。他没有使用更强的信号，而需要更重更贵的电缆，而是发明了可以精确测量以摩尔斯电码传输的极弱电信号的仪器。这些仪器被称为镜面电流计，后来又被称为虹吸记录仪。这些仪器基本上是现代喷墨打印机的前身。

这些发明改变了游戏规则，并最终彻底改变了全球通信。正如我已故的同事戴维·萨克森(DavidSaxon)在2007年所写的那样，“跨大西洋光缆使世界比以往或之后的任何东西都缩小了。”

凭借所有这些成就，汤姆森于1866年首次被授予爵士称号，随后又于1892年被授予开尔文勋爵称号，成为第一位获此殊荣的科学家。汤姆森巧妙地将超精密技术与尖端理论相结合，探测到了极其微弱的信号，这与我们的LIGO激光干涉仪(有史以来最灵敏的科学仪器)的故事产生了强烈共鸣。正是这种结合使得2015年诺贝尔奖得主发现了时空中的涟漪，即引力波。

黑洞和引力波的科学和技术完全属于爱因斯坦物理学的后开尔文领域。但我相信，该领域及其促成的变革性量子技术从威廉·汤姆森的先驱榜样中汲取了灵感，他将基础研究与创新结合起来，改变了世界。