熱力學之父: 凱爾文

有人說， 上帝要給人類科學， 於是“牛頓”上了曆史的舞台；上帝要給人類工程，於是來了“凱爾文”，從此產生了電機工程與機械工程。

在蘇格蘭的西南部，有一個美麗的地方，當地人稱它是格拉斯哥，翻譯出來就是“綠色的山穀”。整片山穀鋪滿了如茵的綠草，綠地的沿伸直到克萊河河口，再往前就是大西洋了。古代冰河的侵蝕，在克萊河切下深峻的河床，使得大型的輪船可以溯岸三十多公裏遠。這裏自古以來就是天然良港，人文經濟薈萃之處，在公元一四五一年就成立了一所著名的格拉斯哥大學，幾百年來默默擔負著蘇格蘭文化與科技的傳承。尤其這裏出了位大科學家凱爾文，他自傳統的物理化學中，延伸出了工程的科係，他的成就奠定了工程，成為二十世紀科技發展的主流。

凱爾文生於一八二四年六月二十六日貝爾法斯特城。他父親本來要當牧師，但是在凱爾文六歲的時候母親就過世了，傷心的父親帶著六個小孩離開家鄉，到格拉斯哥擔任數學係數授。排行老四的凱爾文，從小就感受到沒有母親的孤獨與他父親的悲傷。孤獨與悲傷就成了這個孩子一生的特質。

 

天才看天才

凱爾文從小就顯出不凡的數學天分。他是那種不需要花很多時間念書，就可以念第一名的學生。至於他讀書的秘訣，凱爾文後來寫下：“念科學方麵的書最主要的關鍵，是把基本的原理明了清楚，有條有序地思考，就能消化科學冗長的數學理論推導。”他又說：“科學是一門細心的學問，在於培養學生精細分析的能力，並且以這種分析為工具，在許多與大自然相關的事情，奏出發現原理的勝利凱歌。”

凱爾文一進學校，就把學校裏的課程加以分類，並且按難易程度排成修課的進階次序，在當新生的第一個月，就把大學的教導內容弄清楚

在父親的鼓勵下，凱爾文十歲就自修微積分，並且以數學資優學生資格進入格拉斯哥大學。在湯姆森教授的指導下，攻讀熱、電、磁、光學，湯姆森教授對這位年僅十歲的大學生深感興趣，不僅是他在任何數學課程上名列前茅，而且，湯姆森在學校的記錄簿上寫下：“我很驚訝地發現，凱爾文上課所做的筆記，幾乎跟我自己的講稿一樣好。”

凱爾文十三歲讀完法國大數學家傅立葉的熱傳導數學，從此開始把物理與數學結合在一起。十五歲時，他發表“有關地球密度的探討”，獲得大學獨立研究比賽的首獎。這是他一生發表六百多篇研究報告的第一篇。在頒獎典禮上，許多學生與家長都來看這個天才學生，凱爾文在講台上隻說了短短幾句感謝詞就下台，然後迅速消失在驚愕的人群中。

凱爾文不隻那天在講台上說得少，平常話就很少，天生的憂鬱，使他的父親與老師，都擔心這個早熟的學生是介於天才與瘋子之間，活在自己高築城牆的城堡內。

十六歲時他讀尼古拉教授寫的《太陽係的次序與現象》一書，書中寫到天文學大師開普勒的生平，“這位德國的科學家，從小就以天才著稱，但是憤世嫉俗，處處與人格格不……他後來發現問題的關鍵在於，他內心深處在尋找必須的永恒，於是不看地上的人事物，轉而研究天上星辰的運動，宣告上帝的作為在那裏!”這個短短的見證把凱爾文引向信仰之路。

物理之內有藍天

凱爾文十七歲到劍橋大學專攻高等數學。二十歲以最優異的成績畢業，而後到巴黎大學學習物理實驗。二十二歲不到已集物理、數學、化學、實驗設計之大成於一身。劍橋大學重金禮聘他回去任教，他沒有接受，卻回到母校格拉斯哥大學擔任首席的物理教授。

凱爾文認為所有看得見的物理與化學現象，其實背後有一個看不見的共通原則在引導著，這就是“能量”，隻要能夠了解能量的改變，物理與化學不明白的地方就成為“藍天一片”般的清楚。曆史上後來稱凱爾文是“熱力學之父”。因著他的看見，今天理工科的學生，無論是念電機、化工、土木、機械、電子，盡管科係名稱不同，但是打開課本，最基本的地方都是從能量的變化開始講起。

凱爾文的日記裏，每天都寫下一句他當天所背下的聖經經句。在他發表的研究報告裏，也經常提到信仰。例如：

當他發表熱力學第二定律時，他就提到聖經裏的詩篇第一O二篇26節：“天地都要如外衣，漸漸舊了，”表示能量的反應進行使得有效能量逐漸地減少。當他在二十八歲時，發表熱動力理論時，他在研究報告上寫道：“上帝在這個時代還行神跡嗎?是的!科學的知識是來自上帝的作為，放在我們的心中，使我們能夠了解。過去，它把異象放在先知的夢中，現今它把知識放在人的心中，使人能夠建立理論去說明這個世界的真實。人有理解的心智，是上帝所創造。”

在發表潛熱的演講上，他說道：“如果沒有水的潛熱現象，人類將立刻麵對世界滅亡的浩劫。因為兩極的冰山將立刻溶化，大水將淹沒全地。我越了解水的特性，越知道這是出於上帝的慈愛與恩典。”

凱爾文的三個辯論變化球

凱爾文將他的信仰表白都放在研究報告裏，公開場合裏他還是很少說話。他對信仰的堅持引來許多進化論學者的反對，甚至有人召開大會與他辯論。在辯論會上，進化論者挾著襲卷整個生物科學界的氣焰，炮火凶猛地攻擊。凱爾文靜靜地坐在台上，靜靜地聽，然後投出第一個問題：“進化論是一個學說呢？還是一個不變的定律？”

凱爾文不愧是一代天才。這個問題立刻壓製了對方的氣焰。因為進化論如果是一個真理，為什麽進化論裏有那麽多的假設；如果說隻不過是一種未定的學說，為什麽支持進化論者像支持真理似的不容別人質疑？

凱爾文看得更遠，他知道進化論的缺點在哪裏，他說：“進化論假設整個生物的進化與年代，都在與今天相同的環境裏產生，這種臆測，違反了熱力學的定律。”

凱爾文繼續投出第二個問題：“進化論能夠回答生命是怎麽產生的嗎？”

這個問題不僅讓會眾安靜，也讓與他爭辯的進化論大將赫胥黎為之語塞。

凱爾文說：“我們都知道地球的地質年代上有一段漫長的年代是沒有生命的，而後突然有生命產生。沒有任何力量可以產生生命：無論是機械性的動力，是化學的變化，是電子的傳遞，是礦物的結晶，是原子的力量，都無法使生命從無變有。當你認真地麵對這個問題，你必須承認這是科學跨不過的門檻。這是上帝的奧秘……我並不反對生命在產生以後，因著某些環境的改變，生物會有一些進化的現象，但是最基本的真理仍不改變——是上帝創造了生命，並且有智慧地掌管一切。”

“因此，”他投出第三個問題：“人有道德、有愛、有對於永生不朽的渴慕。如果人隻是無意義的，偶然地進化產物，怎麽會問這些有意義的問題？”凱爾文用五分鍾結束了辯論。他沒有反對進化論，而是說明了，即使有進化論，上帝仍是進化論的主。凱爾文說：“人類承認自己所知的有限，是科學最關鍵的原理。”

今天進化論已經襲卷整個知識界，並且掌控社會學、人類學、經濟學、心理學……的思想主軸。但是進化論違背凱爾文所提的“熱力學定律”，在追求精確的科學裏，進化仍是被質疑的“論”(theory)，不是顛簸不破的“律”(Law)。至今我們仍稱之為“進化論”而非“進化律”。

黑夜的愛情

凱爾文在大學任教時，與他的青梅竹馬瑪格麗特結婚。瑪格麗特是凱爾文的表妹，從小就認識凱爾文，深知他的為人。這位大科學家天性孤獨，加上長期浸淫在數學與物理的思考中，使他的生活嚴謹刻苦，別無嗜好，了無情趣。瑪格麗特卻衷心欣賞他的執著與真實。凱爾文深夜思索解題時，瑪格麗特就靜靜地陪伴一旁，她不懂什麽熱力學的絕對低溫，但她知道先生愛她的熱度絕對在-273oC以上。

瑪格麗特後來經常生病，凱爾文陪她多次遠渡大西洋，到德國、法國尋訪良醫。一八六六年大西洋電報公司請問他能否傳遞電子信號經過海洋，凱爾文也想迅速知道歐洲那邊醫師對他妻子的診斷，於是擔任第一位海底電纜工程師，在大西洋海底鋪設了長達四千八百公裏的銅絲電纜，並且設計了第一部電子檢流器，檢測傳來的電子信號，開拓了環球電子通訊的首頁。英國皇室因他這項傑出成就，封他為爵士，在一八九O年至一八九五年問，他還擔任英國皇家協會會長。

一九O七年，長年纏綿病榻的瑪格麗特死於中風。傷心欲絕的凱爾文隨之在同年十二月十七日逝世。他一生堅信人所看到的物理、化學、生物的現象，都是由看不見的原理所引導的，這是來自上帝的永恒智慧與掌管的權能，正如聖經所記：“原來我們不是顧念所見的，乃是顧念所不見的：因為所見的是暫時的，所不見的是永遠的。”(《聖經.哥林多後書》4章18節)