William Thomson (Lord Kelvin)

physicien britannique
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William Thomson, mieux connu sous le nom de Lord Kelvin (Belfast, - Largs, ), premier baron Kelvin, est un physicien britannique d'origine irlandaise reconnu pour ses travaux en thermodynamique.

William Thomson
Lord Kelvin
Fonctions
Membre du Conseil privé du Royaume-Uni
à partir de
Membre de la Chambre des lords
-
Président de la Royal Society
-
Titres de noblesse
Baron Kelvin (d)
-
Baron
Biographie
Naissance
Décès
(à 83 ans)
LargsVoir et modifier les données sur Wikidata
Sépulture
Pseudonyme
Lord KelvinVoir et modifier les données sur Wikidata
Nationalité
Domicile
Formation
Université de Glasgow
Université de Cambridge
Peterhouse
Royal Belfast Academical Institution (en)Voir et modifier les données sur Wikidata
Activités
Père
James Thomson (en)Voir et modifier les données sur Wikidata
Mère
Margaret Gardiner (d)Voir et modifier les données sur Wikidata
Fratrie
Elizabeth King (d)Voir et modifier les données sur Wikidata
Conjoints
Margaret Crum (d) (de à )
Frances Anna Blandy (d) (de à )Voir et modifier les données sur Wikidata
Autres informations
A travaillé pour
Partis politiques
Membre de
Maître
Directeur de thèse
Distinctions
Blason
Œuvres principales
signature de William Thomson
Signature

Lord Kelvin, s'inspirant sans doute des écrits de Guillaume Amontons introduisant en 1702 la notion d'un « zéro absolu », définit cette dernière comme correspondant à l'absence absolue d'agitation thermique et de pression d'un gaz, dont il avait remarqué les variations liées selon un rapport linéaire. Il a laissé son nom à l'échelle de température, dite absolue, ou température « thermodynamique », mesurée en kelvins.

Son titre de Lord Kelvin fait référence à la rivière du même nom, qui coule à proximité de son laboratoire à l'université de Glasgow.

Travaux et recherches

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Deuxième principe de la thermodynamique

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Statue de Lord Kelvin, au Jardin botanique de Belfast, en Irlande du Nord.

Le deuxième principe de la thermodynamique, énoncé pour la première fois par Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824, possède un énoncé historique, dit de Thomson :

« Soit un cycle monotherme. Il ne peut être moteur. »

Cela interdisait l'hypothèse des moteurs perpétuels de deuxième espèce, dont l'image classique présentée aux étudiants est la suivante : la mer à 15 °C est un réservoir potentiel d'énergie fantastique, si on pouvait en tirer un travail : un navire avancerait ainsi, laissant derrière lui un sillage d'eau plus froide. Mais cela est interdit en vertu de ce deuxième principe.

Électricité

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Ces mêmes études lui permirent d'étudier la conduction électrique des câbles sous-marins : il est promoteur de la grande construction du premier câble transatlantique. En revanche, il se heurta aux études de Maxwell sur l'éther : il se refusait à l'idée d'une propagation « transverse », sans propagation « longitudinale », dans ce milieu. Son étude de l'influence de la température sur la conduction électrique lui permit également de découvrir l'effet Thomson, ainsi que la relation entre l'effet Peltier et l'effet Seebeck, à la base de la thermoélectricité.

Il est également l'inventeur d'un mécanisme simple et bon marché de production d'électricité statique par influence, nommé le replenisher[1].

Hypothèse de l'atome vortex

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Entre 1870 et 1890, la théorie de l’atome vortex, qui prétendait qu’un atome était un vortex dans l’éther, fut populaire parmi les physiciens et les mathématiciens britanniques. Thomson a été le pionnier de cette théorie, qui se distinguait de la théorie des vortex du XVIIe siècle de René Descartes car Thomson pensait en termes de théorie du continuum unitaire, tandis que Descartes pensait en termes de trois types de matière différents, chacun se rapportant respectivement à l’émission, à la transmission et à la réflexion de la lumière[2]. Près de 60 articles scientifiques ont été rédigés par environ 25 scientifiques. Les hypothèses de l'éther et de l'atome vortex ont été abandonnées au début du XXe siècle, mais suivant l’exemple de Thomson et Tait[3], la branche de la topologie appelée théorie des nœuds, qui est toujours très active, a été développée en lien avec ces hypothèses[4].

Mécanique

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Calculateur mécanique de 1878.

On retrouve sa trace dans nombre de théorèmes dits de Thomson, où le théorème de Stokes intervient. Ses mémoires contribueront beaucoup à l'épuration de la théorie des vortex, dont sortira, comme un joyau, l'analyse vectorielle de Gibbs (1839-1903) : les vecteurs sont si familiers de nos jours que cela est un peu occulté.

Atomiste, il eut une vision originale de la théorie des atomes à base de nœuds, vortex et quaternions, théorie remarquable, mais sans issue.

Il a aussi construit un des premiers calculateurs analogiques, un prédicteur de marées mécanique appliquant les principes de l'analyse harmonique[5].

Âge de la Terre

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Parmi les travaux de Thomson ayant suscité le plus de controverses figurent ceux qu'il a consacrés à l'étude de l'âge de la Terre et du Soleil.

En 1862, il publie une théorie et des calculs relatifs à l'âge du Soleil et à celui la Terre qui l'amènent à estimer que l'âge du Soleil est de 100 à 400 millions d'années[N 1], celui de la Terre lui étant inférieur. Il revoit ensuite à la baisse l'estimation de l'âge de la Terre en la ramenant à quelques dizaines de millions d'années. Même si ces résultats sont très supérieurs aux estimations basées sur les textes bibliques[N 2], ils sont très inférieurs à ceux suggérés par les travaux du géologue Charles Lyell (1797-1875), fondateur des « couches géologiques », qui considère que la Terre a été façonnée sur une très longue période de temps par des forces toujours existantes. Ils sont également très inférieurs à ceux que Charles Darwin envisage, en 1859, dans sa théorie de l'évolution des espèces. Thomson publie en 1868 un nouvel article sur le sujet, dans lequel il met ouvertement en cause les méthodes et résultats des géologues, ce qui déclenche une polémique qui s'étendra sur plusieurs décennies, polémique nourrie notamment par les personnalités, scientifiques ou non, critiquant les théories de Darwin[6].

Il est aujourd'hui établi que l'âge de la Terre est de l'ordre de 4,5 milliards d'années[7]. Les calculs de Kelvin étaient mathématiquement exacts, mais fondés sur plusieurs hypothèses erronées, notamment quant au mécanisme de refroidissement de la Terre, qui est plus par convection interne que par diffusion externe, et à la composition du globe terrestre. C'est un de ses anciens élèves, John Perry, qui relèvera ces erreurs à partir de 1895[8], et démontrera, sans convaincre Thomson, que leur correction rend possible un âge de la Terre de l'ordre du milliard d'années[N 3].

Distinctions

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Il a été distingué pour être titulaire des décorations ou prix scientifiques, ou membre des conseils ou sociétés savantes qui suivent :

L'astéroïde (8003) Kelvin a été nommé en son honneur.

Notes et références

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  1. Lors de son calcul initial de l'âge du Soleil, Kelvin émet l'hypothèse de l'existence possible d'une « source (d'énergie) inconnue à ce jour » qui infirmerait ses calculs, ce qui fait dire à certains historiens que Thomson aurait prédit la radioactivité. Dans ses écrits ultérieurs, Thomson ne reprendra pas ces précautions méthodologiques.
  2. Les estimations fondées sur des textes religieux donnaient, à cette époque, un âge de la Terre de quelques milliers d'années.
  3. En outre Kelvin n'avait pas pu intégrer dans ses calculs les effets de la désintégration radioactive, alors totalement inconnue : ce n'est qu'au début du XXe siècle que les découvertes d'Henri Becquerel puis celles d'Ernest Rutherford la mettront en évidence, ouvrant la voie à son utilisation pour la datation de la matière, et à une explication plus précise du fonctionnement et de l'âge du Soleil. Cette erreur, bien compréhensible, n'avait pas d'influence notable sur le calcul direct de l'âge de la Terre, erroné pour d'autres raisons. En revanche, elle avait une influence directe sur le calcul de celui du Soleil, estimé par Thomson à moins de 400 millions d'années. Et comme la Terre ne pouvait être plus âgée que le Soleil, son âge ne pouvait excéder cette estimation.

Références

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  1. Schéma de principe du replenisher.
  2. (en) Helge Kragh, « The Vortex Atom: A Victorian Theory of Everything », Centaurus, vol. 44, nos 1–2,‎ , p. 32–114 (DOI 10.1034/j.1600-0498.2002.440102.x, lire en ligne, consulté le )
  3. (en) Wm. Thomson, « On Vortex Atoms », Proceedings of the Royal Society of Edinburgh, vol. 6,‎ , p. 94–105 (DOI 10.1017/S0370164600045430, lire en ligne)
  4. (en) Silliman, Robert H., « William Thomson: Smoke Rings and Nineteenth-Century Atomism », Isis, vol. 54, no 4,‎ , p. 461–474 (DOI 10.1086/349764, JSTOR 228151, S2CID 144988108)
  5. Franck Greenaway, « William Thomson, lord Kelvin », sur Encyclopædia Universalis.
  6. Jean-Michel Yvard, « Géologie, théologie et inquiétudes eschatologiques : William Thomson (Lord Kelvin) et les débats suscités par la thermodynamique à l’époque victorienne », Cahiers victoriens et édouardiens, no 71 Printemps,‎ , p. 237–252 (ISSN 0220-5610, DOI 10.4000/cve.2860, lire en ligne, consulté le )
  7. (en) « Geologic Time: Age of the Earth », sur pubs.usgs.gov (consulté le )
  8. (en) Philip England, Peter Molnar et Frank Richter, « John Perry’s neglected critique of Kelvin’s age for the Earth: A missed opportunity in geodynamics » [PDF], sur https://faculty.washington.edu/, (consulté le )
  9. (en) « Whitehall, February 23, 1892 », The London Gazette, no 26260,‎ , p. 991, col. 1 (lire en ligne).

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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