ויליאם תומסון, ברון קלווין הראשון
ויליאם תומסון, ברון קלווין הראשון (26 ביוני 1824 – 17 בדצמבר 1907) היה מתמטיקאי, פיזיקאי מתמטי ומהנדס סקוטי.
הוא נולד בבלפסט והיה פרופסור לפילוסופיה של הטבע באוניברסיטת גלאזגו במשך 53 שנים. שם ערך מחקר משמעותי על ניתוח מתמטי של חשמל והיה שותף מרכזי בגיבוש החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה. הוא תרם תרומה משמעותית לאיחוד הפיזיקה, שהייתה אז בתחילת דרכה כדיסציפלינה אקדמית מתפתחת. הוא קיבל את מדליית קופלי מהחברה המלכותית בשנת 1883 וכיהן כנשיאה בין השנים 1890 ל-1895. בשנת 1892 הפך למדען הראשון שקיבל תואר אצולה בבית הלורדים.
טמפרטורות מוחלטות נמדדות ביחידות קלווין לכבודו של הלורד קלווין. בעוד שקיומה של הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית, האפס המוחלט, היה ידוע עוד לפני עבודתו, קלווין קבע את ערכו המדויק ככ-273.15- מעלות צלזיוס או 459.67- מעלות פרנהייט. אפקט ג'ול-תומסון קרוי גם הוא על שמו.
קלווין עבד בשיתוף פעולה הדוק עם פרופסור המתמטיקה יו בלקבורן (Hugh Blackburn). הייתה לו גם קריירה כמהנדס טלגרף חשמלי וממציא, מה שהביא אותו לתודעה הציבורית והקנה לו עושר, תהילה ותארים. על עבודתו בפרויקט הטלגרף הטרנס-אטלנטי, הוענק לו תואר אבירות ב-1866 על ידי המלכה ויקטוריה, והוא הפך לסר ויליאם תומסון. היו לו תחומי עניין ימיים נרחבים והוא פעל לשיפור המצפן הימי, שסבל קודם לכן ממוגבלות באמינותו.
קלווין קיבל תואר אצולה בשנת 1892 כהוקרה על הישגיו בתרמודינמיקה ועל התנגדותו לממשל עצמי אירי, והפך לברון קלווין, מלרגס (Largs) שבמחוז איר (Ayr). התואר מתייחס לנהר קלווין, הזורם ליד מעבדתו באוניברסיטת גלאזגו בגיلمורהיל (Gilmorehill) שבהילהד (Hillhead). למרות הצעות לתפקידים בכירים ממספר אוניברסיטאות בעלות שם עולמי, קלווין סירב לעזוב את גלאזגו, ונשאר בה עד פרישתו מתפקידו בשנת 1899. כפעיל במחקר ופיתוח תעשייתי, הוא גויס בסביבות 1899 על ידי ג'ורג' איסטמן לכהן כסגן יו"ר הדירקטוריון של החברה הבריטית קודאק בע"מ (Kodak Limited), המסונפת לאיסטמן קודאק. בשנת 1904 הפך לקנצלר אוניברסיטת גלאזגו.
קלווין התגורר בנתרהול (Netherhall), אחוזה בלרגס שבנה בשנות ה-70 של המאה ה-19 ושם הלך לעולמו בשנת 1907. מוזיאון הנטריאן (Hunterian Museum) באוניברסיטת גלאזגו מציג תערוכה קבועה על עבודתו של קלווין, הכוללת רבים מכתביו המקוריים, מכשירים וחפצים אחרים, כולל מקטרת העישון שלו.
חיים מוקדמים ועבודה
### משפחה
ויליאם תומסון נולד ב-26 ביוני 1824 בבלפסט. אביו, ג'יימס תומסון, היה מורה למתמטיקה והנדסה במוסד האקדמי המלכותי של בלפסט (Royal Belfast Academical Institution) ובנו של חקלאי סקוטי מאלסטר. ג'יימס תומסון נישא למרגרט גרדנר בשנת 1817, ומילדיהם, ארבעה בנים ושתי בנות שרדו את גיל הינקות. מרגרט תומסון נפטרה ב-1830 כאשר ויליאם היה בן שש.
ויליאם ואחיו הבכור ג'יימס קיבלו חינוך ביתי מאביהם, בעוד האחים הצעירים חונכו על ידי אחיותיהם הגדולות. ג'יימס יועד ליהנות מהחלק הארי בעידוד, בחיבה ובתמיכה הכספית של אביהם והוכן לקריירה בהנדסה.
בשנת 1832 מונה אביו לפרופסור למתמטיקה באוניברסיטת גלאזגו, והמשפחה עברה לשם באוקטובר 1833. ילדי תומסון נחשפו לחוויה קוסמופולטית רחבה יותר מזו של החינוך הכפרי של אביהם; הם בילו את אמצע 1839 בלונדון, והבנים למדו צרפתית בפריז. חלק גדול מחייו של תומסון במהלך אמצע שנות ה-40 של המאה ה-19 עבר בגרמניה ובהולנד. לימוד שפות קיבל עדיפות גבוהה.
אחותו, אנה תומסון, הייתה אמו של הפיזיקאי ג'יימס תומסון בוטומלי (James Thomson Bottomley).
### נעורים
תומסון למד במוסד האקדמי המלכותי של בלפסט, שבו אביו היה פרופסור למתמטיקה במחלקה האוניברסיטאית. בשנת 1834, בהיותו בן 10, החל ללמוד באוניברסיטת גלאזגו, לא בשל מוקדמות יוצאת דופן; האוניברסיטה סיפקה רבים ממתקני בית הספר היסודי עבור תלמידים מוכשרים, וזה היה גיל כניסה טיפוסי. בבית הספר גילה עניין רב בקלאסיקות לצד עניינו הטבעי במדעים. בגיל 12 זכה בפרס על תרגום הדיאלוגים של האלים מאת לוקיאנוס מסמוסאטה (Lucian of Samosata) מיוונית עתיקה לאנגלית.
בשנת הלימודים 1839/1840, זכה תומסון בפרס הכיתה באסטרונומיה על "מאמר על צורת כדור הארץ" (Essay on the figure of the Earth), שהפגין יכולת מוקדמת לניתוח מתמטי ויצירתיות. המורה שלו לפיזיקה באותה עת היה דייוויד תומסון. לאורך חייו, הוא עבד על הבעיות שהועלו במאמר כשיטת התמודדות בזמנים של לחץ אישי. בשער המאמר כתב תומסון את השורות הבאות מתוך "מסה על האדם" מאת אלכסנדר פופ. שורות אלו העניקו לתומסון השראה להבין את העולם הטבעי באמצעות כוחה ושיטתה של המדע:
> לכי, יצור פלאי! עלו למקום שבו המדע מנחה; לכו, מדדו את הארץ, שקלו את האוויר, וקבעו את הגאות; הנחו את כוכבי הלכת באילו מסלולים לרוץ, תקנו את הזמן הישן, ווסתו את השמש;
תומסון נמשך לתיאוריה האנליטית של החום (Théorie analytique de la chaleur) של ז'וזף פורייה. הוא התחייב ללמוד את המתמטיקה ה"יבשתית" שזכתה להתנגדות מצד הממסד הבריטי שעדיין עבד בצילו של סר אייזק ניוטון. כצפוי, עבודתו של פורייה הותקפה על ידי מתמטיקאים מקומיים, ופיליפ קלנד (Philip Kelland) כתב ספר ביקורתי. הספר הניע את תומסון לכתוב את מאמרו המדעי הראשון שפורסם תחת שם העט P.Q.R., שבו הגן על פורייה, ושהוגש לכתב העת למתמטיקה של קיימברידג' על ידי אביו. מאמר P.Q.R. שני הגיע זמן קצר לאחר מכן.
במהלך חופשה עם משפחתו בלמלש (Lamlash) ב-1841, הוא כתב מאמר P.Q.R. שלישי, מהותי יותר, על התנועה האחידה של חום בגופים מוצקים הומוגניים, והקשר שלה לתיאוריה המתמטית של החשמל. במאמר הוא יצר קשרים יוצאי דופן בין התיאוריות המתמטיות של הולכת חום ואלקטרוסטטיקה, אנלוגיה שג'יימס קלרק מקסוול תיאר לבסוף כאחד הרעיונות המעצבים המדעיים החשובים ביותר.
### קיימברידג'
אביו של ויליאם יכול היה לספק אמצעים נדיבים לחינוך בנו המועדף, ובשנת 1841 שיכן אותו, עם מכתבי המלצה נרחבים ומגורים הולמים, בפיטרהאוס (Peterhouse), קיימברידג'. בתקופתו בקיימברידג', תומסון היה פעיל בספורט, אתלטיקה וחתירה, ואף זכה ב-Colquhoun Sculls ב-1843. הוא גילה עניין רב בקלאסיקות, מוזיקה וספרות; אך אהבתו האמיתית של חייו האינטלקטואליים הייתה המרדף אחר המדע. לימודי המתמטיקה, הפיזיקה, ובפרט החשמל, שבו את דמיונו. תחת הדרכתו של ויליאם הופקינס (William Hopkins), סיים תומסון את לימודיו בשנת 1845 כ"רנגלר" (מצטיין) שני. הוא גם זכה בפרס סמית' הראשון, שבניגוד לטריפוס, הוא מבחן של מחקר מקורי. רוברט לסלי אליס (Robert Leslie Ellis), אחד הבוחנים, אמר לבוחן אחר: "אתה ואני בקושי כשירים לתקן את העטים שלו." הוא היה הזוכה הרביעי בפרס ויליאם הופקינס (1876), שניתן על ידי האגודה הפילוסופית של קיימברידג' עבור המצאה או תגלית.
בשנת 1845 הציג את הפיתוח המתמטי הראשון לרעיונו של מייקל פאראדיי לפיו השראה חשמלית מתרחשת דרך תווך מתווך, או "דיאלקטרי", ולא על ידי "פעולה מרחוק" בלתי מובנת. הוא גם הגה את הטכניקה המתמטית של תמונות חשמליות, שהפכה לכלי רב עוצמה בפתרון בעיות באלקטרוסטטיקה, המדע העוסק בכוחות בין גופים טעונים חשמלית במנוחה. בחלקו כתגובה לעידודו של תומסון, פאראדיי ביצע בספטמבר 1845 את המחקר שהוביל לגילוי אפקט פאראדיי, שביסס את הקשר בין תופעות אור ותופעות מגנטיות (וכתוצאה מכך חשמליות).
הוא נבחר לעמית בפיטרהאוס (כפי שנקרא לעיתים קרובות באותה עת) ביוני 1845. עם קבלת המלגה, בילה זמן מה במעבדתו של אנרי ויקטור רניו (Henri Victor Regnault) הנודע בפריז; אך ב-1846 מונה לקתדרה לפילוסופיה של הטבע באוניברסיטת גלאזגו. בגיל 22 מצא את עצמו לובש את גלימת הפרופסור באחת האוניברסיטאות העתיקות במדינה ומרצה לכיתה שבה היה סטודנט שנה א' לפני שנים אחדות.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →### תרמודינמיקה
עד 1847 כבר קנה תומסון מוניטין של מדען צעיר ומורד כאשר השתתף במפגש השנתי של האגודה הבריטית לקידום המדע באוקספורד. באותו מפגש, שמע את ג'יימס פרסקוט ג'ול מבצע עוד ניסיון, עד כה לא יעיל, להפריך את תיאוריית הקלורי של החום ואת תיאוריית מנוע החום שנבנתה עליה על ידי סאדי קרנו ואמיל קלפרון. ג'ול טען להמרה הדדית של חום ועבודה מכנית ולשקילות המכנית ביניהם.
תומסון סוקרן אך היה ספקן. למרות שהרגיש שתוצאותיו של ג'ול דורשות הסבר תיאורטי, הוא נסוג למחויבות עמוקה עוד יותר לבית הספר קרנו-קלפרון. הוא ניבא שנקודת הקיפאון של הקרח חייבת לרדת עם הלחץ, שאחרת התפשטותו בעת הקיפאון יכולה להיות מנוצלת ל"תנועה מתמדת" (perpetuum mobile). אישור ניסויי במעבדתו עשה רבות לחיזוק אמונותיו.
בשנת 1848, הוא הרחיב את תיאוריית קרנו-קלפרון עוד יותר בשל חוסר שביעות רצונו מכך שמדחום הגז סיפק רק הגדרה תפעולית לטמפרטורה. הוא הציע סולם טמפרטורה מוחלט שבו "יחידת חום היורדת מגוף A בטמפרטורה T° בסולם זה, לגוף B בטמפרטורה (T-1)°, תפיק את אותו אפקט מכני [עבודה], ללא קשר למספר T." סולם כזה יהיה "בלתי תלוי לחלוטין בתכונות הפיזיקליות של כל חומר ספציפי." באמצעות "מפל" כזה, תומסון הניח שתיקבע נקודה שבה לא ניתן יהיה להעביר עוד חום (קלורי), נקודת האפס המוחלט שגיום אמון (Guillaume Amontons) שיער ב-1702. "הרהורים על הכוח המניע של החום", שפורסם על ידי קרנו בצרפתית ב-1824, שנת הולדתו של הלורד קלווין, השתמש ב-267- כאומדן לטמפרטורת האפס המוחלט. תומסון השתמש בנתונים שפרסם רניו כדי לכייל את הסולם שלו מול מדידות קיימות.
בפרסומו כתב תומסון:
> ... המרת חום (או קלורי) לאפקט מכני היא כנראה בלתי אפשרית, בהחלט לא נתגלתה
—אך הערת שוליים סימנה את ספקותיו הראשונים לגבי תיאוריית הקלורי, בהתייחסו לתגליות המדהימות ביותר של ג'ול. באופן מפתיע, תומסון לא שלח לג'ול עותק של מאמרו, אך כאשר ג'ול קרא אותו בסופו של דבר, הוא כתב לתומסון ב-6 באוקטובר, וטען שמחקריו הוכיחו המרת חום לעבודה אך שהוא מתכנן ניסויים נוספים. תומסון השיב ב-27 באוקטובר, וגילה שהוא מתכנן ניסויים משלו ומקווה לפיוס בין שני הצדדים.
תומסון חזר לבקר את פרסומו המקורי של קרנו וקרא את הניתוח שלו לפני החברה המלכותית של אדינבורו בינואר 1849, עדיין משוכנע שהתיאוריה נכונה מיסודה. עם זאת, למרות שתומסון לא ערך ניסויים חדשים, במהלך השנתיים הבאות הוא הפך יותר ויותר לא מרוצה מהתיאוריה של קרנו ומשוכנע בזו של ג'ול. בפברואר 1851 הוא התיישב לנסח את מחשבתו החדשה. הוא לא היה בטוח כיצד למסגר את התיאוריה שלו, והמאמר עבר מספר טיוטות לפני שהתיישב על ניסיון לפייס בין קרנו לג'ול. במהלך הכתיבה מחדש, נראה שהוא שקל רעיונות שלימים יולידו את החוק השני של התרמודינמיקה. בתיאוריה של קרנו, חום אבוד אבד לחלוטין, אך תומסון טען שהוא "אבוד לאדם ללא תקנה; אך לא אבוד בעולם החומרי". יתרה מכך, אמונותיו התיאולוגיות הובילו את תומסון להסיק את החוק השני לקוסמוס, תוך מקור הרעיון של מוות חום אוניברסלי.
> אני מאמין שהנטייה בעולם החומרי היא שהתנועה תתפזר, וכי בסך הכל מתרחש ההפך מריכוז – אני מאמין שאף פעולה פיזיקלית לא יכולה לעולם להחזיר את החום הנפלט מהשמש, ושהמקור הזה אינו בלתי נדלה; וכן שהתנועות של כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים מאבדות vis viva (כוח חי) המומר לחום; ושלמרות שחלק מה-vis viva עשוי להיות משוחזר למשל לכדור הארץ על ידי חום המתקבל מהשמש, או באמצעים אחרים, שהאובדן אינו יכול להיות מפוצה במדויק ואני חושב שסביר שהוא מפוצה בחסר.
פיצוי ידרוש פעולה יצירתית או פעולה בעלת כוח דומה, שתביא ליקום מתחדש (כפי שתומסון השווה בעבר את מוות החום האוניברסלי לשעון שרץ לאט יותר ויותר, אם כי לא היה בטוח אם הוא יגיע בסופו של דבר לשיווי משקל תרמודינמי ויעצור לנצח). תומסון ניסח גם את פרדוקס מוות החום (הפרדוקס של קלווין) ב-1862, המשתמש בחוק השני של התרמודינמיקה כדי להפריך את האפשרות ליקום עתיק לאין שיעור; פרדוקס זה הורחב מאוחר יותר על ידי ויליאם רנקין.
בפרסום הסופי, תומסון נסוג מסטייה רדיקלית והצהיר: "כל התיאוריה של הכוח המניע של החום מבוססת על... שתי... טענות, המיוחסות בהתאמה לג'ול, ולקרנו וקלאוזיוס." תומסון המשיך לציין צורה של החוק השני:
> בלתי אפשרי, באמצעות סוכן חומרי דומם, להפיק אפקט מכני מכל חלק של חומר על ידי קירורו מתחת לטמפרטורה של האובייקט הקר ביותר בסביבה.
במאמר, תומסון תומך בתיאוריה שחום הוא צורת תנועה אך מודה שהושפע רק ממחשבתו של סר המפרי דייווי ומניסויי ג'ול ויוליוס רוברט פון מאייר, תוך שהוא טוען שהדגמה ניסויית להמרת חום לעבודה עדיין חסרה. ברגע שג'ול קרא את המאמר הוא כתב לתומסון עם הערותיו ושאלותיו. כך החל שיתוף פעולה פורה, אם כי ברובו אפיסטולרי (מכתבים), בין שני הגברים, ג'ול עורך ניסויים, ותומסון מנתח את התוצאות ומציע ניסויים נוספים. שיתוף הפעולה נמשך מ-1852 עד 1856, ותגליותיו כללו את אפקט ג'ול-תומסון, המכונה לעיתים אפקט קלווין-ג'ול, והתוצאות שפורסמו עשו רבות להביא לקבלה כללית של עבודתו של ג'ול והתיאוריה הקינטית.
תומסון פרסם יותר מ-650 מאמרים מדעיים והגיש 70 פטנטים (לא כולם הונפקו).
כבל טרנס-אטלנטי
### חישובים על קצב נתונים
אף שהיה בולט בתחום האקדמי, תומסון היה אלמוני לציבור הרחב. בספטמבר 1852 נישא לאהובת ילדותו מרגרט קראם (Margaret Crum), בתו של וולטר קראם; אך בריאותה התדרדרה בירח הדבש שלהם, ובמהלך 17 השנים הבאות תומסון הוסח דעתו על ידי סבלה. ב-16 באוקטובר 1854 כתב ג'ורג' גבריאל סטוקס לתומסון כדי לנסות לעורר בו שוב עניין בעבודה על ידי בקשת דעתו על כמה ניסויים של פאראדיי על כבל הטלגרף הטרנס-אטלנטי המוצע.
פאראדיי הדגים כיצד בניית כבל תגביל את הקצב שבו ניתן לשלוח הודעות - במונחים מודרניים, רוחב הפס. תומסון קפץ על הבעיה ופרסם את תשובתו באותו חודש. הוא ביטא את תוצאותיו במונחים של קצב הנתונים שניתן להשיג וההשלכות הכלכליות במונחים של ההכנסה הפוטנציאלית של המיזם הטרנס-אטלנטי. בניתוח נוסף משנת 1855, הדגיש תומסון את ההשפעה שתהיה לעיצוב הכבל על רווחיותו.
תומסון טען שמהירות האיתות דרך כבל נתון עומדת ביחס הפוך לריבוע אורך הכבל. תוצאותיו של תומסון הופרכו בפגישה של האגודה הבריטית בשנת 1856 על ידי וילדמן וייטהאוס (Wildman Whitehouse), החשמלאי של חברת הטלגרף האטלנטית. ייתכן שוייטהאוס פירש לא נכון את תוצאות ניסוייו שלו אך ללא ספק חש בלחץ כלכלי שכן התוכניות לכבל כבר היו בעיצומן. הוא האמין שחישוביו של תומסון רמזו שיש "לנטוש את הכבל כבלתי אפשרי מבחינה מעשית ומסחרית".
תומסון תקף את טענתו של וייטהאוס במכתב למגזין הפופולרי אתנאום (Athenaeum), כשהוא משליך את עצמו לתודעה הציבורית. תומסון המליץ על מוליך גדול יותר עם חתך רוחב גדול יותר של בידוד. הוא חשב שוייטהאוס אינו טיפש וחשד שיש לו את המיומנות המעשית לגרום לעיצוב הקיים לעבוד. עבודתו של תומסון משכה את תשומת ליבם של יזמי הפרויקט. בדצמבר 1856 נבחר לחבר במועצת המנהלים של חברת הטלגרף האטלנטית.
### ממדען למהנדס
תומסון הפך ליועץ מדעי לצוות עם וייטהאוס כחשמלאי ראשי וסר צ'ארלס טילסטון ברייט (Sir Charles Tilston Bright) כמהנדס ראשי, אך וייטהאוס עשה כרצונו במפרט, בתמיכת פאראדיי וסמואל מורס.
תומסון הפליג על סיפון אוניית הנחת הכבלים אגממנון (HMS Agamemnon) באוגוסט 1857, כשווייטהאוס מרותק ליבשה עקב מחלה, אך ההפלגה הסתיימה לאחר 380 מייל (610 ק"מ) כאשר הכבל נקרע. תומסון תרם למאמץ על ידי פרסום ב-Engineer את התיאוריה המלאה של המאמצים הכרוכים בהנחת כבל תקשורת תת-ימי, המראים שכאשר הקו יוצא מהאונייה, במהירות קבועה בעומק אחיד של מים, הוא שוקע בשיפוע אלכסוני או ישר מהנקודה שבה הוא נכנס למים לזו שבה הוא נוגע בקרקעית.
תומסון פיתח מערכת שלמה להפעלת טלגרף תת-ימי שהייתה מסוגלת לשלוח תו כל 3.5 שניות. הוא רשם פטנט על המרכיבים המרכזיים של המערכת שלו, הגלוונומטר המראה ורשם הסיפון, בשנת 1858. וייטהאוס עדיין הרגיש מסוגל להתעלם מהצעותיו והצעותיו הרבות של תומסון. רק לאחר שתומסון שכנע את הדירקטוריון ששימוש בנחושת טהורה יותר להחלפת חלק הכבל שאבד ישפר את קיבולת הנתונים, הוא השפיע לראשונה על ביצוע הפרויקט.
הדירקטוריון התעקש שתומסון יצטרף למשלחת הנחת הכבלים של 1858, ללא כל פיצוי כספי, ויקח חלק פעיל בפרויקט. בתמורה, תומסון הבטיח ניסוי עבור הגלוונומטר המראה שלו, שהדירקטוריון לא התלהב ממנו, לצד הציוד של וייטהאוס. תומסון מצא שהגישה שניתנה לו אינה מספקת, והאגממנון נאלצה לחזור הביתה בעקבות סערה הרסנית ביוני 1858. בלונדון, הדירקטוריון עמד לנטוש את הפרויקט ולצמצם את הפסדיהם על ידי מכירת הכבל. תומסון, סיירוס ו. פילד (Cyrus W. Field) וקרטיס למפסון (Curtis Lampson) טענו בעד ניסיון נוסף וגברו, כשאינם מוותרים ותומסון מתעקש שהבעיות הטכניות פתירות. למרות שהועסק בתפקיד ייעוצי, תומסון פיתח במהלך ההפלגות אינסטינקטים של מהנדס אמיתי ומיומנות בפתרון בעיות מעשי תחת לחץ, לעיתים קרובות נטל את ההובלה בהתמודדות עם מקרי חירום ולא פחד לסייע בעבודה ידנית. כבל הושלם ב-5 באוגוסט.
### אסון וניצחון
חששותיו של תומסון התממשו כאשר המכשיר של וייטהאוס התגלה כלא רגיש מספיק ונאלץ להיות מוחלף על ידי הגלוונומטר המראה של תומסון. וייטהאוס המשיך לטעון שהציוד שלו הוא זה שסיפק את השירות והחל לנקוט בצעדים נואשים כדי לתקן חלק מהבעיות. הוא הרס את הכבל באופן קטלני על ידי הפעלת "זעזוע" של חשמל במתח גבוה מסלילי השראה באורך 5 רגל (1.5 מ') על החוף באי ולנטיה (Valentia Island), הנחיתה המזרחית של הכבל. כאשר הכבל נכשל לחלוטין וייטהאוס פוטר, אם כי תומסון התנגד וספג נזיפה מהדירקטוריון על התערבותו. תומסון הצטער לאחר מכן על כך שנכנע בקלות רבה מדי להצעות רבות של וייטהאוס ולא אתגר אותו במרץ מספיק.
ועדת חקירה משותפת הוקמה על ידי משרד המסחר וחברת הטלגרף האטלנטית. רוב האשמה בכישלון הכבל נמצאה מוטלת על וייטהאוס. הוועדה מצאה כי, למרות שכבלים תת-ימיים היו ידועים לשמצה בחוסר האמינות שלהם, רוב הבעיות נבעו מסיבות ידועות וניתנות למניעה. תומסון מונה לאחד מחמישה חברי ועדה להמלצה על מפרט לכבל חדש. הוועדה דיווחה באוקטובר 1863.
ביולי 1865, הפליג תומסון במשלחת הנחת הכבלים של האונייה SS Great Eastern, אך המסע היה רדוף בבעיות טכניות. הכבל אבד לאחר הנחת 1,200 מייל (1,900 ק"מ), והפרויקט ננטש. ניסיון נוסף ב-1866 הניח כבל חדש בשבועיים, ואז שחזר והשלים את כבל 1865. המיזם נחגג כניצחון על ידי הציבור, ותומסון נהנה מחלק גדול מהתשואות. תומסון, יחד עם שאר ראשי הפרויקט, קיבל תואר אבירות ב-10 בנובמבר 1866. כדי לנצל את המצאותיו לאיתות על כבלים תת-ימיים ארוכים, תומסון נכנס לשותפות עם סי. אף. וארלי (C. F. Varley) ופלימינג ג'נקין (Fleeming Jenkin). יחד עם האחרון, הוא גם הגה שולח ריסון (curb sender) אוטומטי, סוג של מפתח טלגרף לשליחת הודעות בכבל.
### משלחות מאוחרות יותר
תומסון השתתף בהנחת כבל התקשורת התת-ימי הצרפתי-אטלנטי של 1869, ועם ג'נקין היה מהנדס הכבלים המערבי והברזילאי והפלאטינו-ברזילאי, בסיוע סטודנט החופשה אלפרד יואינג (Alfred Ewing). הוא נכח בהנחת קטע פארה (Pará) עד פרנמבוקו (Pernambuco) של כבלי החוף הברזילאי ב-1873.
אשתו של תומסון, מרגרט, נפטרה ב-17 ביוני 1870, והוא החליט לבצע שינויים בחייו. כבר מכור לשיט, בספטמבר הוא רכש מפרשית בת 126 טון, ה-Lalla Rookh, והשתמש בה כבסיס לאירוח חברים ועמיתים מדעיים. תחומי העניין הימיים שלו נמשכו ב-1871 כאשר מונה למועצת החקירה על טביעתה של HMS Captain.
ביוני 1873 היו תומסון וג'נקין על סיפון ה-Hooper, בדרכם לליסבון עם 2,500 מייל (4,020 ק"מ) של כבל כאשר הכבל פיתח תקלה. עצירה לא מתוכננת של 16 יום במדיירה בעקבותיה, ותומסון התיידד מאוד עם צ'ארלס ר. בלנדי (Charles R. Blandy) ושלוש בנותיו. ב-2 במאי 1874 הפליג למדיירה על ה-Lalla Rookh. כשהתקרב לנמל, אותת למעון בלנדי: "התינשאי לי?" ופאני (בתם של בלנדי, פרנסס אנה בלנדי) אותתה בחזרה: "כן". תומסון נישא לפאני, הצעירה ממנו ב-13 שנים, ב-24 ביוני 1874.
תרומות אחרות
### מסה על הפילוסופיה של הטבע
במהלך התקופה שבין 1855 ל-1867, שיתף תומסון פעולה עם פיטר גאת'רי טייט (Peter Guthrie Tait) בספר לימוד שביסס את חקר המכניקה תחילה על המתמטיקה של הקינמטיקה, התיאור של תנועה ללא התחשבות בכוח. הטקסט פיתח דינמיקה בתחומים שונים אך עם תשומת לב מתמדת לאנרגיה כעיקרון מאחד. מהדורה שנייה הופיעה ב-1879, מורחבת לשני חלקים כרוכים בנפרד. ספר הלימוד הציב סטנדרט לחינוך מוקדם בפיזיקה מתמטית.
### חשמל אטמוספרי
תומסון תרם תרומות משמעותיות לחשמל אטמוספרי בזמן הקצר יחסית שבו עבד על הנושא, בסביבות 1859. הוא פיתח מספר מכשירים למדידת השדה החשמלי האטמוספרי, תוך שימוש בחלק מהאלקטרומטרים שפיתח בתחילה לעבודת טלגרף, אותם בדק בגלאזגו ובמהלך חופשה באראן (Arran). מדידותיו באראן היו קפדניות ומכוילות מספיק כך ששימשו מאז להסקת זיהום אוויר של המאה ה-19 מאזור גלאזגו, דרך השפעותיו על השדה החשמלי האטמוספרי. שיטת האלקטרומטר מטפטף המים של תומסון שימשה למדידת השדה החשמלי האטמוספרי במצפה קיו (Kew Observatory) ובמצפה אסקדאלמיור (Eskdalemuir Observatory) במשך שנים רבות, ואחד היה בשימוש מבצעי במצפה קאקיוקה (Kakioka Observatory) ביפן עד תחילת 2021. ייתכן שתומסון צפה שלא במתכוון בהשפעות חשמליות אטמוספריות שנגרמו על ידי אירוע קרינגטון (סערה גיאומגנטית משמעותית) בתחילת ספטמבר 1859.
### תיאוריית המערבולת של האטום
בין 1870 ל-1890 תיאוריית אטום המערבולת, שטענה שאטום הוא מערבולת באתר, הייתה פופולרית בקרב פיזיקאים ומתמטיקאים בריטים. תומסון חלוץ התיאוריה, שהייתה שונה מתיאוריית המערבולת של המאה ה-17 של רנה דקארט בכך שתומסון חשב במונחים של תיאוריית רצף יחידה, בעוד דקארט חשב במונחים של שלושה סוגי חומר שונים, שכל אחד מהם מתייחס בהתאמה לפליטה, שידור והשתקפות של אור. כ-60 מאמרים מדעיים נכתבו על ידי כ-25 מדענים. בעקבות תומסון וטייט, פותח ענף הטופולוגיה הנקרא תיאוריית הקשרים. היוזמה של תומסון במחקר מורכב זה שממשיך לעורר מתמטיקה חדשה הובילה להמשכיות הנושא בהיסטוריה של המדע.
### ימי
תומסון היה ימאי נלהב, עניינו בכל מה שקשור לים אולי נובע מ-, או מטופח על ידי, חוויותיו על האגממנון וה-Great Eastern. תומסון הציג שיטה חדשה למדידת עומק בים עמוק, שבה חוט פסנתר מפלדה מחליף את חבל היד הרגיל. החוט מחליק בקלות רבה לקרקעית כך שניתן לבצע "מדידות מעופפות" בזמן שהאונייה במהירות מלאה. תומסון הוסיף מד לחץ כדי לרשום את עומק המשקולת. בערך באותו זמן הוא החיה את שיטת סאמנר (Sumner method) למציאת מיקום אונייה, וחישב סט טבלאות ליישומה המיידי.
במהלך שנות ה-80 של המאה ה-19, פעל תומסון לשכלל את המצפן המתכוונן כדי לתקן שגיאות הנובעות מסטייה מגנטית בשל השימוש המוגבר בברזל באדריכלות ימית. העיצוב של תומסון היה שיפור גדול לעומת המכשירים הישנים, בהיותו יציב יותר ופחות מופרע על ידי חיכוך. הסטייה שנגרמה מהמגנטיות של האונייה תוקנה על ידי מסות ברזל ניידות במצפן. החידושים של תומסון כללו עבודה מפורטת רבה לפיתוח עקרונות שזוהו על ידי ג'ורג' בידל איירי (George Biddell Airy) ואחרים, אך תרמו מעט במונחים של חשיבה פיזיקלית חדשנית. הלובינג והרשתות האנרגטיות של תומסון הוכחו כיעילים בקבלת המכשיר שלו על ידי האדמירליות.
> ביוגרפים מדעיים של תומסון, אם הקדישו תשומת לב כלשהי לחידושי המצפן שלו, התייחסו בדרך כלל לעניין כאל סאגה מצערת של מנהלי צי בעלי מוח עמום המתנגדים לחידושים מופלאים ממוח מדעי עילאי. כותבים האוהדים את הצי, לעומת זאת, מתארים את תומסון כאדם בעל כישרון והתלהבות שאין עליהם עוררין, עם ידע אמיתי בים, שהצליח להפוך קומץ רעיונות צנועים בעיצוב מצפן למונופול מסחרי עבור מיזם הייצור שלו, תוך שימוש במוניטין שלו כאלון בבתי המשפט כדי להביס אפילו טענות קטנות למקוריות מאחרים, ולשכנע את האדמירליות והחוק להתעלם גם מהליקויים של העיצוב שלו וגם מהמעלות של מתחריו. האמת, באופן בלתי נמנע, נראית כנמצאת אי שם בין שני הקיצונים.
צ'ארלס באבג' היה בין הראשונים שהציעו שמגדלור עשוי להיעשות לאותת מספר ייחודי על ידי הסתרות האור שלו, אך תומסון הצביע על היתרונות של קוד מורס למטרה זו, ודחק שהאותות יורכבו מהבהובים קצרים וארוכים של האור כדי לייצג את הנקודות והקווים.
### תקנים חשמליים
תומסון עשה יותר מכל חשמלאי אחר עד זמנו בהצגת שיטות ומכשירים מדויקים למדידת חשמל. כבר ב-1845 ציין שתוצאות ניסוייו של ויליאם סנואו האריס (William Snow Harris) היו בהתאם לחוקי שארל-אוגוסטן דה קולון. בזיכרונות האקדמיה הרומית למדעים לשנת 1857 פרסם תיאור של אלקטרומטר הטבעת המחולקת שלו, המבוסס על האלקטרוסקופ של יוהאן גוטליב פרידריך פון בוננברגר (Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger). הוא הציג שרשרת או סדרה של מכשירים יעילים, כולל אלקטרומטר הקוואדראנט, המכסים את כל תחום המדידה האלקטרוסטטית. הוא המציא את מאזני הזרם, הידועים גם כמאזני קלווין או מאזני אמפר (SiC), למפרט המדויק של האמפר, היחידה הסטנדרטית של זרם חשמלי. מסביבות 1880 הוא נעזר במהנדס החשמל מגנוס מקלין (Magnus Maclean FRSE) בניסוייו החשמליים.
בשנת 1893, עמד תומסון בראש ועדה בינלאומית להחלטה על עיצוב תחנת הכוח של מפלי הניאגרה. למרות אמונתו בעליונות העברת כוח חשמלי בזרם ישר, הוא תמך במערכת הזרם החילופין של וסטינגהאוס שהוצגה ביריד העולמי של שיקגו באותה שנה. גם אחרי מפלי הניאגרה, תומסון עדיין דבק באמונתו שזרם ישר הוא המערכת העדיפה.
בהוקרה על תרומתו לתקינה חשמלית, הנציבות האלקטרוטכנית הבינלאומית בחרה בתומסון לנשיאה הראשון בפגישתה המקדימה, שנערכה בלונדון ב-26–27 ביוני 1906. "על פי הצעת הנשיא [מר אלכסנדר סימנס, בריטניה], בגיבוי מר מיילו [מכון המהנדסים החשמליים של ארה"ב], הלורד קלווין הנכבד, G.C.V.O., O.M., נבחר פה אחד לנשיא הראשון של הנציבות", נכתב בפרוטוקול דוח הפגישה המקדימה.
### גיל כדור הארץ
קלווין ביצע הערכה מוקדמת מבוססת פיזיקה של גיל כדור הארץ. בהתחשב בעבודתו הצעירה על צורת כדור הארץ ובעניינו בהולכת חום, אין זה מפתיע שבחר לחקור את התקררות כדור הארץ ולהסיק מסקנות היסטוריות על גיל כדור הארץ מחישוביו. תומסון היה בריאתן במובן הרחב, אך הוא לא היה 'גיאולוג מבול' (השקפה שאיבדה תמיכה מדעית מרכזית עד שנות ה-40 של המאה ה-19). הוא טען שחוקי התרמודינמיקה פעלו מלידת היקום וחזה תהליך דינמי שראה את הארגון והאבולוציה של מערכת השמש ומבנים אחרים, ואחריו "מוות חום" הדרגתי. הוא פיתח את ההשקפה שכדור הארץ היה פעם חם מדי מכדי לתמוך בחיים והנגיד השקפה זו לזו של האחידות (uniformitarianism), שתנאים נותרו קבועים מאז העבר הבלתי מוגדר. הוא טען ש"כדור הארץ הזה, בהחלט מספר מתון של מיליוני שנים לפני כן, היה גלובוס לוהט...".
לאחר פרסום מוצא המינים של צ'ארלס דרווין ב-1859, תומסון ראה בראיות לגיל המיושב הקצר יחסית של כדור הארץ ככאלה הנוטות לסתור את ההסבר הגראדואליסטי של דרווין לברירה טבעית איטית המביאה למגוון ביולוגי. השקפותיו של תומסון עצמו העדיפו גרסה של אבולוציה תאיסטית המואצת על ידי הדרכה אלוהית. הוא הציע שהחיים על פני כדור הארץ התפתחו מצמחים, שזרעיהם נישאו מכוכבי לכת אחרים על ידי מטאוריטים. חישוביו הראו שהשמש לא יכלה להתקיים מספיק זמן כדי לאפשר את ההתפתחות המצטברת האיטית על ידי אבולוציה—אלא אם כן היא חוממה על ידי מקור אנרגיה מעבר לידע של מדע התקופה הוויקטוריאנית. הוא נגרר במהרה למחלוקת ציבורית עם גיאולוגים ועם תומכי דרווין ג'ון טינדל (John Tyndall) ותומס הנרי האקסלי (Thomas Henry Huxley). בתגובתו לנאום של האקסלי בפני החברה הגיאולוגית של לונדון (1868) הציג את נאומו "על דינמיקה גיאולוגית" (1869), אשר, בין יתר כתביו, אתגר את טענת הגיאולוגים שכדור הארץ חייב להיות עתיק מאוד, אולי מיליארדי שנים בגילו.
הערכתו הראשונית של תומסון מ-1864 לגיל כדור הארץ הייתה בין 20 ל-400 מיליון שנה. גבולות רחבים אלו נבעו מחוסר הוודאות שלו לגבי טמפרטורת ההתכה של הסלע, שאליה השווה את טמפרטורת פנים כדור הארץ, כמו גם מחוסר הוודאות במוליכות תרמית ובחום סגולי של סלעים. במהלך השנים הוא עידן את טיעוניו והפחית את הגבול העליון פי עשרה, וב-1897 תומסון, כעת הלורד קלווין, התיישב בסופו של דבר על הערכה שכדור הארץ בן 20–40 מיליון שנה. במכתב שפורסם ב-Scientific American Supplement ב-1895 קלווין מתח ביקורת על הערכות הגיאולוגים לגיל הסלעים וגיל כדור הארץ, כולל הדעות שפורסמו על ידי דרווין, כ"גיל עצום במעורפל".
ניתן למצוא את חקירתו של הערכה זו בנאומו משנת 1897 למכון ויקטוריה (Victoria Institute), שניתן לבקשת נשיא המכון ג'ורג' סטוקס, כפי שתועד בכתב העת של המכון Transactions. למרות שהעוזר לשעבר שלו ג'ון פרי (John Perry) פרסם מאמר ב-1895 המאתגר את הנחת קלווין לגבי מוליכות תרמית נמוכה בתוך כדור הארץ, ובכך הראה גיל גדול בהרבה, לא הייתה לכך השפעה מיידית. הגילוי ב-1903 שדעיכה רדיואקטיבית משחררת חום הוביל לכך שהערכתו של קלווין אותגרה, וארנסט רתרפורד טען מפורסמות בהרצאה ב-1904 בה נכח קלווין שזה מספק את מקור האנרגיה הלא ידוע שקלווין הציע, אך ההערכה לא בוטלה עד לפיתוח ב-1907 של תיארוך רדיומטרי של סלעים.
גילוי הרדיואקטיביות ערער במידה רבה את הערכתו של קלווין לגיל כדור הארץ. למרות שהוא שילם בסופו של דבר התערבות של ג'נטלמן עם סטראט (Strutt) על חשיבות הרדיואקטיביות בגיאולוגיה של כדור הארץ, הוא מעולם לא הודה בכך בפומבי מכיוון שחשב שיש לו טיעון חזק בהרבה המגביל את גיל השמש ללא יותר מ-20 מיליון שנה. ללא אור שמש, לא יכול להיות הסבר לשיא המשקעים על פני כדור הארץ. באותה עת, המקור היחיד הידוע לאנרגיה סולארית היה קריסה כבידתית. רק כאשר היתוך תרמו-גרעיני הוכר בשנות ה-30 של המאה ה-20, פרדוקס הגיל של קלווין נפתר באמת. עם זאת, הקוסמולוגיה המודרנית מכירה בתקופת קלווין בחייו המוקדמים של כוכב, שבה הוא זורח מאנרגיה כבידתית (שחושבה נכון על ידי קלווין) לפני שההיתוך והסדרה הראשית מתחילים.
### מחשוב אנלוגי
השאלה כיצד לתמרן קבוצה של משוואות דיפרנציאליות לצורה המתאימה למחשוב אנלוגי הועלתה, ונענתה חלקית על ידי הלורד קלווין. הוא הציע יישום באמצעות אינטגרטור מכני שתוכנן על ידי אחיו, ג'יימס תומסון, אך קשיים מעשיים מנעו את היישום במהלך חייו.
גישתו עומדת בבסיס ההמרה של קבוצה של משוואות דיפרנציאליות לצורת מרחב מצב המתאימה למחשוב דיגיטלי.
חיים מאוחרים ומוות
בחורף 1860–61, קלווין (בן 37) החליק על הקרח בזמן ששיחק קרלינג ליד ביתו בנתרהול ושבר את רגלו, מה שגרם לו להחמיץ את פגישת מנצ'סטר ב-1861 של האגודה הבריטית לקידום המדע ולצלוע מאז. הוא נותר סוג של סלבריטי משני צידי האוקיינוס האטלנטי עד מותו.
תומסון נותר מאמין אדוק בנצרות לאורך כל חייו; נוכחות בכנסייה הייתה חלק משגרת יומו. הוא ראה באמונתו הנוצרית תמיכה ומקור מידע לעבודתו המדעית, כפי שניתן לראות מנאומו במפגש השנתי של האגודה לעדויות נוצריות ב-23 במאי 1889.
ברשימת הצטיינות ההכתרה של 1902 שפורסמה ב-26 ביוני 1902 (היום המקורי של הכתרת אדוארד השביעי ואלכסנדרה), קלווין מונה ליועץ המועצה המלכותית (Privy Councillor) ולאחד החברים הראשונים במסדר ההצטיינות (OM) החדש. הוא קיבל את המסדר מהמלך ב-8 באוגוסט 1902 והושבע כחבר במועצה בארמון בקינגהאם ב-11 באוגוסט 1902. בשנותיו המאוחרות נסע לעיתים קרובות לבית העיר שלו ב-15 איטון פלייס, מחוץ לכיכר איטון בבלגרביה, לונדון.
בנובמבר 1907 הצטנן ומצבו התדרדר עד שנפטר במושבו הכפרי הסקוטי, נתרהול, בלרגס ב-17 בדצמבר. לבקשת מנזר וסטמינסטר, חברת הקבורה Wylie & Lochhead הכינה ארון קבורה מעץ אלון מרופד בעופרת. בערב החורף החשוך יצאה התהלוכה מנתרהול לתחנת הרכבת לרגס, מרחק של כמייל. קהל גדול היה עד למעבר התהלוכה, ובעלי חנויות סגרו את עסקיהם ועמעמו את אורותיהם. ארון הקבורה הונח בואן מיוחד של רכבת המידלנד וגלאזגו ודרום-מערב. הרכבת יצאה בשעה 8:30 בערב לקילמרנוק, שם חובר הואן לאקספרס הלילי לתחנת הרכבת סנט פנקראס בלונדון.
הלווייתו של קלווין הייתה ב-23 בדצמבר 1907. המנזר היה עמוס, כולל נציגים מאוניברסיטת גלאזגו ואוניברסיטת קיימברידג', יחד עם נציגים מצרפת, איטליה, גרמניה, אוסטרו-הונגריה, רוסיה, ארצות הברית, קנדה, אוסטרליה, יפן ומונקו. קברו של קלווין נמצא בספינה הראשית, ליד מסך המקהלה, וקרוב לקבריהם של אייזק ניוטון, ג'ון הרשל וצ'ארלס דרווין. בנו של דרווין, סר ג'ורג' דרווין, היה אחד מנושאי הארון.
אוניברסיטת גלאזגו ערכה טקס זיכרון לקלווין בהיכל בוט (Bute Hall). קלווין היה חבר בכנסייה האפיסקופלית הסקוטית, מחובר לכנסיית סנט קולומבה האפיסקופלית בלרגס, וכשהיה בגלאזגו לכנסיית סנט מרי האפיסקופלית (כיום, קתדרלת סנט מרי, גלאזגו). במקביל להלוויה במנזר וסטמינסטר, נערך טקס בכנסיית סנט קולומבה האפיסקופלית, לרגס, בהשתתפות קהל גדול שכלל מכובדים של העיר.
הלורד קלווין מונצח על קבר משפחת תומסון בנקרופוליס של גלאזגו. לקבר המשפחתי יש אנדרטה מודרנית שנייה, שהוקמה על ידי החברה הפילוסופית המלכותית של גלאזגו, חברה שבה היה נשיא בתקופות 1856–58 ו-1874–77.