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假使我能够把固体对电磁和电流有关系的状态重新做一番更特殊的考
察，我就会超出现在所知道的范围，不过那是以后的事了。可惜他后来再也
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没有做这方面的工作。因此，建立电磁理论的桂冠，就只好让麦克斯韦来戴
了。当然，汤姆生的功绩也不可否认：第一，是他作了开拓性的工作；第二，
是他把自己的思想毫无保留地告诉了麦克斯韦。这是汤姆生很伟大的地方。
汤姆生没有能够把电磁理论的研究进行到底，客观上还有个原因，就是
他没有能够及时得到法拉第的指导。1847年夏天，汤姆生曾经把自己的论文
抄寄给法拉第。他在信里是这样写的：
亲爱的法拉第先生：
以前，我向你提到过一个问题，那就是用解释弹性体中“应
力”分布的方法来解释电力和磁力之间相同的情况。现在我写了
一篇论文，只从数学上论述了电力和磁力相同的地方。还不敢说
这就是关于电力和磁力分布的理论。假如够得上称做理论，它也
只是说明了电力和磁力之间存在着必然的联系，说明了吸铁石或
者有电流通过的导体，都会产生绝对静止的磁性现象。如果这个
理论能够成立，把它同光的波动理论联系起来，就完全可以解释
磁性使光发生极化现象的效应了。
论文随信附上。
信中的精辟见解，在今天看来也是令人惊叹的。因为当时除了法拉第以
外，还没有第二个人把电磁现象和光波联系起来。可惜的是，汤姆生没有得
到法拉第的回信，在关键时刻没有得到宝贵的指导。
正当汤姆生在电磁理论的边缘徘徊的时候，他遇到了焦耳。跟这位大物
理学家结识以后，他的兴趣被引上了另一条道路——热力学的研究。一位英
国传记作家在《汤姆生传》中
饶有风趣地写着：
说来也怪有趣的，汤姆生在年轻的时候就碰到了两个大名鼎
鼎的实验家：法拉第和焦耳，可是后来只同其中的一个成了要好
的朋友。
传记里说的“其中的一个”，指的就是焦耳。
汤姆生和焦耳的相遇，是很富有戏剧性的。1845年在剑桥大学举行的英
国科学协会的会议，焦耳也参加了。他在会上还作了关于热功当量的报告。
但是那次开会，汤姆生没有能够同他结识。焦耳在1841年发现了电流通过导
① ②
体发热的定律 ，1843年又通过实验测定了热功当量 ，为建立能量转换和守
恒定律提供了重要的实验根据，这在物理学上是个了不起的发现。但是，当
时人们抱着成见，还不理解焦耳工作的意义，皇家学会也拒绝发表他的论文。
1847年，在牛津大学召开的英国科学协会的会上，焦耳再次宣讲自己的
理论。这位不屈不挠的实验家，面对怀疑和非难，坚定地声称各种形式的能
都可以定量地互相转化，比如机械能可以定量地转化成热能。当时，著名的
热力学家都认为这种转化是不可能的。汤姆生也出席了这次会议，他起初打
① 1841 年，焦耳发现电流在一段导体中产生的热量，跟电流强度的平方、这一段导体的电阻和通电时间三
者的乘积成正比。1842 年，俄国科学家楞次 （1804－1865）也独立地发现了这个定律，后来就称做“焦耳
…楞次定律”。
② 相当于单位热量的功的数量，叫做热功当量，焦耳用精密的实验测定并且证实了热功当量是一个常数：
J=427 公斤·米/千卡。
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算等焦耳讲完以后马上站起来反驳，但是，听完讲演就完全明白了焦耳的学
说里包含着真理。会后，他同焦耳亲切地交谈起来，焦耳深深感到是遇见了
知音。当时，焦耳是二十九岁，汤姆生才二十三岁。后来，他们成了莫逆之
交。在焦耳的鼓励下，汤姆生把注意力转到了热力学研究方面。结果，他的
天才在电磁学领域里没有充分显示出来，却在热力学的领域里显示出来了。
第二年，他提出了绝对温标。在热力学的理论上，他也做出了相当大的贡献。
汤姆生还同焦耳合作，发现了著名的汤姆生…焦耳效应（被压缩的气体通过窄
孔，进入大容器以后，就膨胀降温）。这个效应，为近代低温工程奠定了重
要基础。
海底电缆通信理论
汤姆生结识焦耳以后，就把大部分精力放到了热力学的研究上。转眼之
间，几年过去了。在这几年里，他在格拉斯哥大学创建了英国第一所物理实
验室，吸引了不少学生。后来，这所实验室成了他的基地。同时，他的家庭
生活也发生了很大变化。1849年，他父亲患病去世了。这位老教授在世的时
候对儿子要求很严格，亲眼看见爱子成器，临死的时候内心是满意的。老汤
姆生对英国教育也有贡献。在他去世以后，苏格兰的学校仍旧采用他编的教
科书。据说，他编的有些教科书再版了将近一百次。父亲去世三年以后，汤
姆生成了家。妻子体弱多病，汤姆生一直对她体贴入微，细心照料，花了不
少时间。
1853年，二十九岁的汤姆生在热力学研究方面取得了成就以后，才回过
头来再一次对电磁学进行探索性的研究。他用很精确的实验，证明了莱顿瓶
放电具有振荡性质。实际上这是发现电磁波的前兆，真理就在眼前，只不过
汤姆生没有充分意识到这一点罢了。汤姆生还用数学方法推导出电振荡过程
的方程和振荡频率的公式。
同年，他发表了《瞬间电流》这篇论文。这不但是汤姆生一生中最出色
的一篇论文，而且也是电磁学史上光采夺目的篇章。在这篇论文里，他指出
带电体的放电有两种，一种是连续放电，一种是振荡放电。如果是振荡放电，
就会形成这样一种情况：“主要导体最先失去它的电荷，然后得到比起初稍
小而正负相反的电荷，这样循环下去一直到无限，而后达到平衡。”
他还认为，如果放电频率太高 （电火花爆发太快），肉眼不能判断，就
可以用惠斯登的“转镜法”来观测（六年以后，另一位科学家证实了这点）。
但是，汤姆生没有继续研究下去。第二年，他收到剑桥大学年轻的毕业生麦
克斯韦向他求教怎样研究电磁的来信。汤姆生毫无保留地把自己研究的成果
告诉了他。后来，麦克斯韦沿着汤姆生开辟的道路一直走下去，终于完成了
汤姆生没有完成的事业。
汤姆生为什么没有坚持到底，有种种原因。最主要的，是当时有项举世
瞩目的工程——铺设第一条大西洋海底电缆，把他吸引住了。汤姆生不是法
拉第那样的实验科学家，由于各人的经历、性格、受到的教育和所处的环境
不同，因此，他身上更多地具有工程师的气质，对于实际的应用工程更有兴
趣。这种倾向，在他三十岁以后更加明显。他的“三十而立”，可以说完全
立在工程界了，尽管他一直是格拉斯哥大学的教授。
从莫尔斯发明电报以后，不到二十年，电报这种新型通信方式已经在世
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界上流行起来。当时无线电还没有发明，莫尔斯电报只能进行有线传送，只
能在陆地上使用，称做陆地电报。随着资本主义的发展，英国和欧洲大陆以
及欧美两地之间传统的利用邮船通信的方式，已经远远不能满足需要，于是
制造和铺设海底电缆成了最迫切的任务。1850年，在英法之间的多佛尔海峡
铺设了最早的海底电缆，但是，它比较短。要制造和铺设几千公里长的海底
电缆，工程就艰巨多了，因为有很多理论上和技术上的问题需要解决。
1854年，也就是汤姆生发表《瞬间电流》的第二年，一个叫克拉克的科
技人员发现了信号延迟现象，也就是信号通过海底电缆的时候，收报比发报
要滞后一定时间。他不能解释这种现象。
汤姆生知道这件事情以后，怀着极大的兴趣进行了研究。他意识到这个
问题是铺设长距离海底电缆成败的关键。因为电缆越长，信号延迟时间也越
长，而且衰减和失真（从脉冲波变成钟形波）也就越厉害。甚至会不能正常
传递电报。经过整整一年的系统研究，汤姆生提出了关于海底电缆信号传递
衰减的理论，解决了铺设长距离海底电缆的重大理论问题。这使他在还没有
肩负铺设大西洋海底电缆重任以前，就已经成了这个工程的奠基人。那时，
他刚三十一岁。一个有趣的巧合是，后来麦克斯韦提出电磁理论是三十一岁，
赫兹 （1857－1894）证实电磁波的存在也是三十一岁。
1855年，汤姆生发表了信号传输理论的论文。它系统地分析了海底电缆
信号的衰减原因，并且指出，由于海水是导体，包着绝缘层的海底电缆同海
水组成了一个电容器，这就使信号传递有个充放电的过渡过程。如果增大铜
线截面面积来减小电阻，加厚绝缘层来减小分布电容，而且使用小电流，就
能够使信号的延滞降低到最小限度。这个理论成了后来设计海底电缆通信工
程的重要理论根据。
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