James Prescott Joule

Xin chào, tên tôi là James Prescott Joule. Tôi sinh ngày 24 tháng 12 năm 1818, tại Salford, Anh, một thị trấn nhộn nhịp trong cuộc Cách mạng Công nghiệp. Gia đình tôi sở hữu một nhà máy bia lớn, và đối với một cậu bé tò mò như tôi, đó là một nơi hấp dẫn với đầy những đường ống, bánh răng và động cơ hơi nước. Giống như có một sân chơi khoa học khổng lồ ngay trong sân sau nhà mình vậy! Do một vài vấn đề về sức khỏe khi còn nhỏ, tôi không đến trường học chính quy. Thay vào đó, tôi được giáo dục tại nhà. Điều này cho tôi sự tự do để dành vô số giờ đọc sách, đặt câu hỏi về cách thế giới vận hành, và mày mò với bất kỳ máy móc hay thiết bị nào tôi có thể tìm thấy quanh nhà máy bia. Sự tự do khám phá những điều tò mò từ sớm này đã đặt nền móng cho toàn bộ sự nghiệp của cuộc đời tôi.

Khi tôi còn là một thiếu niên, vào khoảng năm 1834, cha tôi đã sắp xếp cho anh trai tôi và tôi được dạy dỗ bởi một trong những bộ óc lỗi lạc nhất thời bấy giờ, nhà khoa học John Dalton. Đó là một cơ hội không thể tin được. Thầy Dalton đã dạy chúng tôi toán học và hóa học, nhưng quan trọng nhất, thầy đã khắc sâu trong tôi sự cần thiết tuyệt đối của việc đo lường chính xác và cẩn thận trong bất kỳ cuộc điều tra khoa học nào. Tôi hoàn toàn bị mê hoặc bởi thuyết nguyên tử của thầy, ý tưởng rằng mọi vật chất đều được tạo thành từ những nguyên tử nhỏ bé. Sự dìu dắt của thầy là một nguồn cảm hứng lớn, và nó đã thúc đẩy tôi bắt đầu những thí nghiệm nghiêm túc của riêng mình. Dự án lớn đầu tiên của tôi là một nỗ lực cải tiến nhà máy bia của gia đình bằng cách thay thế những động cơ hơi nước cũ kỹ, kém hiệu quả bằng công nghệ mới đầy thú vị của động cơ điện.

Công việc của tôi với động cơ điện đã dẫn đến khám phá quan trọng đầu tiên. Vào khoảng năm 1840, tôi đã thiết lập một mối quan hệ toán học rõ ràng giữa lượng dòng điện chạy qua một sợi dây và lượng nhiệt mà nó tạo ra. Ngày nay, điều này được biết đến là định luật đầu tiên của Joule. Phát hiện này khiến tôi suy nghĩ sâu sắc về bản chất của chính nhiệt. Vào thời điểm đó, hầu hết các nhà khoa học tin rằng nhiệt là một chất lỏng vô hình, không trọng lượng gọi là 'caloric' chảy từ vật nóng sang vật lạnh. Tuy nhiên, các thí nghiệm của tôi lại cho thấy một điều khác. Tôi bắt đầu tin rằng nhiệt hoàn toàn không phải là một chất, mà là một dạng năng lượng. Tôi bị thuyết phục rằng công, điện và nhiệt đều chỉ là các dạng khác nhau của cùng một thứ: năng lượng. Tôi đã dành nhiều năm tiếp theo để thiết kế các thí nghiệm nhằm chứng minh rằng bạn có thể chuyển đổi một dạng năng lượng này sang dạng khác, nhưng tổng lượng năng lượng sẽ luôn được bảo toàn—nó không bao giờ có thể bị mất đi.

Để chứng minh lý thuyết của mình, tôi đã bắt đầu loạt thí nghiệm nổi tiếng nhất của mình, được tôi tiến hành một cách tỉ mỉ từ năm 1843 đến năm 1847. Thiết bị, mà tôi đã tinh chỉnh nhiều lần, được gọi là thí nghiệm bánh xe guồng nước. Hãy tưởng tượng một bình chứa nước lớn, được cách nhiệt. Bên trong có một bánh xe guồng nước được nối bằng dây và ròng rọc với một quả cân. Khi tôi để quả cân rơi xuống, nó làm quay bánh xe guồng nước, khuấy động nước. Nhiệm vụ của tôi là đo lường mọi thứ với độ chính xác cực cao. Tôi đã đo khoảng cách chính xác mà quả cân rơi để tính toán lượng công cơ học đã thực hiện. Sau đó, bằng cách sử dụng một nhiệt kế rất nhạy, tôi đã đo sự gia tăng nhỏ về nhiệt độ của nước. Sau vô số lần thử nghiệm, tôi đã chứng minh rằng một lượng công cơ học cụ thể luôn tạo ra cùng một lượng nhiệt chính xác. Khám phá này đã thiết lập nên cái gọi là 'tương đương cơ học của nhiệt,' và nó là một bằng chứng quan trọng cho định luật bảo toàn năng lượng.

Bất chấp sự chính xác của các kết quả của tôi, cộng đồng khoa học đã có uy tín lại chậm chạp trong việc chấp nhận các ý tưởng của tôi. Nhiều người xem tôi chỉ là 'một người nấu bia,' một người nghiệp dư làm việc bên ngoài thế giới chính thức của các trường đại học và viện hàn lâm. Họ thấy khó tin rằng một người không có nền tảng học thuật truyền thống lại có thể thách thức một lý thuyết đã được giữ vững từ lâu như caloric. Nhưng tôi đã kiên trì. Một bước ngoặt đến vào khoảng năm 1852 khi tôi bắt đầu hợp tác với nhà vật lý lỗi lạc William Thomson, người sau này được biết đến với tên gọi Lord Kelvin. Ông đã hiểu được tầm quan trọng của công việc của tôi. Cùng nhau, chúng tôi đã nghiên cứu điều gì xảy ra với nhiệt độ của một chất khí khi nó giãn nở, một hiện tượng ngày nay được gọi là hiệu ứng Joule-Thomson. Sự ủng hộ uy tín của ông và công trình chung của chúng tôi đã giúp các phát hiện của tôi nhận được sự chấp nhận mà chúng xứng đáng có. Sự hợp tác của chúng tôi đã giúp đặt nền móng vững chắc cho cái mà ngày nay được gọi là định luật đầu tiên của nhiệt động lực học: năng lượng không thể được tạo ra hay phá hủy.

Nhìn lại, cuộc đời tôi là một hành trình của sự tò mò và chính xác. Một vinh dự lớn đã đến vào năm 1850 khi tôi được bầu làm Viện sĩ của Hội Hoàng gia, cơ quan khoa học uy tín nhất ở Anh. Tôi đã sống đến 70 tuổi, qua đời vào năm 1889. Tôi tự hào rằng công việc của mình đã giúp thay đổi cơ bản sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ, cho thấy rằng năng lượng là một hằng số chỉ đơn thuần thay đổi hình thức của nó. Có lẽ sự tôn vinh lớn nhất đối với công việc của tôi là khi các nhà khoa học và sinh viên đo lường năng lượng ngày nay, họ sử dụng một đơn vị được đặt theo tên tôi để vinh danh: 'joule'. Đó là một di sản tuyệt vời khi biết rằng tên của tôi mãi mãi gắn liền với chính khái niệm mà tôi đã dành cả đời để khám phá.