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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。
1856年，大西洋海底电缆公司正式组成，资本总额是三十五万英镑。按
照公司章程的规定，公司董事由各个地区的股东选定，在股东还没有分到百
分之十的红利以前，董事没有薪金。苏格兰的股东选聘汤姆生当董事，汤姆
生高兴地同意了。一个人把工作当成了事业，他是不会计较报酬的。青年电
学家盼望的是把自已的理论拿到实际中去应用，在第一条大西洋海底电缆的
工程中显示威力。
无权的董事
本来，凭学识和才能，让汤姆生担任大西洋海底电缆工程的电气工程师
是最合适的。可是，因为他在所有的董事中最年轻，起初没有得到重用。公
司让华特霍斯当了电气工程师。华特霍斯对电学并不精通，主要是靠关系上
去的。如果他能够虚心听取汤姆生的意见，倒也没有什么。但是他喜欢独断
专行，瞎指挥。汤姆生只是一个普通的董事，既无职又无权，他提出的技术
上的好些建议，都被华特霍斯随意否定了。
还有一件糟糕的事情，就是工程开始以后，才发现公司筹委会早就把电
缆说明书交给了承办厂商，而且在制造电缆了。那份说明书是华特霍斯凭主
观想象搞的。汤姆生和总工程师博拉特发现，说明书上的电缆直径比理论要
求小得多，但是要取消合同已经来不及了。因此，第一条大西洋海底电缆的
工程刚一开始，就陷入混乱中。由于当局用错了电气工程师，这项工程的成
功起码要推迟三年。
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为了寻找补救的办法，汤姆生带着他的学生，专门对铜的电阻率进行研
究。多亏他在格拉斯哥大学建立的物理实验室，给研究提供了很大的方便。
汤姆生希望，在没有办法增大直径的情况下，能够找出提高铜线导电率的方
法。他们把当时市场上的各种铜线都买来作了测试，发现它们的电阻率差别
很大，而且只要在铜里加入微量的特定物质，就可以使铜的电阻率减小很多。
根据设计，第一条大西洋海底电缆要用一千二百段铜线焊接起来，每段铜线
长两英里，如果各段铜线的电阻率不一样，就会使整个电缆的电阻率相差太
大。汤姆生及时解决了这个问题，对电缆铜材的规格提出严格要求，并且总
结出一套实用的测量方法，为制造出合格的电缆提供了保证。
当青年电学家把研究结果写成报告交给公司的时候，遭到了华特霍斯的
反对。这个顶头上司硬说自己的设计没有错，并且指责汤姆生好高骛远。承
办厂商也跟着专横的电气工程师，说汤姆生规定的铜材，标准太高，没有办
法达到。
事情关系到公司的命运，在总经理费尔特的支持下，董事会召开联席会
议进行辩论。汤姆生当场列举了通过实验得出的大量事实来说明自己的主
张。最后，他的意见被采纳了，厂商也不得不按照新的技术标准签定合同。
1857年，电缆终于造好了。
沟通欧美大陆的第一条海底电缆就要沉放了，人们都很关心这件事。英
美政府拨出两艘海船，专门供给施工使用。电缆两头的登陆点，是加拿大的
纽芬兰岛和英属爱尔兰岛。这两个岛，一西一东，隔着大西洋，是欧美之间
相距最近的地方。
第一条大西洋海底电缆的铺设，历经了风险、灾祸和失败，整个工程真
可以称得上是人类通信史上的一篇壮丽史诗。
电缆工程开始铺设的时候，电气工程师华特霍斯却借口“身体不舒服”，
拒绝随船出航。董事会请汤姆生来代理他的职务，虽然没有薪金，汤姆生还
①
是答应了。不巧的是，电缆沉放到三百三十海里 的时候，意外地发生断裂，
第一次沉放失败了。就算这次沉放成功，也还存在着信号微弱，接收困难的
问题。
汤姆生没有因为受到挫折就气馁。他对事故进行了分析，找出了电缆断
裂的原因是由于表层机械强度不够，这一点不难解决。关键的问题是怎样接
②
收弱电信号。那时，电子管还没有出现 ，没有电子放大电路，用当时通用的
电报终端机不可能接收电缆终端的信号。青年电学家下了决心：一定要赶快
把灵敏度更高的电报机研制出来！
汤姆生把全副精力都倾注在格拉斯哥实验室里，有很多学生给他当助
手。这个年轻的物理学教授试了很多方案，都没有成功。1857年的秋天和冬
天，他在探索中度过了。
第二年初，一个阳光和煦的日子，汤姆生约了几个朋友到海滨去玩，其
中有赫尔姆霍茨（1821－1894）。赫尔姆霍茨是德国著名物理学家，在电学
和热力学方面都有贡献。他比汤姆生大三岁，但是很钦佩这个才气横溢的朋
友，他曾经对别人说：“我站在他的身旁，常常觉得自己象一只木鸡。”这
一天，他们五六个人接受汤姆生的邀请来到海滨，租了一条游艇。大家兴冲
① 海里是海上的长度单位，一海里等于一千八百五十二米。
② 参看本书最后一篇《给无线电装上心脏的人》。
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冲地上了船，准备开船的时候，忽然发现汤姆生不在了。朋友们寻找了好一
阵，都没有找到他。赫尔姆霍茨扫兴地在甲板上来回踱着步子，另外几个人
坐在一边聊天。后来，赫尔姆霍茨无意中向船舱里望了一下，发现汤姆生正
躲在下面搞他的运算。汤姆生平常总随身带着个笔记本，一有什么新的科学
设想，就立刻记下来。这一天，大约又有什么新的设想了。赫尔姆霍茨看见
汤姆生丢下朋友们不管，又好气又好笑。他从衣袋里取出一面镜子对着太阳，
把阳光反射到这个“逃兵”的脸上。汤姆生正在聚精会神地画着新的电报机，
忽然觉得一个刺眼的亮点在眼前晃动。他抬头看见赫尔姆霍茨的笑脸，才知
道自己得罪了朋友。这个失礼的主人正想站起来赔不是，突然望着赫尔姆霍
茨手里的镜子发呆。紧接着，他狂喜地喊了起来：“成啦！成啦！我的赫尔
姆霍茨！”朋友们还没有弄明白是怎么回事，他就撒腿跑回学校做实验去了。
原来，汤姆生正在为弱信号放大的事发愁，在阳光下反光的镜子启发了他。
镜子只要在手里稍微移动一点，远处的光点就会大幅度地跳动，这不就是一
种放大嘛！根据这个原理，不久以后，汤姆生就发明了镜式电流计电报机，
① ②
并且取得了专利。这种装置，高斯 （1777－1855）和韦伯 （1804－1891）
也设计过，但是都没有达到实用水平。汤姆生发明的这种电报机，灵敏度很
高，给长距离电缆通信提供了实用的终端设备。
万事俱备，只缺东风。汤姆生期待着第二次出征。
劈浪向前
1858年春夏之交，大西洋海底电缆沉放工程再次开始了。华特霍斯又拒
绝出海。汤姆生从大局出发，还是承担了代理电气工程师的工作。他没有职
务，没有薪金，责任却很大。
“亚加墨娜”号海船载着电缆从北美出发，东渡大西洋。汤姆生负责实
验室的工作。不料，海船驶进大西洋的第二天，海上突然起了暴风。汤姆生
他们不顾危险，一面沉放电缆，一面劈浪向前。大风大浪持续了整整一个星
期。近二千公里的电缆绕在甲板上，足有两百多吨重，船在风浪中颠簸得很
厉害，没有多久，电缆就把甲板撞穿一个大洞，海水浸进下面的电气实验室。
电缆也绞在一起，不能顺利沉放。后来，幸亏风浪平息了，船员们才腾出手
来把船抢修好。“亚加墨娜”号在海上搏斗了一个多月，终于在八月三日驶
进爱尔兰。当时汤姆生高兴的心情，就象他父亲当年得知他选上教授的心情
一样，几乎到了发狂的程度。八月五日上午，电缆着陆。下午三点五十五分，
汤姆生拍发出从欧洲到美洲的第一份电报。五分钟以后，美洲一端清晰地收
到了信号。茫茫的大西洋终于被征服了！消息传开以后，大西洋两岸的人们
都感到欢欣鼓舞。
汤姆生为大西洋海底电缆的制造和铺设建立了特大的功勋，受到人们热
烈赞扬。他在海上表现出的坚定和沉着，更是赢得了很多人的尊敬。但是，
他所有的工作都是义务的，没有报酬。就连电流计式电报机，也是他自己花
钱研制的。而且，他在“亚加墨娜”号尽管是电气总指挥，但是大功告成以
后，登陆上岸，他的“将印”就被华特霍斯收回去了。
① 高斯，德国著名数学家、物理学家和天文学家，在不少科学领域里有重大贡献。
② 韦伯，德国物理学家，曾经同高斯合作，建立了电磁学中的高斯单位制。
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狂妄自大的华特霍斯擅自决定把汤姆生的电流式电报机取下来，换上了
他自己设计的终端机。可是他设计的装置，根本收不到弱电信号，整整一个
星期，第一条大西洋海底电缆连一条消息都没有传递过。这个事故，使公司
董事和英美两国舆论界大为惊异。经过调查，才知道是华特霍斯的装置引起
的。公司责成他换上了汤姆生的终端装置。八月十三日，大西洋海底电缆终
于正式通报。但是，由于华特霍斯只换了一部份装置，英国女王一封不到一
百字的电报，竟用了十六个多小时才传到纽芬兰岛，而对方拍回来的电报却
只用了六十多分钟，因为美洲终端一直采用汤姆生的装置。
在铁的事实面前，华特霍斯被撤了职。汤姆生正式成为公司的电气工程
师。汤姆生为人宽宏大量。他虽然取得了胜利，却并没有全盘否定前任的工
作，还说华特霍斯在使公众相信大西洋海底电缆可能铺成这方面，是有贡献
的。
科学的道路总是不平坦的。第一条大西洋海底电缆使用一个月以后，发
生了严重的故障，信号变得模糊不清。又过了两个星期，电缆完全损坏，刚
建立的横跨大西洋的通信中断了。公众反映十分强烈，出现了各种各样的批
评。汤姆生他们经过一番努力，发现是电缆的制造不合要求，绝缘层抗腐蚀
性能太差，电缆在海水里浸泡一段时间以后就开始漏电，有�