威廉·湯姆森（William Thomson）1824年6月26日出生在愛爾蘭貝爾法斯特，作為數學家的兒子，威廉和其他6個哥哥姐姐從小就接受了嚴苛的學術訓練。
威廉八歲那年，他的父親被任命為格拉斯哥大學數學系主任，威廉也因為數學方面過人的天賦和領悟力，得到了重點培養，10歲正式進入格拉斯哥大學學習。在接下來的五年中，威廉的研究涉及天文、化學、物理、數學等多個領域，對熱、電、電磁尤為感興趣。
畢業後的湯姆森前往法國巴黎，那裡從17世紀起就代表著歐洲數學的最高水平。湯姆森通過在亨利·維克託·勒尼奧（Henri Victor Regnault）物理實驗室的工作，結識了天文學家畢奧、物理學家柯西、數學家劉維爾、斯圖姆等等。
在劉維爾的引導下，湯姆森開始研究法拉第、庫倫和泊松在電學理論上的思想，從而研究物理科學的方法論。在法國待了1年之後，湯姆森收到父親的來信，信中說他已經推選湯姆森為格拉斯哥大學自然哲學（即物理學）教授，湯姆森隨即返回格拉斯哥，開始了其長達53年的教授生涯。這一年，湯姆森22歲。
身份的轉變也伴隨著研究方向的轉變，他開始與斯託克斯合作，進行流體力學的研究，這成為他一生最愛的研究領域，斯託克斯也成為他終生的摯友，兩人用書信交換學術意見長達50年之久，其中有很多關於熱力學和流力學理論的討論。
對於熱力學的研究，還讓湯姆森在熱力學第二定律的基礎上，提出了熱力學溫標，這是一種與測溫物屬性質無關的理論溫標，是國際單位制的七個基本物理量之一。1852年，湯姆森觀察到了如今所謂的「焦耳-湯姆森效應」，即氣體在真空中膨脹時溫度的降低，這一發現被廣泛應用於製造低溫的相關技術中。
在電磁學領域，湯姆森發明了電像法，用數學公式將磁力和電力統一，用計算進行電磁場性質的探討。在電測量儀器方面，他改進了電動機，發明了鏡式電流計、虹吸記錄儀。在渦輪理論方面，他發明了磁羅盤、水深探測儀，使之成為英國皇家海軍的必備。
有人說，在湯姆森職業生涯的前半段，他基本沒有錯誤的看法和認識，但是進入後半段，卻突然出現了一些問題。比如，湯姆森拒絕接受原子理論，反對達爾文，錯誤的估算地球和太陽的年齡，反對盧瑟福放射性思想。但是這並不影響他在改進物理儀器和改進教學制度方面的貢獻。
從1855年到1865年的十年間，湯姆森與一群工業家合作，參與了一項在愛爾蘭和紐芬蘭之間鋪設海底電纜的項目。他既是董事會的成員，也是學術顧問。原本的電纜太長導致傳遞的信號極弱，湯姆森對其進行了改進。經過三次失敗的嘗試，最終使用鏡面電流計完成了成功鋪設，並在實踐中證明了這種鋪設方法可以快速傳輸信號。由於湯姆森在這項電纜鋪設項目上的貢獻，他於1866年被封為爵士，並於1892年被授予開爾文勳爵。
湯姆森作為教授，他在上課時「很容易與他所講的主題一起發散，這使得學生有時很難理解他所說的內容，也無法理解沉醉其中的湯姆森所表現出的激情。」但作為校長，湯姆森很得學生喜歡，他將實驗列為學位課程，還通過提供現金和實物來獎勵最為優秀的學生，被授予者由學生組織進行投票選出。
湯姆森一生發表了600多篇論文，著作頗豐。1900年，他在一次物理學報告中發表了題為《在熱和光動力理論上空的19世紀烏雲》的開幕演講，在演講中他提出：「力學理論斷言，熱和光都是運動的形式。但是現在它被兩朵烏雲遮住了，第一朵出現在黑體輻射實驗和理論的不一致，第二朵出現在關於能量均分的麥克斯韋——玻爾茲曼理論上。」正是這「兩朵烏雲」，醞釀出了量子力學和相對論。
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