윌리엄의 아버지는 그가 가장 좋아하는 아들의 교육을 위해 넉넉한 준비를 할 수 있었고, 1841년에 그를 케임브리지의 피터하우스에 설치했다. 1845년 톰슨은 제2 랭글러로 졸업했다. 그는 또한 세쌍둥이와는 달리 독창적인 연구의 시험대인 퍼스트 스미스 상을 수상했다. 심사관 중 한 명인 로버트 레슬리 엘리스는 다른 심사관에게 "당신과 나는 그의 펜을 수리할 준비가 되어 있다"고 선언했다고 한다  케임브리지 대학교에 재학하는 동안 톰슨은 1843년 콜쿤 스컬스에서 우승하며 스포츠, 육상, 스컬 분야에서 활약하였다. 그는 고전, 음악, 문학에도 적극적인 관심을 기울였지만, 그의 지적 삶의 진정한 사랑은 과학을 추구하는 것이었다. 수학, 물리학, 특히 전기에 대한 연구는 그의 상상력을 사로잡았다.  1845년 그는 패러데이의 전기 유도가 이해할 수 없는 "멀리 떨어진 곳에서의 작용"에 의해서가 아니라 중간 매개체, 즉 "유전체"를 통해서 일어난다는 아이디어를 최초로 수학적으로 발전시켰다. 그는 또한 전기 영상의 수학적 기법을 고안했는데, 이것은 정지 상태에서 전하를 띤 물체들 사이의 힘을 다루는 과학인 정전기의 문제를 해결하는 데 강력한 작용제가 되었다. 패러데이가 1845년 9월에 연구를 시작한 것은 그의 격려에 대한 반응으로 빛과 자기 현상이 연관되어 있다는 패러데이 효과가 발견되었다.  그는 세인트의 동료로 선출되었다. 1845년 6월 피터하우스(Peter's house)라는 이름으로 불렸다. 1846년 그는 파리에 있는 앙리 빅토르 레그노의 연구실에서 잠시 시간을 보냈으나, 1846년 그는 글래스고 대학교의 자연철학 교수로 임명되었다. 22세에 그는 미국에서 가장 오래된 대학 중 하나에서 학식 있는 교수의 가운을 입고 몇 년 전에 1학년이었지만 강의를 했던 자신을 발견했다.
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