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数学家传记

约瑟夫·斯特凡Josef Stefan

出生
1835年3月24日 奥地利克拉根福附近圣彼得
逝世
1893年1月7日 奥地利维也纳

约瑟夫·斯特凡是一位奥地利物理学家、数学家和诗人。

完整传记

约瑟夫·斯特凡的父母虽然住在奥匈帝国(今奥地利)克拉根福附近,却是斯洛文尼亚裔,讲斯洛文尼亚语。他的父亲Ales 斯特凡(1805-1872)是磨坊主和面包师。斯特凡的母亲Marija Startinik(1815-1863)受雇为女仆。他们两人都不识字,也没有结婚。斯特凡在克拉根福上小学时就显露出才华,他表现出既有愿望又有能力在老师推荐的文理中学中取得好成绩。然而,作为一个私生子,他不被允许上文理中学,所以当他十一岁时,他的父母结了婚,给斯特凡接受良好教育的机会。斯特凡于1846年进入克拉根福的文理中学。

1848年3月13日,即斯特凡十三岁生日前十一日,奥地利爆发了一场革命。这场革命是由同年二月的巴黎革命引发的。人们寻求基本自由,但国家分裂,革命和反革命团体争夺权力。斯特凡正处于易受影响的年龄,革命使他更加意识到各种族群和他自己的斯洛文尼亚血统。他的反应是写斯洛文尼亚诗歌并发表。他的诗歌涉及科学主题,有时激烈爱国,有时则浪漫。1853年,他作为班上顶尖学生完成了文理中学的学业,尽管他有多种兴趣可以在大学学习,但他相当确定数学和物理适合他。他曾考虑加入本笃会一段时间,但很快放弃了这一想法。

斯特凡于1853年进入维也纳大学。四年后,他毕业并获得数学和物理学位。在整个学生时代,他继续写斯洛文尼亚诗歌和散文,但在受到斯洛文尼亚文学专家的批评后,他在从维也纳大学毕业前后放弃了这一爱好。接下来的一年,他为药学学生教授物理,然后接受了卡尔·路德维希在维也纳大学生理研究所的职位。在这里,他进行了水通过管道流动的实验工作。在此期间,他准备habilitate,并于1858年完成。1858年被任命为维也纳大学数学物理讲师,1860年当选为奥地利科学院会士,1863年成为维也纳大学教授。1866年,他成为维也纳物理研究所所长。该研究所由克里斯蒂安·多普勒于1850年创立。

他在维也纳大学的职业生涯包括在1869-70年担任哲学学院院长,并在1876-77年担任校长。我们注意到他在1860年当选为奥地利科学院。他于1865年成为正式成员,从1875年起担任科学院数学科学部的秘书,并从1885年起担任科学院副院长,直到去世。

斯特凡开始的研究计划范围广泛,涉及多个不同领域。他非常钦佩詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的贡献,并在使他的工作在欧洲大陆为人所知方面发挥了重要作用。正是在詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的论文中,他看到了以下内容:-

几乎不可能通过直接实验来确定气体的电导率值,因为从容器侧面辐射的热量将远远大于通过空气传导的热量,即使可以完全阻止电流。

当然,詹姆斯·克拉克·麦克斯韦关于困难的看法是正确的,但斯特凡是一个迎接挑战的人,尤其是在设计被认为几乎不可能的实验中。斯特凡推理说,需要一种新仪器来确定空气的热导率,于是他着手设计了一种他称之为透热计的仪器,并在他的论文Untersuchung über die Wärmeleitung in Gasen, Erste Abhandlung(爱德华·斯图迪论气体中的热传导,第一论)(1872)中进行了描述。有了这个,他能够找到空气热导率的值,误差仅约为10%。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦,以及同样研究过这个问题的鲁道夫·克劳修斯,已经推断出热导率应该与气体的压力无关,而斯特凡能够通过实验验证这一点。他接着找到了氢、一氧化二氮、甲烷、一氧化碳和二氧化碳的热导率,并在Untersuchung über die Wärmeleitung in Gasen, Zweite Abhandlung(斯图迪论气体中的热传导,第二论)(1875)中展示了结果。

斯特凡在1879年通过经验表明,黑体的总辐射与其绝对温度的四次方成正比。这是他最著名的结果,正是我们上面描述的工作使他能够进行下一项研究。事实上,他是通过廷德尔在1865年一本书中产生的数据得出这个结果的。廷德尔测量了由电流加热的铂丝的辐射。斯特凡使用廷德尔的数据,在Über die Beziehung zwischen der Wärmestrahlung und der Temperatur(论热辐射与温度的关系)(1879)中写道:-

从微弱的红热(约525°C)到完全白热(约1200°C),辐射强度从10.4增加到122,因此几乎增加了十二倍(更精确地说是11.7倍)。这一观察使我取热辐射与绝对温度的四次方成正比。绝对温度273 + 1200和273 + 525的四次方之比给出11.6。

斯特凡随后用它确定了太阳表面的近似温度。路德维希·玻尔兹曼是斯特凡的学生之一,他在1884年证明了这个斯特凡-路德维希·玻尔兹曼定律可以用数学方法加以论证。

在这项工作之后,斯特凡研究了极地冰盖问题。几艘船试图寻找西北航道,并在这样做时在冬季被困在极地冰中。船上的科学家记录了空气温度和冰的生长。斯特凡意识到这是他一直在研究的问题的一个变体。这个问题涉及热量跨越移动边界的传递,而不是跨越固定边界的传递。他在Über die Theorie der Eisbildung, insbesondere über die Eisbildung im Polarmeere (论冰的形成理论,特别是极地海洋中的冰)(1889)中展示了他的结果。

斯特凡的其他工作包括表面张力和蒸发的研究,在此期间他提出了今天所谓的‘斯特凡数’和‘斯特凡定律’。他还进行了交流电的研究,研究线圈的感应系数。他广泛的主题范围可以通过指出他还对光学做出了重要贡献来说明,在艾萨克·牛顿的实验中发现了次级环。

斯特凡的一生完全献给了科学。他常常睡在实验室里,有时会在实验室里一连待上好几天而不出来。当然,如此全身心地投入工作,斯特凡几乎没有时间结交朋友,也几乎没有什么社交生活。然而,他受到学生们的喜爱,他们觉得他是一位出色的教师,能够激发他们对物理学的热情。尽管他作为研究者的最大长处在于实验方面,但他同时也是一位杰出的数学家,在理论方面也能展现出洞察力。他最著名的学生路德维希·玻尔兹曼这样评价他(例如见[5]):——

他运用高等数学的工具,并且懂得如何把最艰深的发展以最清晰、最明白的形式呈现出来,而无需诉诸数学形式主义。……[他]从不试图炫耀[自己的]智力优越。[他]令人振奋的幽默把最困难的讨论变成学生的一场有趣游戏,这给我留下了极其深刻的印象。

路德维希·玻尔兹曼描绘了一幅美妙的研究环境的图景:——

没有什么能减损[斯特凡]品格的卓越,[他]对年轻学者施展的魔力。那种魔力只能亲身感受。[这种体验]作为严肃而富有灵感的实验活动的象征,伴随了我一生。

斯特凡一生中大部分时间未婚,他太专注于自己的职业,没有空间留给妻子或家庭。然而,1891年,当他56岁时,他娶了寡妇Marija Neumann。婚后他只活了一年多一点,便因中风去世。他被安葬在维也纳的中央公墓。

参考文献

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