物理群星
约瑟夫·斯特藩 肖像

图:佚名,1893 年刊于《维也纳帝国科学院年鉴》的肖像版画(公有领域,维基共享资源)

约瑟夫·斯特藩

Josef Stefan

1835–1893 · 生于奥地利帝国克恩滕,克拉根福近郊圣彼得 · 奥地利

热学与统计电磁学

从别人的旧数据里读出「热辐射正比于温度四次方」,又教出了玻尔兹曼的维也纳物理学家

「高温下的热辐射观测本来就很少,结果——尤其是温度的测定——又很不可靠,恐怕不适合用来对一个假说作决定性的检验。」

—— 斯特藩 1879 年论文《论热辐射与温度的关系》第 420–421 页,本站据德文原文译;他写下这句话时,正要引出启发他的那组铂丝数据

1879 年 3 月 20 日,维也纳帝国科学院的秘书在例会上宣读了一篇自己写的论文。论文里几乎没有新实验:他把杜隆与珀蒂六十年前的冷却数据、丁达尔的铂丝数据、德雷珀和埃里克森的测量一组组拿出来重算,最后写下一句话——物体辐射出的热量,与它绝对温度的四次方成正比。

这位秘书叫约瑟夫·斯特藩。五年后,他的学生玻尔兹曼从理论上证明了这条定律;它成了黑体辐射问题的第一个定量台阶,今天叫斯特藩-玻尔兹曼定律。

克恩滕的穷孩子

斯特藩 1835 年 3 月 24 日生于克拉根福近郊的圣彼得,那里当时属奥地利帝国克恩滕公国。据《斯洛文尼亚人物传记辞典》,他的母亲 Marija Startinik 直到 1844 年 8 月才与他的父亲 Aleš Stefan 正式成婚,他此后才随父姓;中学的学籍册上,他被登记为「生为斯洛文尼亚人」。德语的《德意志人物总传》说他的父母「非常贫穷」。

他在克拉根福读完小学与文理中学,七、八年级都是全年级第一,物理老师是斯洛文尼亚人 Karel Robida。1848 年起,学校为斯洛文尼亚学生开设母语课,任课的是 Anton Janežič。据《斯洛文尼亚人物传记辞典》,他写诗的冲动来自歌德,也受到 Stifter 与斯洛文尼亚诗人 Levstik 的影响。

用斯洛文尼亚语写诗的少年

中学的斯洛文尼亚学生办了一份刊物,他的处女作就登在上面。此后几年,他的抒情诗、爱国诗、从俄语与捷克语翻译的民歌,陆续出现在卢布尔雅那与克拉根福的斯洛文尼亚语杂志上;他还写过游记《塞尔维亚剪影》,以及《海绵》《我们呼吸的空气》《蓝天》这样的科普短文。《斯洛文尼亚人物传记辞典》的评价是:在当时一批年轻作者里他年纪最小,却最有天分。

但到了 1855 年,他得出结论说自己「什么也没写出来」,决定不再以文学为业。1859 年以后,再没有他的斯洛文尼亚语作品。1859 年他在一篇文字里感叹:自己站在斯洛文尼亚读者面前,背着「一筐德国学问,握着一把斯洛文尼亚词」。他的一首《夜露》,1891 年还被误当作 Levstik 的作品,收进了 Levstik 的文集。

维也纳:从实科学校教师到研究所所长

1853 年,斯特藩进入维也纳大学,跟随 Petzval 与 Ettingshausen 学数学和物理。1857 年他已在大学给药学学生讲实验物理,同年通过教师资格考试,到一所私立实科学校教书;1858 年获博士学位并取得讲师资格。1860 年,二十五岁的他成了帝国科学院的通讯院士;1863 年升任正教授。Ettingshausen 退休后,他接掌维也纳大学物理研究所(《斯洛文尼亚人物传记辞典》记作 1865 年,一般记作 1866 年),一直做到去世。

研究所当时挤在维也纳埃德贝格区的一处简陋房舍里。1866 年,玻尔兹曼在这里获得博士学位。多年后玻尔兹曼回忆,他与斯特藩熟络起来之后,斯特藩做的第一件事,是把麦克斯韦的论文塞到他手里,又因为他「一个英语词也不懂」,外加一本英语语法书。

让空气「导热」

一团静止的气体到底能不能导热、导多少,在 1870 年前后是一桩悬案。气体导热太弱,一点对流就能把它盖住——柏林的 Magnus 做过这项测量,有几次甚至算出空气的导热系数是负的。而麦克斯韦的气体动理论预言了一件违反直觉的事:气体的导热本领与压强无关。

斯特藩用来解决它的仪器,玻尔兹曼称为「简单得不可思议」。他管它叫「透热温度计」:一个双层壁的圆筒,内筒本身就是温度计,两壁之间是一薄层被测气体。把它加热后埋进冰里,看内筒降温有多快。热量既靠气体传导,也靠辐射散出;他换用不同厚度的夹层来测——传导的部分随层厚而变,辐射的不变——两者就分开了。1872 年的结果:空气确实能导热,据《德意志人物总传》,铜的导热本领约为空气的两万倍;他还用一个实验证实了导热与压强无关,正如麦克斯韦所料。到 1879 年,他已把这项检验做到从两个大气压一直降到 4 毫米汞柱,导热系数始终不变。

玻尔兹曼还提到一个副产品:斯特藩用这台仪器发现,羊毛织物的导热与空气差不多——衣服保暖,靠的不是纤维本身导热差,而是纤维之间关住的空气不流动。

杜隆与珀蒂的「真空」里还有空气

气体导热的研究,直接把他引向了热辐射。

1817 年,杜隆与珀蒂把温度计放进抽成近乎真空的铜球里,测它冷却有多快,得出辐射随温度按指数增长的经验公式。它只在 0 到 280 °C 之间测过,却被推广到远高得多的温度,普耶还用它推算太阳温度,只得到一千四百多到一千七百多度。

斯特藩 1879 年的论文从这里下刀。杜隆与珀蒂的铜球里还剩 2 到 3 毫米汞柱的空气,他们在较高气压下测出空气的冷却作用,再按气压外推到 2 毫米,当作可以忽略的小量扣掉。可斯特藩自己刚证明过:空气的导热与压强无关,2 毫米的稀薄空气导热与一个大气压下一样多。气压外推扣掉的只是对流那一份,导热那一份原封不动地留在了「辐射」数据里。按他的估算,这会让表中的冷却速度有 5% 到 9% 的不确定。

也正因为这组数据本身靠不住,他并不认为指数式有什么特权。他注意到,用

(273+t)4−2734(273 + t)^{4} - 273^{4}

除以一个常数,同样能复现杜隆与珀蒂 80 °C 到 240 °C 的九个数据。他坦白承认,杜隆-珀蒂的指数式在这一段拟合得「更好一些」,但四次方式的偏差也不大,而且更简单、在理论上更有优势。

1879:四次方

真正让两个公式分出高下的是高温。斯特藩在论文里说明,最先促使他提出四次方假设的,是 Wüllner 在教科书里对丁达尔实验的一段评注:一根通电加热的铂丝,从约 525 °C 的暗红到约 1200 °C 的白炽,辐射强度从 10.4 涨到 122,约 11.7 倍。而这两个绝对温度之比的四次方,正好是 11.6。

他又拿来德雷珀 1847 年的铂丝数据:按四次方式,800、1200、1600 K 下的辐射之比应为 1 比 5 比 16,数据大体如此;按杜隆-珀蒂的指数式,则应是 1 比 21.5 比 462.2,完全对不上。埃里克森用大铁块做的量热实验,经他扣除支脚导热之后,也与四次方式相符。

这就是 1879 年 3 月 20 日提交科学院的那篇《论热辐射与温度的关系》。

太阳有多热

论文最后一节,他把新公式用在了太阳上。

普耶测出太阳每平方厘米每分钟放出的热量,再代入杜隆-珀蒂式,得到太阳温度 1461 °C 到 1761 °C,按后来 Violle 测得的更大的太阳辐射修正,最多也只到两千度出头。若按牛顿的线性冷却律算,则是八百四十多万度。两种算法相差数千倍。

按四次方律,同一组数据给出约 5586 °C。他又用 Soret 的另一种测量交叉验证:温度计对着太阳与对着一块烧红的锆片,扣除大气吸收后接收到的热约为 43.5 比 1,于是

T⊙=43.54 T锆片≈2.57 T锆片T_{\odot} = \sqrt[4]{43.5}\ T_{\text{锆片}} \approx 2.57\,T_{\text{锆片}}

锆片约 2173–2273 K,太阳便在 5307 °C 到 5565 °C 之间。今天测得的光球有效温度约为 5500 °C。《斯洛文尼亚人物传记辞典》称这是第一个正确的太阳表面温度估计。常被引用的「5430 °C」,本站查阅原文第 426–427 页时没有找到这个数,原文给的是上面这两个结果。

数据错了,结论却对了?

这组铂丝数据后来招来了质疑,两方说法都有据可查。

一方:Dougal 1979 年在纪念四次方定律一百周年的文章里,转引了 Worthing 与 Halliday 1948 年教科书《热学》的一段脚注——后来的测量表明,铂在这两个温度下的辐射之比更接近 18.6,而不是 11.6;而且铂的辐射远不是黑体辐射,本不该期望它服从黑体定律。照这个说法,斯特藩最初的灵感建立在一组偏差不小的数据上。

另一方:斯特藩原文本身交代得很清楚,铂丝数据只是「最先促使」他作出假设,论证的主体是对杜隆-珀蒂冷却数据的重新分析;他还专门写明,高温观测「尤其是温度的测定」很不可靠,不适合作决定性检验。换句话说,他自己并没有把定律压在这组数据上。

两方并不直接冲突:前者说的是数据的质量,后者说的是数据在论证里的分量。另外要注意,斯特藩的表述是「一个物体」放出的热量,没有把适用范围限定在黑体;把它限定为黑体定律,是五年后玻尔兹曼推导之后的事。

1884:学生给出证明

斯特藩的定律一开始并没有被普遍接受。1884 年,已在格拉茨任教的玻尔兹曼发表了一篇四页的短文,标题就叫《从电磁光理论推导斯特藩关于热辐射随温度变化的定律》。

他把一个装满辐射的空腔当作热机的工作物质,借用意大利物理学家 Bartoli 从热力学论证的光压,再用麦克斯韦电磁理论给出的光压与能量密度的关系,让这台「辐射热机」走一个卡诺循环。热力学第二定律要求的结果是:空腔里的辐射能量密度正比于绝对温度的四次方。

这条推导只对理想黑体成立,却使四次方从经验规律变成了热力学的必然结论。此后,维恩 1893 年的位移定律与 1896 年的分布公式,都以它为已知前提;到 1900 年,普朗克公式对全部波长积分,给出的仍是这个四次方。

冰有多厚:斯特藩问题

晚年的斯特藩转向一类新问题:一块冷却中的水,边冷边结冰,冰与水的分界面自己在移动,移动多快又取决于分界面上放出多少潜热。1889 年他就此一连发表四篇论文,谈导热、扩散、结冰与蒸发。

其中最有名的是冰的那篇,他用英国历次北极探险的冰厚记录,和德国第二次北极探险 1869–1870 年的冰层温度测量来检验理论。最简单的情形给出一条漂亮的规律:气温恒定时,

h2=2Katλρh^{2} = \frac{2 K a t}{\lambda \rho}

冰厚与时间的平方根成正比。据 Vuik 的考证,这些北极数据来自寻找西北航道的探险队,本来就不是为了研究结冰而记录的。

今天,凡是边界随时间移动、需要靠潜热条件定出边界位置的扩散问题,都叫「斯特藩问题」,从金属凝固、冻土到晶体生长都用得上。Vuik 也指出,类似的问题早在 1831 年就有拉梅与克拉珀龙讨论过地壳在熔融球体上的凝结,斯特藩文中的那个精确解,弗朗茨·诺伊曼约在 1860 年已经得到。

埃德贝格精神

斯特藩几乎研究过物理学的每一个分支。他在 1871 年给出多组分气体扩散的方程,与麦克斯韦的结果合称麦克斯韦-斯特藩方程;他把液体的蒸发当作蒸气向上扩散来计算;1887 年他给出高频交流电集中在导线表层的趋肤效应公式。据玻尔兹曼说,在欧洲大陆,最早看出麦克斯韦电磁理论意义的只有两个人:亥姆霍兹与斯特藩。

他在行政上也身兼数职:1869–1870 年任哲学院院长,1876–1877 年任维也纳大学校长,1875–1885 年任科学院数学-自然科学部秘书,1885 年起任副院长;1883 年维也纳电工学会成立,他是首任会长。1885 年在维也纳召开的国际标准音高会议由他主持,会议把标准音 A 定为每秒 435 次振动。

1893 年 1 月 7 日,斯特藩因中风去世。两年后维也纳大学为他立碑,致辞的是玻尔兹曼。他在演说里讲起埃德贝格那栋破旧的研究所:麦克斯韦曾写信给在那里作客的洛施密特,称赞这里学生的实验工作,说英国在实验物理教学上落后了——玻尔兹曼说,这份称赞主要该归斯特藩;而他自己后来在格拉茨把研究所办得有了生气,戏称它为「小埃德贝格」。

如今漂亮的仪器摆在周围,人们却在想能拿它们做点什么。我们那时从来不缺主意,发愁的只是仪器从哪里来。

这是玻尔兹曼在 1895 年说的,说的是斯特藩的研究所。

代表方程

斯特藩定律(1879)

j=σT4j = \sigma T^{4}

物体单位面积辐射出的总功率,与绝对温度 TT 的四次方成正比。斯特藩原文说的是「一个物体」,没有限定黑体;1884 年玻尔兹曼的推导只对黑体成立,今天课本里的 σ≈5.67×10−8 W m−2 K−4\sigma \approx 5.67 \times 10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}} 也是黑体的常数。温度翻一倍,辐射变成 16 倍。

改写杜隆-珀蒂的冷却数据

v∝(273+t)4−2734v \propto (273 + t)^{4} - 273^{4}

杜隆与珀蒂 1817 年测过温度计在 0 °C 外壳里冷却的速度 vv,拟合成指数式 m (at−1)m\,(a^{t}-1)。斯特藩发现,把 (273+t)4−2734(273+t)^{4} - 273^{4} 除以一个常数,80 °C 到 240 °C 的九个数据也能对上,误差与指数式相当——而四次方式在高温下不会像指数那样发散。

太阳表面温度估算

T⊙=43.54 T锆片≈2.57 T锆片T_{\odot} = \sqrt[4]{43.5}\ T_{\text{锆片}} \approx 2.57\,T_{\text{锆片}}

Soret 让同一个温度计分别对着太阳和一块在氢氧焰里烧红、视大小与太阳相同的锆片,扣掉大气吸收后,接收到的热约为 43.5 比 1。按四次方律,太阳的绝对温度就是锆片的 43.54≈2.57\sqrt[4]{43.5} \approx 2.57 倍。锆片约 2173–2273 K,于是太阳约 5580–5838 K,即 5307–5565 °C。此前按杜隆-珀蒂式得出的只有一千多度,按牛顿的线性律则是八百多万度。

冰层生长的平方根律(1889)

h2=2Katλρh^{2} = \frac{2 K a t}{\lambda \rho}

水面上方气温比冰点低 aa 度时,冰厚 hh 与时间 tt 的平方根成正比;KK 是冰的导热系数,λ\lambda 是熔化潜热,ρ\rho 是冰的密度。推导只假设冰层里温度随深度线性下降。斯特藩算过,即使 aa 取 30 °C,这样估出的冰厚也只比精确解多约 3%。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.斯特藩《论热辐射与温度的关系》,《维也纳科学院数学-自然科学部会议报告》第 79 卷第二分册第 391–428 页(1879)
  2. 2.《维也纳科学院数学-自然科学部会议报告》第 79 卷第三分册,1879 年 3 月 20 日会议纪要(第 227 页),载有该文提交记录
  3. 3.斯特藩《论冰的形成理论,特别是极地海洋中的结冰》,《物理与化学年鉴》新辑第 42 卷第 269–286 页(1891;转载自 1889 年《维也纳科学院会议报告》第 98 卷第二分册 A)
  4. 4.斯特藩《气体导热研究(一)》,《维也纳科学院会议报告》第 65 卷第二分册第 45–69 页(1872)
  5. 5.斯特藩《论气体混合物的平衡与运动,特别是扩散》,《维也纳科学院会议报告》第 63 卷第二分册第 63–124 页(1871)
  6. 6.玻尔兹曼《从电磁光理论推导斯特藩关于热辐射随温度变化的定律》,《物理与化学年鉴》第 258 卷第 291–294 页(1884)
  7. 7.玻尔兹曼《约瑟夫·斯特藩》(1895 年 12 月 8 日斯特藩纪念碑揭幕演说),收入《通俗文集》第 92–103 页(莱比锡,1905)
  8. 8.G. Jäger《Stefan, Josef》,《德意志人物总传》第 54 卷第 448–451 页(1908)
  9. 9.L. Čermelj、M. Uršič《Stefan, Jožef》,《斯洛文尼亚人物传记辞典》第 10 卷(卢布尔雅那,1967),今收入斯洛文尼亚科学与艺术院「斯洛文尼亚传记」网站
  10. 10.C. Vuik《关于斯特藩问题的一些历史注记》,《荷兰数学档案》第四辑第 11 卷第 157–167 页(1993)
  11. 11.R. C. Dougal《四次方定律一百年》,《物理教育》第 14 卷第 234–238 页(1979)——转引 Worthing 与 Halliday《热学》(1948)第 438 页脚注对铂丝数据的批评