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法国物理学家约瑟夫·傅里叶简介

发布时间:2016-08-30  作者:趣名网

法国物理学家约瑟夫·傅里叶

约瑟夫·傅里叶(法语:Joseph Fourier,1768年3月21日-1830年5月16日),男爵,法国数学家、物理学家,提出傅里叶级数,并将其应用于热传导理论与振动理论,傅里叶变换也以他命名。他被归功为温室效应的发现者。

生平简介

约瑟夫·傅里叶于1768年3月21日在法国约讷省欧塞尔出生。幼年时父母双亡,所以很小便被送入天主教本笃会接受教育,之后考入巴黎高等师范学校,毕业后在军队中教授数学。1795年他到巴黎高等师范学校教书,之后又任聘为巴黎综合理工学院教授。

1798年他跟随拿破仑东征,被任命为下埃及的总督。由于英国舰队对法国人进行了封锁,所以他受命在当地生产军火为远征部队提供军火。这个时期,他向开罗埃及学院递交了几篇有关数学的论文。1801年,拿破仑远征军队失败后,他便被任命为伊泽尔省长官。1809年被封为男爵。1816年他回到巴黎,六年后他当选了科学院的秘书,并发表了《热的分析理论》一文,此文是建立在牛顿的热传导理论的速率和温度差成正比的基础上。

1830年5月16日他病逝于巴黎,1831年他的遗稿被整理出版成书。

热的解析理论

1822年傅里叶提出了他在热流上的作品:《热的解析理论》(Théorie analytique de la chaleur)。他的推理的基础是牛顿冷却定律,即两相邻分子的热流和它们之间非常小的温度差成正比。56年后,于1878年,这本书被Freeman翻译与校正成英文版本。让·加斯东·达布又将这本书加以编辑校对,于1888年重新以法文出版。

这本著作有三个重要贡献,一个是纯粹的数学,另两个实质上是物理。在数学中,傅里叶声明,一个变数的任意函数,不论是否连续或不连续,都可展开为正弦函数的级数,而这正弦函数的参数为变数的倍数。虽然这个结果是不正确的,傅里叶正确地察觉,有些不连续函数是无穷级数的总和。这察觉是一个重大数学突破。约瑟夫·拉格朗日曾给予了这个(错误的)定理一些特别的例子,并暗示这是一般的方法,但他没有继续跟踪这题目。约翰·狄利克雷最先给出,在有限制条件下,对于这结果满意的示范。

这本书的其中一个物理贡献为:方程两边必须具有相同量纲的概念,意即当方程两边的量纲匹配时,方程才会正确。因此傅里叶在量纲分析有重要贡献。另外一个则是傅里叶提出有关于热能传导扩散的偏微分方程。在现代每位学习数学物理的学生都会学到此方程。

确定的方程

傅里叶关于确定方程的著作并未完成,克劳德-路易·纳维将这著作加以编辑,并且在1831年出版。在这著作里面有许多原创的研究。弗朗索瓦·布丹(François Budan)于1807年和1811年发表的布丹定理(Budan's theorem)并没有给出令人满意的示范,这定理后来是以傅里叶为命名。傅里叶的证明与通常在教科书里给出的一模一样。1829年,雅克·施图姆给出这问题的最终解答。

“温室效应”的发现

1820年,傅里叶计算出,一个物体,如果有地球那样的大小,以及到太阳的距离和地球一样,如果只考虑太阳辐射的加热效应,那这物体应该比地球实际的温度更冷。他试图寻找其它热源。虽然傅里叶最终建议,星际辐射或许占了其它热源的一大部分,但他也考虑到另一种可能性:地球大气层可能是一种隔热体。这种看法被广泛公认为是有关现在广为人知的“温室效应”第一次被提出。

傅里叶在他的文章提到了奥拉斯-贝内迪克特·德索叙尔的实验。在一个瓶子内部,黏贴满了黑色软木,在软木间,德索叙尔平摆置入几片透明的玻璃,在玻璃与玻璃之间有用来隔热的空气。正午的阳光可以从透明玻璃的顶部射入。这个装置内部的温度变得更高。傅里叶认为在大气中的气体可形成稳定的隔热气,如同玻璃之间的空气。这结论可能导致后来使用温室效应明指决定大气温度的过程。傅里叶指出,在实际决定温度的机制里,会存在大气对流因素,但在德索叙尔的实验装置里不会出现对流。

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