Сэр Джордж Габриэль Стоукс, 1-й баронет , FRS ( / s t oʊ k s / ; 13 августа 1819 — 1 февраля 1903) — ирландский физик и математик . Родившийся в графстве Слайго , Ирландия, Стоукс провел всю свою карьеру в Кембриджском университете , где он был профессором математики Лукаса с 1849 года до своей смерти в 1903 году. Как физик, Стокс внес плодотворный вклад в механику жидкости , включая Навье. – уравнения Стокса ; и к физической оптике , с известными работами по поляризации и флуоресценции . Как математик, он популяризировал « теорему Стокса » в векторном исчислении и внес вклад в теорию асимптотических разложений . Стоукс вместе с Феликсом Хоппе-Сейлером впервые продемонстрировали функцию транспорта кислорода гемоглобина и показали изменения цвета, вызванные аэрацией растворов гемоглобина.
Стоукс получил титул баронета от британского монарха в 1889 году. В 1893 году он получил медаль Копли Королевского общества , тогда самую престижную научную премию в мире, «за исследования и открытия в области физических наук». Он представлял Кембриджский университет в Палате общин Великобритании с 1887 по 1892 год, будучи консерватором . Стоукс также занимал пост президента Королевского общества с 1885 по 1890 год и некоторое время был магистром Пембрук - колледжа в Кембридже .
Джордж Стоукс был младшим сыном преподобного Габриэля Стоукса (умер в 1834 г.), священнослужителя Ирландской церкви, служившего настоятелем Скрина в графстве Слайго , и его жены Элизабет Хотон, дочери преподобного Джона Хотона. Домашняя жизнь Стоукса находилась под сильным влиянием евангелического протестантизма его отца : трое его братьев вошли в Церковь, из которых наиболее выдающимся был Джон Уитли Стоукс , архидиакон Армы . [1]
Джон и Джордж всегда были близки, и Джордж жил с Джоном, пока учился в школе в Дублине . Из всей своей семьи он был ближе всего к своей сестре Элизабет. Их мать в семье запомнилась как «красивая, но очень суровая». После посещения школ в Скрине, Дублине и Бристоле в 1837 году Стоукс поступил в Пембрук-колледж в Кембридже . Четыре года спустя он получил высшее образование как старший спортсмен и первый призёр Смита , благодаря своим достижениям он был избран членом колледжа. [2]
В соответствии с уставом колледжа Стоксу пришлось выйти из стипендии, когда он женился в 1857 году. Двенадцать лет спустя, по новому уставу, он был переизбран в стипендию и сохранял это место до 1902 года, когда накануне своего 83-го в день рождения он был избран магистром колледжа. Стоукс недолго занимал эту должность, поскольку он умер в Кембридже 1 февраля следующего года [3] и был похоронен на кладбище Милл-Роуд . Ему также установлен памятник в северном проходе Вестминстерского аббатства . [4]
В 1849 году Стоукс был назначен на должность лукасовского профессора математики в Кембридже, и эту должность он занимал до своей смерти в 1903 году. 1 июня 1899 года юбилей этого назначения был отмечен там церемонией, на которой присутствовали многочисленные делегаты из европейских и американских университетов. . Памятная золотая медаль была вручена Стоксу канцлером университета, а мраморные бюсты Стокса работы Хамо Торникрофта были официально подарены Пембрук-колледжу и университету лордом Кельвином . В свои 54 года срок пребывания Стоукса на посту профессора Лукаса был самым продолжительным в истории.
Стоукс, ставший баронетом в 1889 году, в дальнейшем служил своему университету, представляя его в парламенте с 1887 по 1892 год в качестве одного из двух членов избирательного округа Кембриджского университета . В 1885–1890 годах он также был президентом Королевского общества , одним из секретарей которого он был с 1854 года. Поскольку в то время он также был профессором Лукаса, Стоукс был первым человеком, занявшим все три должности одновременно; У Ньютона были те же три, хотя и не одновременно. [3]
Стоукс был старейшим из тройки натурфилософов, двое других — Джеймс Клерк Максвелл и лорд Кельвин , которые особенно способствовали известности Кембриджской школы математической физики в середине XIX века.
Оригинальная работа Стоукса началась примерно в 1840 году и отличается количеством и качеством. В каталоге научных работ Королевского общества приведены названия более сотни его мемуаров, опубликованных до 1883 года. Некоторые из них представляют собой лишь краткие заметки, другие - короткие спорные или корректирующие высказывания, но многие представляют собой длинные и подробные трактаты. [5]
По объему работа Стоукса охватывала широкий спектр физических исследований, но, как заметила Мари Альфред Корню в своей Rede Lecture 1899 года [6] , большая часть ее была связана с волнами и преобразованиями, налагаемыми на них во время их прохождения через различные среды. . [7]
Первые опубликованные статьи Стокса, появившиеся в 1842 и 1843 годах, были посвящены установившемуся движению несжимаемых жидкостей и некоторым случаям движения жидкости. [8] [9] За ними в 1845 году последовала работа о трении движущихся жидкостей, а также о равновесии и движении упругих твердых тел, [10], а в 1850 году — еще одна о влиянии внутреннего трения жидкостей на движение тел. маятники . [11] В теорию звука он внес несколько вкладов, включая обсуждение влияния ветра на интенсивность звука [12] и объяснение того, как на интенсивность влияет природа газа, в котором производится звук. . [13] Эти исследования вместе поставили науку о гидродинамике на новую основу и дали ключ не только к объяснению многих природных явлений, таких как зависание облаков в воздухе и опускание ряби и волн на воде. , но и к решению практических задач, таких как течение воды в реках и каналах, сопротивление обшивки кораблей. [7]
Работа Стокса по движению жидкости и вязкости привела к расчету конечной скорости сферы, падающей в вязкую среду. [14] Это стало известно как закон Стокса . Он вывел выражение для силы трения (также называемой силой сопротивления ), действующей на сферические объекты с очень малыми числами Рейнольдса . [ нужна цитата ]
Его работа легла в основу вискозиметра с падающей сферой , в котором жидкость неподвижна в вертикальной стеклянной трубке. Сфере известного размера и плотности позволяют опуститься через жидкость. При правильном выборе он достигает конечной скорости , которую можно измерить по времени, необходимому для прохождения двух отметок на трубке. Электронное зондирование можно использовать для непрозрачных жидкостей. Зная конечную скорость, размер и плотность сферы, а также плотность жидкости, закон Стокса можно использовать для расчета вязкости жидкости. В классическом эксперименте для повышения точности расчета обычно используется серия стальных шарикоподшипников разного диаметра. В школьном эксперименте в качестве жидкости используется глицерин , а этот метод используется в промышленности для проверки вязкости жидкостей, используемых в технологических процессах. [ нужна цитата ]
Та же теория объясняет, почему маленькие капли воды (или кристаллы льда) могут оставаться во взвешенном состоянии в воздухе (в виде облаков), пока не вырастут до критического размера и не начнут падать в виде дождя (или снега и града ). Аналогичное использование уравнения можно использовать при осаждении мелких частиц в воде или других жидкостях. [ нужна цитата ]
« Стокс », единица кинематической вязкости СГС , была названа в знак признания его работы.
Пожалуй, его самые известные исследования связаны с волновой теорией света. Его оптические работы начались в ранний период его научной карьеры. Его первые статьи об аберрации света появились в 1845 и 1846 годах [15] [16] , а в 1848 году последовала работа по теории некоторых полос, видимых в спектре . [17] [7]
В 1849 году он опубликовал большую статью по динамической теории дифракции , в которой показал, что плоскость поляризации должна быть перпендикулярна направлению распространения. [18] Два года спустя он обсуждал цвета толстых пластин. [19] [7]
Стоукс также исследовал математическое описание радуги Джорджа Эйри . [20] Результаты Эйри включали интеграл, который было неудобно вычислять. Стоукс выразил интеграл как расходящийся ряд , который был мало понятен. Однако, умело усекая ряд (т. е. игнорируя все, кроме первых нескольких членов ряда), Стоукс получил точное приближение к интегралу, которое было гораздо легче оценить, чем сам интеграл. [21] Исследования Стокса по асимптотическим рядам привели к фундаментальному пониманию таких рядов. [22]
В 1852 году в своей знаменитой статье об изменении длины волны света он описал явление флуоресценции , проявляемое плавиковым шпатом и урановым стеклом , материалами, которые, по его мнению, обладают способностью преобразовывать невидимое ультрафиолетовое излучение в излучение с более длинными волнами. которые видны. [23] Стоксов сдвиг , описывающий это преобразование, назван в честь Стокса. Показана механическая модель, иллюстрирующая динамический принцип объяснения Стокса. Ответвление этой линии, линии Стокса , лежит в основе комбинационного рассеяния света . В 1883 году во время лекции в Королевском институте лорд Кельвин сказал, что слышал об этом отчете от Стоукса много лет назад и неоднократно, но тщетно умолял его опубликовать его. [24]
В том же 1852 г. появилась статья о составе и разрешении потоков поляризованного света от различных источников [25] , а в 1853 г. — исследование металлического отражения некоторых неметаллических веществ. [26] Исследование должно было подчеркнуть явление поляризации света . Около 1860 года он занимался исследованием интенсивности света, отраженного от стопки пластин или прошедшего через нее; [27] , а в 1862 году он подготовил для Британской ассоциации ценный отчет о двойном лучепреломлении , [7] явлении, при котором определенные кристаллы показывают разные показатели преломления вдоль разных осей. [28] Пожалуй, самым известным кристаллом является исландский шпат , прозрачные кристаллы кальцита .
Той же датой была опубликована статья о длинном спектре электрического света [29] , за которой последовало исследование спектра поглощения крови. [7] [30]
Химическая идентификация органических тел по их оптическим свойствам была разработана в 1864 г.; [31] и позже, совместно с преподобным Уильямом Верноном Харкортом , он исследовал связь между химическим составом и оптическими свойствами различных стекол, применительно к условиям прозрачности и совершенствованию ахроматических телескопов . [32] Еще в более поздней статье, посвященной конструкции оптических инструментов, обсуждались теоретические пределы апертуры объективов микроскопа. [33] [7]
В 1849 году Стоукс изобрел линзу Стокса для обнаружения астигматизма . [34] Это комбинация линз, состоящая из цилиндрических линз одинаковой, но противоположной оптической силы , соединенных вместе таким образом, что линзы можно вращать относительно друг друга. [35]
Из других областей физики можно упомянуть его статью о теплопроводности в кристаллах (1851 г.) [36] и его исследования, связанные с радиометром Крукса ; [37] его объяснение светлой границы, часто замечаемой на фотографиях сразу за контуром темного тела, видимого на фоне неба (1882); [38] и, еще позже, его теория рентгеновских лучей , которые, как он предположил, могли быть поперечными волнами, распространяющимися как бесчисленные одиночные волны, а не регулярными последовательностями. [39] Две большие статьи, опубликованные в 1849 году – одна о притяжении и теореме Клеро , [40] и другая об изменении гравитации на поверхности Земли (1849) – формула гравитации Стокса [41] – также требуют внимания, равно как и его математические мемуары о критических значениях сумм периодических рядов (1847 г.) [42] и о численном вычислении класса определенных интегралов и бесконечных рядов (1850 г.) [43] и его обсуждение дифференциального уравнения , относящегося к разрушение железнодорожных мостов (1849 г.), [44] [7] исследование, связанное с его показаниями, данными Королевской комиссии по использованию железа в железнодорожных конструкциях после катастрофы на мосту Ди в 1847 году.
Многие открытия Стоукса не были опубликованы или были лишь затронуты в ходе его устных лекций. Одним из таких примеров являются его работы по теории спектроскопии . [7]
В своем президентском обращении к Британской ассоциации в 1871 году лорд Кельвин заявил, что он убежден в том, что применение призматического анализа света к солнечной и звездной химии никогда не предлагалось прямо или косвенно кем-либо еще, когда Стоукс преподавал ему это в Кембриджском университете в некоторых до лета 1852 года, и он изложил выводы, теоретические и практические, которые он узнал от Стоукса в то время и которые впоследствии регулярно давал в своих публичных лекциях в Глазго . [45]
Эти утверждения, содержащие физическую основу, на которой основана спектроскопия, и то, как она применима к идентификации веществ, существующих на Солнце и звездах, создают впечатление, что Стоукс опередил Густава Кирхгофа по крайней мере на семь или восемь лет. . Стоукс, однако, в письме, опубликованном через несколько лет после произнесения этого обращения, заявил, что он не сделал одного существенного шага в своей аргументации, не понимая, что излучение света определенной длины волны не просто допускает, но и делает необходимым поглощение света. той же длины волны. Он скромно отверг «любую часть замечательного открытия Кирхгофа», добавив, что, по его мнению, некоторые из его друзей были слишком рьяными в его деле. [46] Следует, однако, сказать, что английские ученые не приняли этого отказа от ответственности во всей его полноте и до сих пор приписывают Стоксу заслугу первого изложения фундаментальных принципов спектроскопии . [7]
Стоукс и в другом отношении много сделал для прогресса математической физики. Вскоре после того, как его избрали на кафедру Лукаса, он объявил, что считает частью своих профессиональных обязанностей помогать любому учащемуся университета, сталкивающемуся с трудностями в математических исследованиях, и оказанная помощь была настолько реальной, что ученики были рады консультироваться с ним, даже после того, как они стали коллегами, по математическим и физическим проблемам, в которых они запутались. Затем в течение тридцати лет, исполняя обязанности секретаря Королевского общества, он оказал огромное, хотя и незаметное, влияние на развитие математической и физической науки, не только непосредственно своими исследованиями, но и косвенно, предлагая проблемы для исследования и побуждая людей атаковать их. их, а также его готовностью поддержать и помочь. [7]
Стоукс участвовал в нескольких расследованиях железнодорожных происшествий, особенно катастрофы на мосту Ди в мае 1847 года, и он был членом последующей Королевской комиссии по использованию чугуна в железнодорожных конструкциях. Он участвовал в расчете сил, действующих на движущиеся двигатели на мостах. Мост рухнул, потому что чугунная балка использовалась для поддержки проходящих поездов. Чугун хрупок при растяжении или изгибе , и многие другие подобные мосты пришлось снести или укрепить.
Он выступал в качестве свидетеля-эксперта при катастрофе на мосту Тей , где давал показания о воздействии ветровых нагрузок на мост. Центральная часть моста (известная как Высокие балки) была полностью разрушена во время шторма 28 декабря 1879 года, когда на этой секции находился экспресс, и все находившиеся на борту погибли (более 75 жертв). Комиссия по расследованию выслушала многих свидетелей-экспертов и пришла к выводу, что мост «плохо спроектирован, плохо построен и плохо обслуживается». [47]
В результате своих показаний он был назначен членом последующей Королевской комиссии по изучению влияния давления ветра на конструкции. В то время влиянию сильных ветров на крупные конструкции не уделялось должного внимания, и комиссия провела серию измерений по всей Британии, чтобы оценить скорость ветра во время штормов и давление, которое они оказывают на открытые поверхности.
Стоукс в целом придерживался консервативных религиозных ценностей и убеждений. В 1886 году он стал президентом Института Виктории , который был основан для защиты евангельских христианских принципов от вызовов со стороны новых наук, особенно дарвиновской теории биологической эволюции . В 1891 году он прочитал Гиффордовскую лекцию по естественному богословию . [48] [49] Он также был вице-президентом Британского и зарубежного библейского общества и активно участвовал в доктринальных дебатах, касающихся миссионерской работы. [50] Однако, хотя его религиозные взгляды были в основном ортодоксальными, он был необычным среди викторианских евангелистов, отвергая вечное наказание в аду, и вместо этого был сторонником христианского условного подхода . [51]
Как писал президент Института Виктории Стоукс: «Мы все признаем, что книга Природы и книга Откровения одинаково исходят от Бога, и что, следовательно, между ними не может быть реального расхождения, если их правильно интерпретировать. Откровения по большей части настолько различны, что вероятность столкновения невелика. Но если возникнет кажущееся несоответствие, мы не имеем принципиального права исключать одно в пользу другого. Ибо, как бы твердо мы ни были убеждены в Чтобы установить истинность откровения, мы должны признать свою склонность ошибаться в отношении степени или интерпретации того, что открыто; и какими бы сильными ни были научные доказательства в пользу той или иной теории, мы должны помнить, что мы имеем дело с доказательствами, которые по своей сути природе, является лишь вероятным, и вполне возможно, что более широкое научное знание может заставить нас изменить наше мнение». [52]
Стоукс женился 4 июля 1857 года в соборе Святого Патрика в Арме на Мэри Сюзанне Робинсон, дочери астронома преподобного Томаса Ромни Робинсона . У них было пятеро детей: Артур Ромни, унаследовавший баронетство; Сюзанна Элизабет, умершая в младенчестве; Изабелла Люси (г-жа Лоуренс Хамфри), написавшая личные мемуары своего отца в «Мемуарах и научной переписке покойного Джорджа Габриэля Стоукса, Барта»; Доктор Уильям Джордж Габриэль, врач, проблемный человек, покончивший жизнь самоубийством в возрасте 30 лет, будучи временно невменяемым; и Дора Сюзанна, умершая в младенчестве. Его мужская линия и, следовательно, его баронетство с тех пор вымерли.
Математические и физические статьи Стокса (см. Внешние ссылки) были опубликованы в собрании в пяти томах; первые три (Кембридж, 1880, 1883 и 1901) под его собственной редакцией, а два последних (Кембридж, 1904 и 1905) под редакцией сэра Джозефа Лармора , который также отобрал и систематизировал мемуары и научную переписку Стоукса , опубликованные в Кембридж в 1907 году. [59]
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь ) ; см. стр. 207–208.
