Сэр Джордж Габриэль Стокс, 1-й баронет , FRS ( / s t oʊ k s / ; 13 августа 1819 – 1 февраля 1903) был ирландским математиком и физиком . Родившийся в графстве Слайго , Ирландия, Стокс провел всю свою карьеру в Кембриджском университете , где он был Лукасовским профессором математики с 1849 года до своей смерти в 1903 году. Как физик, Стокс внес основополагающий вклад в механику жидкости , включая уравнения Навье-Стокса ; и в физическую оптику , с заметными работами по поляризации и флуоресценции . Как математик, он популяризировал « теорему Стокса » в векторном исчислении и внес вклад в теорию асимптотических разложений . Стокс совместно с Феликсом Хоппе-Зейлером впервые продемонстрировал функцию гемоглобина по переносу кислорода и показал изменения цвета, вызванные аэрацией растворов гемоглобина.
В 1889 году британский монарх пожаловал Стоксу титул баронета . В 1893 году он получил медаль Копли Королевского общества , которая в то время была самой престижной научной премией в мире, «за исследования и открытия в области физических наук». Он представлял Кембриджский университет в британской Палате общин с 1887 по 1892 год, заседая как консерватор . Сток также был президентом Королевского общества с 1885 по 1890 год и недолгое время был магистром Пембрук-колледжа в Кембридже . Обширная переписка Стокса и его работа в качестве секретаря Королевского общества привели к тому, что его стали называть хранителем викторианской науки, поскольку его вклад превзошел его собственные опубликованные работы. [1]
Джордж Стоукс был младшим сыном преподобного Габриэля Стоукса (умер в 1834 году), священнослужителя Церкви Ирландии , служившего настоятелем Скрин в графстве Слайго , и его жены Элизабет Хоутон, дочери преподобного Джона Хоутона. Домашняя жизнь Стокса находилась под сильным влиянием евангельского протестантизма его отца : трое его братьев вступили в Церковь, из которых самым выдающимся был Джон Уитли Стоукс , архидиакон Армы . [2] Наряду с пожизненной приверженностью протестантской вере, детство Стокса в Скрине оказало сильное влияние на его позднее решение заняться динамикой жидкости как областью исследований. [3] Его дочь, Изабелла Хамфрис, писала, что ее отец «рассказывал мне, что его чуть не унесла одна из этих больших волн, когда он купался в детстве у берегов Слайго, и это впервые привлекло его внимание к волнам». [4]
Джон и Джордж всегда были близки, и Джордж жил с Джоном, пока учился в школе в Дублине . Из всей семьи он был ближе всего к своей сестре Элизабет. Их мать запомнилась в семье как «красивая, но очень строгая». После посещения школ в Скрине, Дублине и Бристоле , в 1837 году Стоукс поступил в Пембрук-колледж в Кембридже . Четыре года спустя он окончил колледж как старший ворчун и первый призёр Смита , достижения, которые принесли ему избрание в члены колледжа. [5]
В соответствии с уставом колледжа, Стоукс должен был отказаться от членства, когда он женился в 1857 году. Двенадцать лет спустя, в соответствии с новым уставом, он был переизбран в членство и сохранял это место до 1902 года, когда за день до своего 83-го дня рождения он был избран магистром колледжа. Стоукс недолго занимал эту должность, так как он умер в Кембридже 1 февраля следующего года [6] и был похоронен на кладбище Милл-роуд . В северном проходе Вестминстерского аббатства также есть мемориал в его честь . [7]
В 1849 году Стоукс был назначен на должность профессора математики Лукаса в Кембридже, которую он занимал до своей смерти в 1903 году. 1 июня 1899 года юбилей этого назначения был отмечен там на церемонии, на которой присутствовали многочисленные делегаты из европейских и американских университетов. Памятная золотая медаль была вручена Стоуксу канцлером университета, а мраморные бюсты Стокса работы Хамо Торникрофта были официально переданы Пембрук-колледжу и университету лордом Кельвином . В 54 года пребывание Стокса в качестве профессора Лукаса стало самым продолжительным в истории.
Стоукс, который стал баронетом в 1889 году, далее 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, который занимал все три должности одновременно; Ньютон занимал те же три должности, хотя и не в одно и то же время. [6]
Стокс был старейшим из троицы натурфилософов ( двое других — Джеймс Клерк Максвелл и лорд Кельвин) , которые внесли особый вклад в славу Кембриджской школы математической физики в середине XIX века.
Оригинальная работа Стокса началась около 1840 года и отличается своим количеством и качеством. Каталог научных работ Королевского общества дает названия более сотни его мемуаров, опубликованных до 1883 года. Некоторые из них представляют собой лишь краткие заметки, другие — краткие спорные или корректирующие заявления, но многие представляют собой длинные и подробные трактаты. [8]
По своему охвату работа Стокса охватывала широкий спектр физических исследований, но, как заметила Мари Альфред Корню в своей Повторной лекции 1899 года [9] , большая ее часть была посвящена волнам и преобразованиям, которым они подвергаются при прохождении через различные среды. [10]
Первые опубликованные работы Стокса, появившиеся в 1842 и 1843 годах, были посвящены устойчивому движению несжимаемых жидкостей и некоторым случаям движения жидкости. [11] [12] За ними в 1845 году последовала работа о трении движущихся жидкостей и равновесии и движении упругих твердых тел, [13] а в 1850 году — еще одна о влиянии внутреннего трения жидкостей на движение маятников . [14] В теорию звука он внес несколько вкладов, включая обсуждение влияния ветра на интенсивность звука [15] и объяснение того, как на интенсивность влияет природа газа, в котором производится звук. [16] Эти исследования в совокупности поставили науку о динамике жидкости на новую основу и дали ключ не только к объяснению многих природных явлений, таких как зависание облаков в воздухе и оседание ряби и волн на воде, но и к решению практических проблем, таких как течение воды в реках и каналах, а также сопротивление поверхности кораблей. [10]
Работа Стокса по движению жидкости и вязкости привела его к вычислению конечной скорости для сферы, падающей в вязкой среде. 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 . [17]
Его работа является основой вискозиметра с падающей сферой , в котором жидкость неподвижна в вертикальной стеклянной трубке. Сфера известного размера и плотности опускается через жидкость. Если она правильно выбрана, она достигает конечной скорости , которую можно измерить по времени, необходимому для прохождения двух отметок на трубке. Электронное зондирование может использоваться для непрозрачных жидкостей. Зная конечную скорость, размер и плотность сферы и плотность жидкости, закон Стокса может быть использован для расчета вязкости жидкости. В классическом эксперименте обычно используется ряд стальных шарикоподшипников разного диаметра для повышения точности расчета. В школьном эксперименте в качестве жидкости используется глицерин , и эта техника используется в промышленности для проверки вязкости жидкостей, используемых в процессах. [ необходима цитата ]
Та же теория объясняет, почему мелкие капли воды (или кристаллы льда) могут оставаться взвешенными в воздухе (как облака), пока не вырастут до критического размера и не начнут падать в виде дождя (или снега и града ). Аналогичное использование уравнения может быть сделано при урегулировании мелких частиц в воде или других жидкостях. [ необходима цитата ]
В знак признания его работы единица измерения кинематической вязкости в системе СГС была названа « стокс » .
Возможно, его самые известные исследования связаны с волновой теорией света. Его оптическая работа началась в ранний период его научной карьеры. Его первые работы по аберрации света появились в 1845 и 1846 годах, [18] [19] а в 1848 году последовала работа по теории некоторых полос, видимых в спектре . [20] [10]
В 1849 году он опубликовал большую работу по динамической теории дифракции , в которой показал, что плоскость поляризации должна быть перпендикулярна направлению распространения. [21] Два года спустя он обсуждал цвета толстых пластин. [22] [10]
Стокс также исследовал математическое описание радуг Джорджем Эйри . [23] Результаты Эйри включали интеграл, который было неудобно вычислять. Стокс выразил интеграл в виде расходящегося ряда , который был мало понят. Однако, умело усекая ряд (т. е. игнорируя все, кроме первых нескольких членов ряда), Стокс получил точное приближение к интегралу, которое было гораздо легче вычислить, чем сам интеграл. [24] Исследования Стокса по асимптотическим рядам привели к фундаментальным прозрениям о таких рядах. [25]
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, обладали способностью преобразовывать невидимое ультрафиолетовое излучение в излучение с более длинными волнами, которые видны. [26] Сдвиг Стокса , описывающий это преобразование, назван в честь Стокса. Была показана механическая модель, иллюстрирующая динамический принцип объяснения Стокса. Ответвление этого, линия Стокса , является основой комбинационного рассеяния . В 1883 году во время лекции в Королевском институте лорд Кельвин сказал, что слышал об этом рассказ от Стокса много лет назад и неоднократно, но тщетно умолял его опубликовать его. [27]
В том же 1852 году появилась статья о составе и разрешении потоков поляризованного света из разных источников [28] , а в 1853 году — исследование металлического отражения, демонстрируемого некоторыми неметаллическими веществами. [29] Исследование должно было подчеркнуть явление поляризации света . Около 1860 года он занимался исследованием интенсивности света, отраженного от стопки пластин или прошедшего через нее; [30] а в 1862 году он подготовил для Британской ассоциации ценный отчет о двойном лучепреломлении [ 10] — явлении, при котором определенные кристаллы показывают разные показатели преломления вдоль разных осей. [31] Возможно, самым известным кристаллом является исландский шпат , прозрачные кристаллы кальцита .
Статья о длинном спектре электрического света датирована той же датой [32] , за ней последовало исследование спектра поглощения крови. [10] [33]
Химическая идентификация органических тел по их оптическим свойствам была рассмотрена в 1864 году; [34] а позднее, совместно с преподобным Уильямом Верноном Харкортом , он исследовал связь между химическим составом и оптическими свойствами различных стекол, со ссылкой на условия прозрачности и усовершенствование ахроматических телескопов . [35] Еще более поздняя работа, связанная с конструированием оптических приборов, обсуждала теоретические ограничения апертуры объективов микроскопа. [36] [10]
В 1849 году Стокс изобрел линзу Стокса для обнаружения астигматизма . [37] Это комбинация линз, состоящая из цилиндрических линз одинаковой, но противоположной силы, соединенных вместе таким образом, что линзы можно вращать относительно друг друга. [38]
В других областях физики можно упомянуть его статью о теплопроводности в кристаллах (1851) [39] и его исследования, связанные с радиометром Крукса ; [40] его объяснение светлой границы, часто наблюдаемой на фотографиях сразу за контуром темного тела, видимого на фоне неба (1882); [41] и, еще позже, его теорию рентгеновских лучей , которые, как он предположил, могут быть поперечными волнами, распространяющимися как бесчисленные одиночные волны, а не регулярными цепочками. [42] Две большие статьи, опубликованные в 1849 году, — одна о притяжениях и теореме Клеро , [43] а другая об изменении силы тяжести на поверхности Земли (1849) — формула тяготения Стокса [44] — также требуют внимания, как и его математические мемуары о критических значениях сумм периодических рядов (1847) [45] и о численном вычислении класса определенных интегралов и бесконечных рядов (1850) [46] и его обсуждение дифференциального уравнения , касающегося разрушения железнодорожных мостов (1849), [47] [10] исследования, связанные с его показаниями, данными Королевской комиссии по использованию железа в железнодорожных конструкциях после катастрофы на мосту Ди в 1847 году.
Многие открытия Стокса не были опубликованы или были лишь затронуты в ходе его устных лекций. Одним из таких примеров является его работа в области теории спектроскопии . [10]
В своем президентском обращении к Британской ассоциации в 1871 году лорд Кельвин заявил о своей убежденности в том, что применение призматического анализа света к солнечной и звездной химии никогда не предлагалось ни прямо, ни косвенно никем другим, когда Стокс преподавал его в Кембриджском университете некоторое время до лета 1852 года, и он изложил выводы, теоретические и практические, которые он узнал от Стокса в то время и которые он впоследствии регулярно излагал в своих публичных лекциях в Глазго . [48]
Эти заявления, содержащие физическую основу, на которой покоится спектроскопия, и способ, которым она применима к идентификации веществ, существующих в Солнце и звездах, создают впечатление, что Стокс опередил Густава Кирхгофа по крайней мере на семь или восемь лет. Однако Стокс в письме, опубликованном через несколько лет после доставки этого обращения, заявил, что он не сделал одного существенного шага в аргументации — не осознал, что испускание света определенной длины волны не просто допускает, но и требует поглощения света той же длины волны. Он скромно отказался от «любой части замечательного открытия Кирхгофа», добавив, что, по его мнению, некоторые из его друзей были слишком ревностны в его деле. [49] Однако следует сказать, что английские ученые не приняли это опровержение во всей его полноте и все еще приписывают Стоксу заслугу первого формулирования фундаментальных принципов спектроскопии . [ 10]
В другом отношении, также, Стокс сделал много для прогресса математической физики. Вскоре после того, как он был избран на кафедру Лукаса, он объявил, что считает частью своих профессиональных обязанностей помогать любому члену университета с трудностями, с которыми он мог столкнуться в своих 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 оказались в затруднении. Затем, в течение тридцати лет, когда он был секретарем Королевского общества, он оказал огромное, хотя и незаметное влияние на прогресс математической и физической науки, не только напрямую своими собственными исследованиями, но и косвенно, предлагая проблемы для исследования и побуждая людей атаковать их, а также своей готовностью давать поддержку и помощь. [10]
Стоукс принимал участие в нескольких расследованиях железнодорожных аварий, особенно катастрофы на мосту Ди в мае 1847 года, и он был членом Королевской комиссии по использованию чугуна в железнодорожных конструкциях. Он внес вклад в расчет сил, оказываемых движущимися двигателями на мосты. Мост рухнул, потому что для поддержки грузов проходящих поездов использовалась чугунная балка. Чугун хрупок при растяжении или изгибе , и многие другие подобные мосты пришлось снести или укрепить.
Он появился в качестве эксперта-свидетеля при катастрофе моста Тей , где дал показания о влиянии ветровых нагрузок на мост. Центральная часть моста (известная как Высокие балки) была полностью разрушена во время шторма 28 декабря 1879 года, когда в этой части находился экспресс-поезд, и все находившиеся на борту погибли (более 75 жертв). Комиссия по расследованию выслушала многих экспертов-свидетелей и пришла к выводу, что мост был «плохо спроектирован, плохо построен и плохо обслуживался». [50]
В результате его показаний он был назначен членом Королевской комиссии по изучению влияния давления ветра на конструкции. В то время влияние сильных ветров на крупные конструкции игнорировалось, и комиссия провела ряд измерений по всей Британии, чтобы получить оценку скорости ветра во время штормов и давления, которое они оказывали 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 лекцию Гиффорда по естественной теологии . [51] [52] Он также был вице-президентом Британского и зарубежного библейского общества и активно участвовал в доктринальных дебатах, касающихся миссионерской работы. [53] 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 кондиционализма . [54]
Будучи президентом Института Виктории, Стокс писал: «Мы все признаем, что книга Природы и книга Откровения исходят от Бога одинаково, и что, следовательно, между ними не может быть никаких реальных расхождений, если их правильно интерпретировать. Положения Науки и Откровения по большей части настолько различны, что вероятность столкновения мала. Но если возникнет явное расхождение, мы не имеем принципиального права исключать одно из них в пользу другого. Ибо как бы твердо мы ни были убеждены в истинности Откровения, мы должны признать свою склонность ошибаться относительно степени или интерпретации того, что открыто; и как бы ни были сильны научные доказательства в пользу теории, мы должны помнить, что мы имеем дело с доказательствами, которые по своей природе являются лишь вероятными, и вполне возможно, что более широкое научное знание может заставить нас изменить наше мнение». [55]
Стокс женился на Мэри Сьюзанне Робинсон, единственной дочери ирландского астронома преподобного Томаса Ромни Робинсона , в соборе Святого Патрика в Арме 4 июля 1857 года. У них было пятеро детей: Артур Ромни, унаследовавший титул баронета; Сьюзанна Элизабет, умершая в младенчестве; Изабелла Люси (миссис Лоренс Хамфри), которая внесла свой вклад в личные воспоминания своего отца в «Мемуары и научную переписку покойного Джорджа Габриэля Стокса, Барта»; доктор Уильям Джордж Гэбриел, врач, обеспокоенный человек, покончивший с собой в возрасте 30 лет, будучи временно помешанным; и Дора Сьюзанна, умершая в младенчестве. Его мужская линия, а следовательно, и его титул баронета с тех пор пресеклись.
Математические и физические работы Стокса (см. внешние ссылки) были опубликованы в собранном виде 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 организовал « Мемуары и научную переписку» Стокса, опубликованные в Кембридже в 1907 году. [65]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
