Сэр Джордж Стоукс, первый баронет

Сэр Джордж Стоукс Бт ФРС
Рожденный	Джордж Гэбриэл Стоукс ( 1819-08-13 ) 13 августа 1819 г. Скрин, графство Слайго , Ирландия
Умер	1 февраля 1903 г. ) ( 1903-02-01 ) ( 83 года Кембридж , Англия
Альма-матер	Пембрук-Колледж, Кембридж
Известный	Теорема Стокса Уравнения Навье – Стокса. Закон Стокса Закон затухания звука Стокса сдвиг Стокса число Стокса Проблема Стокса Отношения Стокса Феномен Стокса Параметры Стокса Волна Стокса
Награды	Премия Смита (1841 г.) Медаль Румфорда (1852 г.) Актонианская премия (1886 г.) Медаль Копли (1893 г.)
Научная карьера
Поля	Математика и физика
Учреждения	Пембрук-Колледж, Кембридж
Научные консультанты	Уильям Хопкинс
Известные студенты	Лорд Рэлей Гораций Лэмб
Подпись

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 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 Королевского общества , медаль Копли тогда самую престижную научную премию в мире, «за исследования и открытия в области физической науки». 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 . Обширная переписка Стоукса и его работа в качестве секретаря Королевского общества привели к тому, что его стали называть хранителем викторианской науки, а его вклад превосходит его собственные опубликованные статьи.

Биография

был младшим сыном преподобного Габриэля Стоукса (умер в 1834 г.), священнослужителя Ирландской церкви , служившего настоятелем Скрина Джордж Стоукс 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 вступили в Церковь, из которых наиболее выдающимся был Джон Уитли Стоукс , архидиакон Армы . Помимо пожизненной приверженности протестантской вере, детство Стоукса в Скрине оказало сильное влияние на его позднее решение заняться гидродинамикой как областью исследований. Его дочь, Изабелла Хамфрис, писала, что ее отец «рассказал мне, что его чуть не унесла одна из этих огромных волн, когда он мальчиком купался у побережья Слайго, и это впервые привлекло его внимание к волнам».

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.

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 занимал эту должность недолго, поскольку он умер в Кембридже 1 февраля следующего года. и был похоронен на кладбище Милл-Роуд . Ему также установлен памятник в северном проходе Вестминстерского аббатства .

Карьера

В 1849 году Стоукс был назначен на должность профессора математики Лукаса в Кембридже и занимал эту должность 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 Стоксу канцлером университета, а мраморные бюсты Стокса работы Хамо Торникрофта были официально подарены Пембрук-колледжу и университету лордом Кельвином . В 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.

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.

Вклад в науку

Стоукс в более позднем возрасте

По своему объему работа Стоукса охватывала широкий спектр физических исследований, но, как заметила Мари Альфред Корню в своей повторной лекции 1899 года, большая часть ее касалась волн и преобразований, происходящих с ними при прохождении через различные среды.

Гидродинамика

Первые опубликованные статьи Стокса, появившиеся в 1842 и 1843 годах, были посвящены установившемуся движению несжимаемых жидкостей и некоторым случаям движения жидкости. За ними в 1845 году последовала работа о трении движущихся жидкостей, а также о равновесии и движении упругих твердых тел. а в 1850 году - еще один о влиянии внутреннего трения жидкостей на движение маятников . В теорию звука он внес несколько вкладов, в том числе обсуждение влияния ветра на интенсивность звука. и объяснение того, как на интенсивность влияет природа газа, в котором производится звук. 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 оседание ряби и волн в воде, но и к решению практических задач, таких как течение воды в реках и каналах, сопротивление обшивки кораблей.

Ползучий поток

Основная статья: закон Стокса

Ползучее обтекание сферы: линии тока и силы.

Работа Стокса по движению жидкости и вязкости привела к расчету конечной скорости сферы, падающей в вязкую среду. 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 .

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. серия стальных шарикоподшипников В классическом эксперименте для повышения точности расчета обычно используется разного диаметра. В школьном эксперименте в качестве жидкости используется глицерин , а этот метод применяется в промышленности для проверки вязкости жидкостей, используемых в технологических процессах.

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.

« Стокс », СГС единица кинематической вязкости , была названа в знак признания его работы.

Свет

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 гг. а в 1848 году последовала работа по теории некоторых полос, наблюдаемых в спектре .

В 1849 году он опубликовал большую статью по динамической теории дифракции , в которой показал, что плоскость поляризации должна быть перпендикулярна направлению распространения. Два года спустя он обсуждал цвета толстых пластин.

Стоукс также исследовал Джорджа Эйри математическое описание радуги . Результаты Эйри включали интеграл, который было неудобно вычислять. Стоукс выразил интеграл как расходящийся ряд , который был мало понятен. Однако, ловко 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. Исследования Стоукса асимптотических рядов привели к фундаментальному пониманию таких рядов.

Флуоресценция

Плавиковый шпат

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. 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 много лет назад он слышал об этом отчете от Стоукса и неоднократно, но тщетно умолял его опубликовать его.

Поляризация

Кристалл кальцита, лежащий на бумаге с буквами, обозначающими двойное лучепреломление.

В том же 1852 году появилась статья о составе и разрешении потоков поляризованного света от разных источников. а в 1853 году — исследование металлического отражения некоторых неметаллических веществ. Исследование должно было подчеркнуть явление поляризации света . Около 1860 года он занимался исследованием интенсивности света, отраженного от стопки пластин или прошедшего через нее; а в 1862 году он подготовил для Британской ассоциации ценный отчет о двойном лучепреломлении . явление, при котором определенные кристаллы имеют разные показатели преломления по разным осям. Пожалуй, самым известным кристаллом является исландский шпат , прозрачные кристаллы кальцита .

Той же датой датирована статья о длинном спектре электрического света. и сопровождалось исследованием спектра поглощения крови.

Химический анализ

Химическая идентификация органических тел по их оптическим свойствам была разработана в 1864 г.; а позже, совместно с преподобным Уильямом Верноном Харкортом , он исследовал связь между химическим составом и оптическими свойствами различных стекол, имея в виду условия прозрачности и усовершенствование ахроматических телескопов . Еще в более поздней статье, посвященной конструкции оптических инструментов, обсуждались теоретические пределы апертуры объективов микроскопов.

Офтальмология

В 1849 году Стоукс изобрел линзу Стокса для обнаружения астигматизма . Это комбинация линз, состоящая из цилиндрических линз одинаковой, но противоположной оптической силы , соединенных вместе таким образом, что линзы можно вращать относительно друг друга.

Другая работа

Радиометр Крукса

Из других областей физики можно упомянуть его работу о теплопроводности в кристаллах (1851 г.). и его запросы в связи с радиометром Крукса ; его объяснение светлой границы, часто наблюдаемой на фотографиях сразу за контуром темного тела, видимого на фоне неба (1882 г.); и, еще позже, его теория рентгеновских лучей , которые, как он предположил, могли быть поперечными волнами, движущимися как бесчисленные одиночные волны, а не регулярными последовательностями. Две длинные статьи, опубликованные в 1849 году — одна о притяжении и теореме Клеро , а другой - об изменении силы тяжести на поверхности Земли (1849 г.) - формула гравитации Стокса. - также требуют внимания, как и его математические мемуары о критических значениях сумм периодических рядов (1847 г.). и о численном вычислении класса определенных интегралов и бесконечных рядов (1850 г.) и его обсуждение дифференциального уравнения , касающегося разрушения железнодорожных мостов (1849 г.), исследование, связанное с его показаниями, данными Королевской комиссии по использованию железа в железнодорожных конструкциях после катастрофы на мосту Ди в 1847 году.

Неопубликованное исследование

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 .

Лорд Кельвин

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 .

Кирхгоф

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 чрезмерно ревностны в его деле. Надо, однако, сказать, что английские ученые не приняли этого отказа от ответственности во всей его полноте и до сих пор приписывают Стоксу заслугу первого изложения основных принципов спектроскопии .

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.

Вклад в инженерное дело

Мост Ди после обрушения

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 , и или изгибе многие другие подобные мосты пришлось снести или укрепить.

Падший мост Тей с севера

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».

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.

Работа над религией

Скрин , Ирландская церковь в графстве Слайго

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 . Он также был вице-президентом Британского и зарубежного библейского общества и активно участвовал в доктринальных дебатах, касающихся миссионерской работы. Однако, хотя его религиозные взгляды были в основном ортодоксальными, он был необычным среди викторианских евангелистов тем, что отвергал вечное наказание в аду и вместо этого был сторонником христианского условного подхода .

Как писал президент Института Виктории Стоукс: «Мы все признаем, что книга Природы и книга Откровения одинаково исходят от Бога и, следовательно, не может быть реального расхождения между ними, если их правильно интерпретировать. Откровения по большей части настолько различны, что вероятность столкновения невелика. Но если возникнет очевидное несоответствие, мы не имеем принципиального права исключать одно в пользу другого, как бы твердо мы ни были убеждены в этом. истинности 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 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».

Личная жизнь

Стоукс женился на Мэри Сюзанне 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 баронетство; Сюзанна Элизабет, умершая в младенчестве; Изабелла Люси (г-жа Лоуренс Хамфри), написавшая личные мемуары своего отца в «Мемуары и научная переписка 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.

и

Дополнительная информация: Список вещей, названных в честь Джорджа Габриэля Стоукса.

• Лукасовский профессор математики в Кембриджском университете
• От Королевского общества , членом которого он стал в 1851 году, он получил медаль Румфорда в 1852 году в знак признания его исследований в области длины волны света, а позже, в 1893 году, медаль Копли .
• В 1869 году он председательствовал на Эксетерском собрании Британской ассоциации.
• В 1874 году он был избран международным почетным членом Американской академии искусств и наук.
• США. В 1883 году он был избран международным членом Национальной академии наук
• С 1883 по 1885 год он был лектором Бернетта в Абердине , его лекции о свете, опубликованные в 1884–1887 годах, были посвящены его природе, использованию его как средства исследования и его благотворному влиянию.
• 18 апреля 1888 года он был признан почетным гражданином лондонского Сити.
• 6 июля 1889 года королева Виктория сделала его баронетом как сэр Джордж Габриэль Стоукс из коттеджа Ленсфилд в баронете Соединенного Королевства ; название вымерло в 1916 году.
• В 1889 году он был избран международным членом Американского философского общества .
• В 1891 году, будучи преподавателем в Гиффорде , он опубликовал книгу «Естественное богословие».
• Член прусского ордена «За заслуги»
• Его академические награды включали почетные степени многих университетов, в том числе
  • Доктор математики ( honoris causa ) из Королевского университета Фредерика 6 сентября 1902 года, когда праздновали столетие со дня рождения математика Нильса Хенрика Абеля .
• . — стокс единица кинематической вязкости В его честь названа
• В 1909 году Общество Стокса в Пембрук-колледже было основано как академический центр для студентов-ученых всего университета. Он остается активным по состоянию на 2023 год.
• В июле 2017 года Дублинский городской университет назвал здание в честь Стокса в знак признания его вклада в физику и математику.

Публикации

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 Стокса, опубликованные в Кембридж в 1907 году.

• 
  Тома IV математических и физических статей (1880–1905)
• 
  Титульный лист первого тома математических и физических статей (1880 г.)
• 
  Оглавление тома I математических и физических статей (1880 г.)
• 
  Первая страница тома I математических и физических статей (1880 г.)

См. также

• Стоксов поток
• Список президентов Королевского общества

Ссылки

• В эту статью включен текст из публикации, которая сейчас находится в свободном доступе : Чисхолм, Хью , изд. (1911). « Стоукс, сэр Джордж Габриэль ». Британская энциклопедия . Том. 25 (11-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр. 951–953.

Дальнейшее чтение

• Уилсон, Дэвид Б., Кельвин и Стоукс. Сравнительное исследование викторианской физики (1987) ISBN   0-85274-526-5
  • Рош, Джон (26 мая 1988 г.). «Обзор Кельвина и Стокса Дэвида Уилсона» . Новый учёный : 73.
• Крейк, ADD (2005), «Джордж Габриэль Стоукс о теории волн в воде», Annual Review of Fluid Mechanics , 37 (1): 23–42, Bibcode : 2005AnRFM..37...23C , doi : 10.1146/annurev.fluid .37.061903.175836
• Питер Р. Льюис, Красивый железнодорожный мост Сильвери Тэй: повторное расследование катастрофы на мосту Тей в 1879 году , Темпус (2004). ISBN   0-7524-3160-9
• Льюис, Питер Р.; Гагг, Колин (2004). «Эстетика против функции: падение моста Ди, 1847 год». Междисциплинарные научные обзоры . 29 (2): 177–191. Бибкод : 2004ISRv...29..177L . дои : 10.1179/030801804225012563 . S2CID   17907426 .
• П.Р. Льюис, Катастрофа на Ди: Немезида Роберта Стивенсона 1847 года , Tempus Publishing (2007) ISBN   978-0-7524-4266-2
• Джордж Габриэль Стоукс: жизнь, наука и вера под редакцией Марка Маккартни, Эндрю Уитакера и Аластера Вуда, Oxford University Press, 2019. ISBN   0-19-882286-3

Внешние ссылки

• Сэр Джордж Стоукс, первый баронет проекта математической генеалогии
• О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Сэр Джордж Стоукс, первый баронет» , Архив истории математики MacTutor , Университет Сент-Эндрюс
• Биография на веб-сайте Дублинского городского университета
• Джордж Габриэль Стоукс (1907). Мемуары и научная переписка покойного сэра Джорджа Габриэля Стоукса ... Университетское издательство. (1907), изд. Дж. Лармор
• Математические и физические статьи, том 1 и том 2 из Интернет-архива.
• Математические и физические статьи, тома с 1 по 5 из цифровой коллекции Мичиганского университета.
• Жизнь и творчество Стокса
• Естественное богословие (1891), Адам и Чарльз Блэк. (1891–93 Гиффордские лекции )
• Работы сэра Джорджа Стоукса, 1-го баронета или о нем, в Интернет-архиве
• Хансард 1803–2005: вклады в парламент сэра Джорджа Стоукса