George Stokes: Die Wellen, die ihn fast ertränkt hätten

Seine Tochter hielt die Entstehungsgeschichte selbst fest. „Er wurde als Junge beim Baden vor der Küste von Sligo fast von einer dieser großen Wellen mitgerissen“, schrieb Isabella Humphreys über ihren Vater, „und dies lenkte seine Aufmerksamkeit erstmals auf Wellen.“ George Gabriel Stokes verbrachte die folgenden sieben Jahrzehnte mit diesem Problem, und am Ende hatte er die Gleichungen geschrieben, die die Bewegung von Flüssigkeiten regeln, erklärt, warum Wolken in der Luft hängen, herausgefunden, warum manche Substanzen unter unsichtbarem Licht leuchten, und einer Einheit, einem Theorem, einer Linse, einer Spektrallinie und zwei Kratern seinen Namen geliehen. Er hielt die Lucasian-Professur in Cambridge vierundfünfzig Jahre lang – länger als jeder andere in der Geschichte des Lehrstuhls, Newton eingeschlossen.

Ein Pfarrhaus am Meer

Stokes wurde am 13. August 1819 in Skreen, County Sligo, als jüngster Sohn des Reverend Gabriel Stokes, Rektor der Gemeinde der Church of Ireland, und Elizabeth Haughton geboren. Drei seiner Brüder gingen in den Klerus; einer, John, wurde Erzdiakon von Armagh. Er stand seiner Schwester Elizabeth besonders nahe. Die Atlantikküste seiner Kindheit prägte seine Wissenschaft so direkt wie jeder Lehrer.

Er wurde in Skreen, dann in Dublin, dann in Bristol unterrichtet und immatrikulierte sich 1837 am Pembroke College in Cambridge. 1841 schloss er als Senior Wrangler – Bester des mathematischen Tripos – und Smith's Prizeman ab und wurde sofort zum Fellow von Pembroke gewählt. Er legte das Fellowship bei seiner Heirat 1857 nieder, wie es die damaligen Statuten des Colleges erforderten, wurde 1869 nach überarbeiteten Statuten wiedergewählt und hielt es, bis er 1902, ein Jahr vor seinem Tod, Master of Pembroke wurde.

Die Physik bewegter Flüssigkeiten

Zwischen 1842 und 1851 begründete Stokes im Wesentlichen die moderne Fluiddynamik. Seine Arbeiten über die Bewegung inkompressibler Flüssigkeiten, über Reibung in Flüssigkeiten und über innere Reibung verwandelten ein Feld verstreuter empirischer Regeln in eine mathematische Disziplin. Er nutzte sie, um zu erklären, warum Wolken in der Schwebe bleiben und warum Wellen abklingen, und um praktische Probleme anzugehen – den Wasserfluss in Flüssen, den Widerstand, auf den Schiffe stoßen.

Zwei Ergebnisse tragen seinen Namen. Die Navier-Stokes-Gleichungen, zu denen er bahnbrechende Beiträge leistete, bleiben die grundlegende Beschreibung der Fluidströmung und eines der schwierigsten ungelösten Probleme der Mathematik. Das Stokes-Gesetz gibt den Widerstand auf eine Kugel an, die sich langsam durch ein viskoses Medium bewegt, und damit ihre Endgeschwindigkeit – die theoretische Grundlage des Fallkugelviskosimeters, das noch immer industriell zur Messung der Dicke von Flüssigkeiten verwendet wird. Die CGS-Einheit der kinematischen Viskosität, das Stokes, ist nach ihm benannt.

Licht und das Leuchten von Uranglas

Ab etwa 1845 wandte sich Stokes der Wellentheorie des Lichts zu. Sein Artikel von 1849 über Beugung bewies, dass die Polarisationsebene senkrecht zur Richtung liegen muss, in der sich das Licht bewegt – eine entscheidende Einschränkung dessen, was Licht physikalisch ist.

Seine berühmteste optische Arbeit erschien 1852 mit dem Artikel „Über die Änderung der Brechbarkeit des Lichts“. Bei der Beobachtung von Flussspat und Uranglas beschrieb und benannte Stokes die Fluoreszenz: die Umwandlung unsichtbarer ultravioletter Strahlung in sichtbares Licht längerer Wellenlänge. Die damit verbundene Energieverschiebung wird als Stokes-Verschiebung bezeichnet, und das Phänomen untermauert alles, von der Leuchtstoffbeleuchtung bis zu den markierten Molekülen, die die moderne Biologie sichtbar machen.

Er machte dreißig Jahre lang weiter. Er untersuchte Regenbögen in den 1850er Jahren, die Farben dicker Platten 1851, metallische Reflexion durch nichtmetallische Substanzen 1853, Lichtintensität durch gestapelte Platten 1860, und allein 1862 veröffentlichte er über Doppelbrechung, das Spektrum des elektrischen Lichts und das Absorptionsspektrum von Blut. 1878 legte er theoretische Grenzen für die Mikroskopapertur fest. 1849 erfand er die Stokes-Linse, ein Zylinderlinsengerät zur Erkennung von Astigmatismus.

Eine Gelegenheit ließ er verstreichen. Vor dem Sommer 1852 lehrte Stokes Lord Kelvin, wie die prismatische Analyse des Lichts die Chemie der Sonne und der Sterne enthüllen könnte – sieben oder acht Jahre vor Gustav Kirchhoff. Aber er hatte nicht begriffen, dass Emission bei einer bestimmten Wellenlänge Absorption bei derselben Wellenlänge erfordert, und er lehnte später „jeden Anteil an Kirchhoffs bewundernswerter Entdeckung“ ab. Englische Wissenschaftler schrieben ihm die Prinzipien trotzdem zu.

Mathematik und divergente Reihen

Das Stokes-Theorem, die Identität, die das Integral eines Feldes über eine Oberfläche mit dem Verhalten dieses Feldes an seinem Rand verbindet, trägt seinen Namen, weil er es populär machte; es wurde zu einem der tragenden Ergebnisse der Vektoranalysis. Bei der Untersuchung von George Airys Behandlung von Regenbögen drückte er ein unhandliches Integral als divergente Reihe aus und kürzte es geschickt, um genaue Näherungen zu erhalten – ein früher Einblick in asymptotische Entwicklungen, einer der produktivsten kontrollierten Tricks der angewandten Mathematik.

Brücken, die einstürzten

Das viktorianische Großbritannien baute seine Eisenbahnen schneller, als es die Materialien verstand, und Stokes wurde hinzugezogen, als sie versagten. Nach dem Einsturz der Dee-Brücke bei Chester im Mai 1847 untersuchte er das Versagen eines gusseisernen Trägers und diente in der daraus resultierenden Royal Commission, wobei er die Kräfte berechnete, die eine fahrende Lokomotive auf eine Brücke ausübt. Nach der Tay-Brücken-Katastrophe vom 28. Dezember 1879, als ein Sturm den High-Girders-Abschnitt zerstörte, während ein Schnellzug darüber fuhr und mehr als fünfundsiebzig Menschen starben, trat er als Sachverständiger für Windlasten auf. Die Untersuchungskommission stellte fest, dass die Brücke „schlecht entworfen, schlecht gebaut und schlecht gewartet“ war. Stokes wurde in die nachfolgende Royal Commission für Winddruck berufen, die Sturmwindgeschwindigkeiten im ganzen Land maß, um festzustellen, welchen Kräften Strukturen tatsächlich standhalten mussten.

Glaube ohne Ausflüchte

Stokes blieb sein ganzes Leben lang ein konservativer evangelikaler Protestant. 1886 wurde er Präsident des Victoria Institute, das gegründet wurde, um das evangelikale Christentum gegen die darwinistische Evolution zu verteidigen; 1891 hielt er die Gifford Lectures über natürliche Theologie, und er war Vizepräsident der British and Foreign Bible Society. Seine Position war subtiler, als die Zugehörigkeiten vermuten lassen. „Wir alle geben zu“, schrieb er als Präsident des Instituts, „dass das Buch der Natur und das Buch der Offenbarung gleichermaßen von Gott kommen und dass es daher keine wirkliche Diskrepanz zwischen den beiden geben kann, wenn sie richtig interpretiert werden.“ Er betonte, dass wissenschaftliche Beweise „nur wahrscheinlich“ und revisionsbedürftig seien – während er gleichzeitig davor warnte, die Offenbarung abzutun. Im Gegensatz zu den meisten viktorianischen Evangelikalen lehnte er ewige Bestrafung ab und hielt stattdessen am christlichen Konditionalismus fest.

Der Torwächter

Stokes war von 1849 bis 1903 Lucasian-Professor, von 1854 bis 1884 Sekretär der Royal Society, von 1885 bis 1890 deren Präsident und von 1887 bis 1892 konservativer Abgeordneter für die Universität Cambridge – der erste Mann, der die Professur, die Präsidentschaft und einen Parlamentssitz gleichzeitig innehatte. Dreißig Jahre als Sekretär gaben ihm, so eine Einschätzung, „einen enormen, wenn auch unauffälligen Einfluss auf den Fortschritt der mathematischen und physikalischen Wissenschaft“. Er löste die mathematischen Schwierigkeiten anderer Leute und verteilte Forschungsprobleme; Historiker nennen ihn einen Torwächter der viktorianischen Wissenschaft.

Er wurde 1889 zum Baronet ernannt und gewann 1852 die Rumford-Medaille, 1870 den Hopkins-Preis und 1893 die Copley-Medaille. Am 1. Juni 1899 zog sein goldenes Jubiläum als Lucasian-Professor Delegierte aus ganz Europa und Amerika an; Kelvin überreichte Marmorbüsten von Hamo Thornycroft.

Familie und Ende

Am 4. Juli 1857 heiratete Stokes Mary Susanna Robinson, die Tochter des irischen Astronomen Thomas Romney Robinson, in der St. Patrick's Cathedral in Armagh. Von fünf Kindern starben zwei Töchter im Säuglingsalter; sein Sohn William, ein Arzt, beging mit dreißig Jahren Selbstmord, während er vorübergehend geistesgestört war. Stokes starb am 1. Februar 1903 im Alter von dreiundachtzig Jahren und wurde auf dem Mill Road Cemetery in Cambridge beigesetzt, mit einem Denkmal in der Westminster Abbey. Die männliche Linie erlosch und die Baronetschaft wurde aussterbend – aber das Stokes, die Stokes-Verschiebung, die Stokes-Linie, Krater auf dem Mond und Mars und die Gleichungen, die Mathematiker immer noch besiegen, haben sich als schwerer auszulöschen erwiesen.