George Stokes : Les vagues qui ont failli l'emporter

Sa fille a elle-même consigné l'histoire de l'origine. « Il a failli être emporté par l'une de ces grandes vagues alors qu'il se baignait enfant au large de la côte de Sligo », a écrit Isabella Humphreys à propos de son père, « et cela a attiré son attention sur les vagues pour la première fois ». George Gabriel Stokes a passé les sept décennies suivantes sur ce problème, et à la fin, il avait écrit les équations régissant le mouvement des fluides, expliqué pourquoi les nuages flottent dans l'air, découvert pourquoi certaines substances brillent sous une lumière invisible, et prêté son nom à une unité, un théorème, une lentille, une raie spectrale et deux cratères. Il a occupé la chaire lucasienne à Cambridge pendant cinquante-quatre ans — plus longtemps que quiconque dans l'histoire de la chaire, Newton compris.

Un presbytère au bord de la mer

Stokes est né le 13 août 1819 à Skreen, dans le comté de Sligo, le plus jeune fils du révérend Gabriel Stokes, recteur de la paroisse de l'Église d'Irlande, et d'Elizabeth Haughton. Trois de ses frères sont entrés dans le clergé ; l'un, John, est devenu archidiacre d'Armagh. Il était particulièrement proche de sa sœur Elizabeth. La côte atlantique de son enfance a façonné sa science aussi directement que n'importe quel enseignant.

Il a été scolarisé à Skreen, puis à Dublin, puis à Bristol, et s'est inscrit au Pembroke College, à Cambridge, en 1837. En 1841, il a obtenu son diplôme de Senior Wrangler — premier du tripos mathématique — et de Smith's Prizeman, et a été immédiatement élu membre de Pembroke. Il a démissionné de son poste de membre lors de son mariage en 1857, comme l'exigeaient alors les statuts du collège, a été réélu en vertu des statuts révisés en 1869, et l'a conservé jusqu'à ce qu'il devienne maître de Pembroke en 1902, l'année précédant sa mort.

La physique des fluides en mouvement

Entre 1842 et 1851, Stokes a essentiellement fondé la dynamique des fluides moderne. Ses articles sur le mouvement des fluides incompressibles, sur la friction dans les fluides et sur la friction interne ont transformé un domaine de règles empiriques éparses en une discipline mathématique. Il l'a utilisé pour expliquer pourquoi les nuages restent en suspension et pourquoi les vagues s'apaisent, et pour s'attaquer à des problèmes pratiques — l'écoulement de l'eau dans les rivières, la résistance rencontrée par les navires.

Deux résultats portent son nom. Les équations de Navier-Stokes, auxquelles il a apporté des contributions séminales, restent la description fondamentale de l'écoulement des fluides et l'un des problèmes non résolus les plus difficiles en mathématiques. La loi de Stokes donne la traînée sur une sphère se déplaçant lentement à travers un milieu visqueux, et donc sa vitesse terminale — la base théorique du viscosimètre à chute de bille encore utilisé industriellement pour mesurer l'épaisseur des fluides. L'unité CGS de viscosité cinématique, le stokes, est nommée en son honneur.

La lumière et la lueur du verre à l'uranium

À partir de 1845 environ, Stokes s'est tourné vers la théorie ondulatoire de la lumière. Son article de 1849 sur la diffraction a démontré que le plan de polarisation doit être perpendiculaire à la direction dans laquelle la lumière voyage — une contrainte décisive sur ce qu'est physiquement la lumière.

Son travail optique le plus célèbre est arrivé en 1852 avec l'article « Sur le changement de réfrangibilité de la lumière ». En observant la fluorine et le verre à l'uranium, Stokes a décrit et nommé la fluorescence : la conversion du rayonnement ultraviolet invisible en lumière visible de plus grande longueur d'onde. Le décalage énergétique impliqué est appelé décalage de Stokes, et le phénomène sous-tend tout, de l'éclairage fluorescent aux molécules marquées qui rendent la biologie moderne visible.

Il a continué pendant trente ans. Il a étudié les arcs-en-ciel dans les années 1850, les couleurs des plaques épaisses en 1851, la réflexion métallique par des substances non métalliques en 1853, l'intensité lumineuse à travers des plaques empilées en 1860, et rien qu'en 1862, il a publié sur la double réfraction, le spectre de la lumière électrique et le spectre d'absorption du sang. En 1878, il a établi des limites théoriques sur l'ouverture du microscope. En 1849, il a inventé la lentille Stokes, un dispositif à lentille cylindrique pour détecter l'astigmatisme.

Il a laissé passer une occasion. Avant l'été 1852, Stokes a enseigné à Lord Kelvin comment l'analyse prismatique de la lumière pouvait révéler la chimie du soleil et des étoiles — anticipant Gustav Kirchhoff de sept ou huit ans. Mais il n'avait pas compris que l'émission à une longueur d'onde donnée nécessite une absorption à la même longueur d'onde, et il a plus tard décliné « toute part dans l'admirable découverte de Kirchhoff ». Les scientifiques anglais lui ont tout de même attribué les principes.

Mathématiques et séries divergentes

Le théorème de Stokes, l'identité liant l'intégrale d'un champ sur une surface au comportement de ce champ sur sa frontière, porte son nom parce qu'il l'a popularisé ; il est devenu l'un des résultats porteurs du calcul vectoriel. En étudiant le traitement des arcs-en-ciel par George Airy, il a exprimé une intégrale difficile à manier sous forme de série divergente et l'a tronquée intelligemment pour obtenir des approximations précises — un aperçu précoce des développements asymptotiques, l'une des astuces contrôlées les plus productives des mathématiques appliquées.

Des ponts qui se sont effondrés

La Grande-Bretagne victorienne a construit ses chemins de fer plus vite qu'elle ne comprenait les matériaux, et Stokes a été appelé lorsqu'ils ont échoué. Après l'effondrement du pont Dee près de Chester en mai 1847, il a enquêté sur la défaillance d'une poutre en fonte et a siégé à la Commission royale qui en a résulté, calculant les forces qu'une machine en mouvement exerce sur un pont. Après la catastrophe du pont Tay du 28 décembre 1879, lorsqu'une tempête a détruit la section High Girders alors qu'un train express traversait et que plus de soixante-quinze personnes sont mortes, il est apparu comme témoin expert sur la charge du vent. La commission d'enquête a conclu que le pont était « mal conçu, mal construit et mal entretenu ». Stokes a été nommé à la Commission royale de suivi sur la pression du vent, qui a mesuré les vents de tempête à travers le pays pour établir quelles forces les structures devaient réellement supporter.

La foi sans faux-fuyants

Stokes est resté un protestant évangélique conservateur toute sa vie. En 1886, il est devenu président du Victoria Institute, fondé pour défendre le christianisme évangélique contre l'évolution darwinienne ; en 1891, il a donné les Gifford Lectures sur la théologie naturelle, et il était vice-président de la British and Foreign Bible Society. Sa position était plus subtile que ne le suggèrent les affiliations. « Nous admettons tous », a-t-il écrit en tant que président de l'Institut, « que le livre de la Nature et le livre de la Révélation viennent tous deux de Dieu, et que par conséquent, il ne peut y avoir de réelle divergence entre les deux s'ils sont correctement interprétés ». Il a souligné que la preuve scientifique est « seulement probable » et susceptible d'être révisée — tout en mettant également en garde contre le rejet de la révélation. Contrairement à la plupart des évangéliques victoriens, il a rejeté le châtiment éternel, s'en tenant plutôt au conditionnalisme chrétien.

Le gardien

Stokes a été professeur lucasien de 1849 à 1903, secrétaire de la Royal Society de 1854 à 1884, son président de 1885 à 1890, et député conservateur pour l'Université de Cambridge de 1887 à 1892 — le premier homme à occuper simultanément la chaire, la présidence et un siège parlementaire. Trente ans en tant que secrétaire lui ont donné, selon une évaluation, « une influence énorme, bien qu'inconspicue, sur l'avancement des sciences mathématiques et physiques ». Il a résolu les difficultés mathématiques des autres et a distribué des problèmes de recherche ; les historiens l'appellent un gardien de la science victorienne.

Il a été fait baronnet en 1889 et a remporté la médaille Rumford en 1852, le prix Hopkins en 1870 et la médaille Copley en 1893. Le 1er juin 1899, son jubilé d'or en tant que professeur lucasien a attiré des délégués de toute l'Europe et de l'Amérique ; Kelvin a présenté des bustes en marbre de Hamo Thornycroft.

Famille et fin

Le 4 juillet 1857, Stokes a épousé Mary Susanna Robinson, fille de l'astronome irlandais Thomas Romney Robinson, à la cathédrale Saint-Patrick d'Armagh. Sur cinq enfants, deux filles sont mortes en bas âge ; son fils William, médecin, s'est suicidé à trente ans alors qu'il était temporairement fou. Stokes est décédé le 1er février 1903, à l'âge de quatre-vingt-trois ans, et a été enterré au cimetière de Mill Road, à Cambridge, avec un mémorial à l'abbaye de Westminster. La lignée masculine s'est éteinte et le titre de baronnet est devenu extinct — mais le stokes, le décalage de Stokes, la raie de Stokes, les cratères sur la Lune et Mars, et les équations qui défient encore les mathématiciens se sont révélés plus difficiles à éteindre.