George Stokes: Le onde che quasi lo annegarono

Sua figlia ha registrato lei stessa la storia dell'origine. "Fu quasi trascinato via da una di queste grandi onde mentre faceva il bagno da ragazzo al largo della costa di Sligo", scrisse Isabella Humphreys di suo padre, "e questo attirò per la prima volta la sua attenzione sulle onde". George Gabriel Stokes trascorse i successivi sette decenni sul problema e, alla fine, aveva scritto le equazioni che governano il movimento dei fluidi, spiegato perché le nuvole restano sospese nell'aria, scoperto perché alcune sostanze brillano sotto luce invisibile e prestato il suo nome a un'unità, un teorema, una lente, una riga spettrale e due crateri. Ha ricoperto la cattedra lucasiana a Cambridge per cinquantaquattro anni, più a lungo di chiunque altro nella storia della cattedra, Newton incluso.

Una canonica in riva al mare

Stokes nacque il 13 agosto 1819 a Skreen, nella contea di Sligo, figlio minore del reverendo Gabriel Stokes, rettore della parrocchia della Chiesa d'Irlanda, e di Elizabeth Haughton. Tre dei suoi fratelli entrarono nel clero; uno, John, divenne arcidiacono di Armagh. Era particolarmente legato a sua sorella Elizabeth. La costa atlantica della sua infanzia ha plasmato la sua scienza tanto direttamente quanto qualsiasi insegnante.

Fu istruito a Skreen, poi a Dublino, poi a Bristol, e si immatricolò al Pembroke College di Cambridge nel 1837. Nel 1841 si laureò come Senior Wrangler — il migliore del tripos matematico — e Smith's Prizeman, e fu immediatamente eletto membro del Pembroke. Si dimise dalla borsa di studio al momento del matrimonio nel 1857, come richiesto dagli statuti universitari dell'epoca, fu rieletto secondo gli statuti rivisti nel 1869 e la mantenne fino a quando divenne Master del Pembroke nel 1902, l'anno prima della sua morte.

La fisica dei fluidi in movimento

Tra il 1842 e il 1851, Stokes fondò essenzialmente la moderna fluidodinamica. I suoi articoli sul movimento dei fluidi incomprimibili, sull'attrito nei fluidi e sull'attrito interno trasformarono un campo di regole empiriche sparse in una disciplina matematica. Lo usò per spiegare perché le nuvole rimangono sospese e perché le onde si placano, e per affrontare problemi pratici: il flusso dell'acqua nei fiumi, la resistenza incontrata dalle navi.

Due risultati portano il suo nome. Le equazioni di Navier-Stokes, alle quali diede contributi fondamentali, rimangono la descrizione fondamentale del flusso dei fluidi e uno dei problemi irrisolti più difficili della matematica. La legge di Stokes fornisce la resistenza su una sfera che si muove lentamente attraverso un mezzo viscoso, e quindi la sua velocità terminale: la base teorica del viscosimetro a caduta di sfera ancora utilizzato industrialmente per misurare lo spessore dei fluidi. L'unità CGS di viscosità cinematica, lo stokes, prende il suo nome.

La luce e il bagliore del vetro all'uranio

Dal 1845 circa, Stokes si dedicò alla teoria ondulatoria della luce. Il suo articolo del 1849 sulla diffrazione dimostrò che il piano di polarizzazione deve essere perpendicolare alla direzione in cui viaggia la luce: un vincolo decisivo su cosa sia fisicamente la luce.

Il suo lavoro ottico più celebre arrivò nel 1852 con l'articolo "Sul cambiamento di refrangibilità della luce". Osservando la fluorite e il vetro all'uranio, Stokes descrisse e nominò la fluorescenza: la conversione della radiazione ultravioletta invisibile in luce visibile di lunghezza d'onda maggiore. Lo spostamento energetico coinvolto è chiamato spostamento di Stokes, e il fenomeno è alla base di tutto, dall'illuminazione fluorescente alle molecole marcate che rendono visibile la biologia moderna.

Continuò per trent'anni. Studiò gli arcobaleni negli anni '50 dell'Ottocento, i colori delle lastre spesse nel 1851, la riflessione metallica da parte di sostanze non metalliche nel 1853, l'intensità della luce attraverso lastre impilate nel 1860 e, solo nel 1862, pubblicò sulla doppia rifrazione, lo spettro della luce elettrica e lo spettro di assorbimento del sangue. Nel 1878 stabilì limiti teorici sull'apertura del microscopio. Nel 1849 inventò la lente Stokes, un dispositivo a lente cilindrica per rilevare l'astigmatismo.

Lasciò passare un'opportunità. Prima dell'estate del 1852, Stokes insegnò a Lord Kelvin come l'analisi prismatica della luce potesse rivelare la chimica del sole e delle stelle, anticipando Gustav Kirchhoff di sette o otto anni. Ma non aveva compreso che l'emissione a una data lunghezza d'onda richiede l'assorbimento alla stessa lunghezza d'onda, e in seguito declinò "qualsiasi parte dell'ammirevole scoperta di Kirchhoff". Gli scienziati inglesi gli attribuirono comunque i principi.

Matematica e serie divergenti

Il teorema di Stokes, l'identità che lega l'integrale di un campo su una superficie al comportamento di quel campo sul suo confine, porta il suo nome perché lo rese popolare; divenne uno dei risultati portanti del calcolo vettoriale. Indagando sul trattamento degli arcobaleni di George Airy, espresse un integrale difficile da gestire come una serie divergente e lo troncò abilmente per ottenere approssimazioni accurate: un'intuizione precoce delle espansioni asintotiche, uno dei trucchi controllati più produttivi della matematica applicata.

Ponti che crollarono

La Gran Bretagna vittoriana costruì le sue ferrovie più velocemente di quanto comprendesse i materiali, e Stokes fu chiamato quando fallirono. Dopo il crollo del ponte Dee vicino a Chester nel maggio 1847, indagò sul cedimento di una trave in ghisa e fece parte della conseguente Commissione Reale, calcolando le forze che una locomotiva in movimento esercita su un ponte. Dopo il disastro del ponte Tay del 28 dicembre 1879, quando una tempesta distrusse la sezione High Girders mentre un treno espresso stava attraversando e morirono più di settantacinque persone, apparve come testimone esperto sul carico del vento. La commissione d'inchiesta concluse che il ponte era "mal progettato, mal costruito e mal mantenuto". Stokes fu nominato nella successiva Commissione Reale sulla pressione del vento, che misurò i venti di tempesta in tutto il paese per stabilire quali forze le strutture dovessero effettivamente sopportare.

Fede senza scuse

Stokes rimase un protestante evangelico conservatore per tutta la vita. Nel 1886 divenne presidente del Victoria Institute, fondato per difendere il cristianesimo evangelico contro l'evoluzione darwiniana; nel 1891 tenne le Gifford Lectures sulla teologia naturale e fu vicepresidente della British and Foreign Bible Society. La sua posizione era più sottile di quanto suggeriscano le affiliazioni. "Tutti ammettiamo", scrisse come presidente dell'Istituto, "che il libro della Natura e il libro della Rivelazione provengono entrambi da Dio e che, di conseguenza, non può esserci alcuna reale discrepanza tra i due se interpretati correttamente". Sottolineò che l'evidenza scientifica è "solo probabile" e soggetta a revisione, avvertendo allo stesso tempo di non respingere la rivelazione. A differenza della maggior parte degli evangelici vittoriani, rifiutò la punizione eterna, sostenendo invece il condizionalismo cristiano.

Il guardiano

Stokes fu professore lucasiano dal 1849 al 1903, segretario della Royal Society dal 1854 al 1884, suo presidente dal 1885 al 1890 e deputato conservatore per l'Università di Cambridge dal 1887 al 1892: il primo uomo a ricoprire contemporaneamente la cattedra, la presidenza e un seggio parlamentare. Trent'anni come segretario gli diedero, secondo una valutazione, "un'influenza enorme, sebbene discreta, sull'avanzamento della scienza matematica e fisica". Risolse le difficoltà matematiche di altre persone e distribuì problemi di ricerca; gli storici lo chiamano un guardiano della scienza vittoriana.

Fu nominato baronetto nel 1889 e vinse la medaglia Rumford nel 1852, il premio Hopkins nel 1870 e la medaglia Copley nel 1893. Il 1° giugno 1899, il suo giubileo d'oro come professore lucasiano attirò delegati da tutta Europa e dall'America; Kelvin presentò busti in marmo di Hamo Thornycroft.

Famiglia e fine

Il 4 luglio 1857, Stokes sposò Mary Susanna Robinson, figlia dell'astronomo irlandese Thomas Romney Robinson, nella Cattedrale di San Patrizio ad Armagh. Dei cinque figli, due figlie morirono nell'infanzia; suo figlio William, medico, si suicidò a trent'anni mentre era temporaneamente folle. Stokes morì il 1° febbraio 1903, all'età di ottantatré anni, e fu sepolto nel cimitero di Mill Road, a Cambridge, con un memoriale nell'Abbazia di Westminster. La linea maschile si estinse e il titolo di baronetto divenne estinto, ma lo stokes, lo spostamento di Stokes, la riga di Stokes, i crateri sulla Luna e su Marte e le equazioni che ancora sconfiggono i matematici si sono rivelati più difficili da estinguere.