ジョージ・ストークス：彼を溺れさせかけた波

彼の娘自身がその起源の物語を記録している。「彼は少年時代、スライゴ沖で泳いでいたときに、これらの大きな波の一つにさらわれそうになった」とイザベラ・ハンフリーズは父親について書き、「これが初めて彼の注意を波に向けさせた」と述べている。ジョージ・ガブリエル・ストークスはその後70年間この問題に取り組み、最終的には流体の動きを支配する方程式を書き、雲が空に浮かんでいる理由を説明し、一部の物質が目に見えない光の下で輝く理由を解明し、単位、定理、レンズ、スペクトル線、2つのクレーターに自分の名前を残した。彼はケンブリッジ大学のルーカス教授職を54年間務め、ニュートンを含め、その職の歴史の中で誰よりも長かった。

海辺の牧師館

ストークスは1819年8月13日、スライゴ州スクリーンのアイルランド国教会の教区牧師ガブリエル・ストークスとエリザベス・ホートンの末っ子として生まれた。3人の兄弟は聖職者となり、そのうちのジョンはアーマーの助祭長になった。彼は姉妹のエリザベスと特に親しかった。子供時代の大西洋岸は、どんな教師よりも直接的に彼の科学を形作った。

彼はスクリーン、次にダブリン、次にブリストルで教育を受け、1837年にケンブリッジのペンブルック・カレッジに入学した。1841年に数学トライポスのトップであるシニア・ラングラーおよびスミス賞受賞者として卒業し、直ちにペンブルックのフェローに選出された。1857年に結婚した際、当時の大学の規定によりフェローを辞任したが、1869年に改訂された規定の下で再選され、死の前年である1902年にペンブルックのマスターになるまでその職を保持した。

流体運動の物理学

1842年から1851年の間に、ストークスは本質的に現代流体力学を創設した。非圧縮性流体の運動、流体中の摩擦、内部摩擦に関する彼の論文は、散在していた経験則の分野を数学的規律に変えた。彼はそれを使って、雲がなぜ浮遊したままなのか、なぜ波が収まるのかを説明し、川の水流や船が受ける抵抗といった実際的な問題に取り組んだ。

2つの成果に彼の名が冠されている。彼が重要な貢献をしたナビエ・ストークス方程式は、流体流の基本的な記述であり、数学における最も困難な未解決問題の一つである。ストークスの法則は、粘性媒体中をゆっくりと移動する球体に働く抗力を与え、したがってその終端速度を与える。これは、流体の粘度を測定するために現在も工業的に使用されている落下球粘度計の理論的基礎である。動粘度のCGS単位であるストークスは、彼にちなんで名付けられた。

光とウランガラスの輝き

1845年頃から、ストークスは光の波動説に転じた。回折に関する1849年の論文は、偏光面が光の進行方向に対して垂直でなければならないことを証明し、光が物理的に何であるかという決定的な制約となった。

彼の最も有名な光学研究は、1852年の論文「光の屈折率の変化について」である。蛍石とウランガラスを観察し、ストークスは蛍光を記述し命名した。これは、目に見えない紫外線を目に見えるより長い波長の光に変換することである。関与するエネルギーシフトはストークスシフトと呼ばれ、この現象は蛍光灯から現代の生物学を見えるようにする標識分子に至るまで、あらゆるものの基礎となっている。

彼は30年間研究を続けた。1850年代には虹を、1851年には厚い板の色を、1853年には非金属物質による金属反射を、1860年には積み重ねた板を通る光の強度を研究し、1862年だけでも複屈折、電気光のスペクトル、血液の吸収スペクトルについて発表した。1878年には顕微鏡の開口数の理論的限界を確立した。1849年には乱視を検出するための円筒レンズ装置であるストークスレンズを発明した。

彼は一つの機会を逃した。1852年の夏の前、ストークスはロード・ケルビンに、光のプリズム分析が太陽や星の化学をどのように明らかにできるかを教えた。これはグスタフ・キルヒホフより7、8年先んじていた。しかし、彼は特定の波長での放出が同じ波長での吸収を必要とすることを理解しておらず、後に「キルヒホフの賞賛すべき発見のいかなる部分」も否定した。それでもイギリスの科学者たちは彼にその原理を帰した。

数学と発散級数

表面上の場の積分をその境界での場の振る舞いに結びつける恒等式であるストークスの定理は、彼がそれを普及させたために彼の名が冠されている。それはベクトル解析の主要な結果の一つとなった。ジョージ・エアリーの虹の扱いを調査する中で、彼は扱いにくい積分を発散級数として表現し、それを巧みに切り詰めて正確な近似値を得た。これは漸近展開への初期の洞察であり、応用数学の最も生産的な制御されたトリックの一つである。

崩落した橋

ヴィクトリア朝のイギリスは、材料を理解するよりも速く鉄道を建設し、失敗したときにストークスが呼び出された。1847年5月のチェスター近郊のディー橋崩落後、彼は鋳鉄製梁の故障を調査し、その結果生じた王立委員会に務め、走行中の機関車が橋に及ぼす力を計算した。1879年12月28日のテイ橋災害後、嵐が急行列車が通過中にハイ・ガーダーズ区間を破壊し、75人以上が死亡した際、彼は風荷重に関する専門家証人として現れた。調査委員会は、橋が「設計が悪く、建設が悪く、維持も悪かった」と結論付けた。ストークスは、構造物が実際に耐えなければならない力を確立するために全国の嵐の風を測定した、その後の風圧に関する王立委員会に任命された。

曖昧さのない信仰

ストークスは生涯を通じて保守的な福音派プロテスタントであった。1886年にダーウィン進化論に対して福音派キリスト教を擁護するために設立されたヴィクトリア協会の会長となり、1891年には自然神学に関するギフォード講義を行い、英国外国聖書協会の副会長を務めた。彼の立場は、所属が示唆するものよりも微妙であった。「私たちは皆、自然の書と啓示の書はどちらも神から来るものであり、したがって正しく解釈されれば両者の間に真の矛盾はあり得ないことを認めている」と彼は協会の会長として書いている。彼は科学的証拠は「単に確率的」であり修正の余地があることを強調しつつ、啓示を退けることに対しても警告した。ほとんどのヴィクトリア朝の福音派とは異なり、彼は永遠の罰を否定し、代わりにキリスト教の条件説を支持した。

門番

ストークスは1849年から1903年までルーカス教授、1854年から1884年まで王立協会事務局長、1885年から1890年まで会長、1887年から1892年までケンブリッジ大学の保守党議員を務め、教授職、会長職、議席を同時に保持した最初の人物であった。事務局長としての30年間は、ある評価によれば「数学および物理科学の進歩に、目立たないながらも巨大な影響」を与えた。彼は他人の数学的困難を解決し、研究課題を配分した。歴史家は彼をヴィクトリア朝科学の門番と呼ぶ。

彼は1889年に准男爵に叙され、1852年にランフォード・メダル、1870年にホプキンス賞、1893年にコプリ・メダルを受賞した。1899年6月1日、ルーカス教授としての金婚式にはヨーロッパとアメリカから代表者が集まり、ケルビンはハモ・ソーニクロフトによる大理石の胸像を贈呈した。

家族と最期

1857年7月4日、ストークスはアーマーの聖パトリック大聖堂で、アイルランドの天文学者トーマス・ロムニー・ロビンソンの娘メアリー・スザンナ・ロビンソンと結婚した。5人の子供のうち、2人の娘は幼児期に亡くなり、医師であった息子のウィリアムは、一時的な精神錯乱の間に30歳で自殺した。ストークスは1903年2月1日に83歳で亡くなり、ケンブリッジのミル・ロード墓地に埋葬され、ウェストミンスター寺院に記念碑が建てられた。男系は途絶え、准男爵位は断絶したが、ストークス、ストークスシフト、ストークス線、月や火星のクレーター、そして今も数学者を悩ませる方程式は、消し去ることがより困難であることが証明された。