조지 스토크스: 그를 거의 익사시킬 뻔한 파도

그의 딸이 직접 그 기원 이야기를 기록했다. 이사벨라 험프리스는 아버지에 대해 "그는 소년 시절 슬라이고 해안에서 수영을 하다가 이 거대한 파도 중 하나에 거의 휩쓸려 갈 뻔했고, 이것이 처음으로 그의 관심을 파도로 돌렸다"고 썼다. 조지 가브리엘 스토크스는 그 후 70년을 이 문제에 매달렸고, 결국 유체의 움직임을 지배하는 방정식을 쓰고, 구름이 공중에 떠 있는 이유를 설명하고, 일부 물질이 보이지 않는 빛 아래에서 빛나는 이유를 알아냈으며, 단위, 정리, 렌즈, 스펙트럼 선, 두 개의 분화구에 자신의 이름을 남겼다. 그는 케임브리지 대학의 루카스 수학 교수직을 54년간 역임했는데, 이는 뉴턴을 포함하여 해당 교수직 역사상 가장 긴 기간이었다.

바닷가의 목사관

스토크스는 1819년 8월 13일 슬라이고 카운티의 스크린에서 아일랜드 성공회 교구 목사인 가브리엘 스토크스와 엘리자베스 호튼의 막내아들로 태어났다. 그의 세 형제는 성직자가 되었고, 그중 존은 아마의 부주교가 되었다. 그는 여동생 엘리자베스와 특히 가까웠다. 어린 시절의 대서양 해안은 그 어떤 교사보다 직접적으로 그의 과학을 형성했다.

그는 스크린, 더블린, 브리스톨에서 교육을 받았고 1837년 케임브리지의 펨브로크 칼리지에 입학했다. 1841년 수학 트라이포스 수석인 시니어 랭글러이자 스미스 상 수상자로 졸업했고 즉시 펨브로크의 펠로우로 선출되었다. 1857년 결혼할 때 당시 대학 규정에 따라 펠로우직을 사임했으나, 1869년 개정된 규정에 따라 재선되었고, 사망 전해인 1902년 펨브로크의 마스터가 될 때까지 그 직을 유지했다.

움직이는 유체의 물리학

1842년에서 1851년 사이에 스토크스는 본질적으로 현대 유체 역학을 창시했다. 비압축성 유체의 운동, 유체 내 마찰, 내부 마찰에 관한 그의 논문은 흩어져 있던 경험적 규칙의 분야를 수학적 규율로 바꾸었다. 그는 이를 사용하여 구름이 왜 떠 있는지, 왜 파도가 가라앉는지 설명하고, 강물의 흐름이나 선박이 받는 저항과 같은 실제적인 문제를 해결했다.

두 가지 결과에 그의 이름이 붙어 있다. 그가 중요한 기여를 한 나비에-스토크스 방정식은 유체 흐름에 대한 기본적인 설명이자 수학에서 가장 어려운 미해결 문제 중 하나로 남아 있다. 스토크스 법칙은 점성 매질 속을 천천히 움직이는 구체에 작용하는 항력을 제공하며, 따라서 종단 속도를 제공한다. 이는 유체의 점도를 측정하기 위해 오늘날에도 산업적으로 사용되는 낙구 점도계의 이론적 기초이다. 동점도의 CGS 단위인 스토크스는 그에게서 이름을 딴 것이다.

빛과 우라늄 유리의 빛

1845년경부터 스토크스는 빛의 파동 이론으로 눈을 돌렸다. 회절에 관한 1849년 논문은 편광면이 빛의 진행 방향에 수직이어야 함을 증명했으며, 이는 빛이 물리적으로 무엇인지에 대한 결정적인 제약이 되었다.

그의 가장 유명한 광학 연구는 1852년 논문 "빛의 굴절률 변화에 대하여"에서 나왔다. 형석과 우라늄 유리를 관찰하면서 스토크스는 형광을 기술하고 명명했다. 이는 보이지 않는 자외선을 더 긴 파장의 가시광선으로 변환하는 것이다. 관련된 에너지 이동은 스토크스 이동이라고 불리며, 이 현상은 형광 조명부터 현대 생물학을 볼 수 있게 하는 표지 분자에 이르기까지 모든 것의 기초가 된다.

그는 30년 동안 연구를 계속했다. 1850년대에는 무지개를, 1851년에는 두꺼운 판의 색깔을, 1853년에는 비금속 물질에 의한 금속 반사를, 1860년에는 쌓인 판을 통과하는 빛의 강도를 연구했고, 1862년 한 해에만 복굴절, 전기광 스펙트럼, 혈액의 흡수 스펙트럼에 대해 발표했다. 1878년에는 현미경 개구수의 이론적 한계를 확립했다. 1849년에는 난시를 감지하기 위한 원통형 렌즈 장치인 스토크스 렌즈를 발명했다.

그는 한 가지 기회를 놓쳤다. 1852년 여름 이전, 스토크스는 로드 켈빈에게 빛의 프리즘 분석이 태양과 별의 화학을 어떻게 밝힐 수 있는지 가르쳤는데, 이는 구스타프 키르히호프보다 7~8년 앞선 것이었다. 그러나 그는 특정 파장에서의 방출이 같은 파장에서의 흡수를 필요로 한다는 것을 이해하지 못했고, 나중에 "키르히호프의 감탄할 만한 발견의 어떤 부분"도 부인했다. 그럼에도 영국 과학자들은 그에게 그 원리를 돌렸다.

수학과 발산 급수

표면 위의 장의 적분을 그 경계에서의 장의 거동과 연결하는 항등식인 스토크스 정리는 그가 이를 대중화했기 때문에 그의 이름이 붙어 있다. 이는 벡터 해석학의 주요 결과 중 하나가 되었다. 조지 에어리의 무지개 처리를 조사하는 과정에서 그는 다루기 힘든 적분을 발산 급수로 표현하고 이를 교묘하게 절단하여 정확한 근사값을 얻었는데, 이는 점근 전개에 대한 초기 통찰이자 응용 수학에서 가장 생산적인 제어된 트릭 중 하나이다.

무너진 다리

빅토리아 시대 영국은 재료를 이해하는 것보다 빠르게 철도를 건설했고, 실패했을 때 스토크스가 호출되었다. 1847년 5월 체스터 근처의 디 브리지 붕괴 후, 그는 주철 빔의 결함을 조사하고 그 결과로 구성된 왕립 위원회에서 활동하며 달리는 기관차가 다리에 가하는 힘을 계산했다. 1879년 12월 28일 테이 브리지 참사 후, 폭풍이 급행열차가 통과하는 동안 하이 거더스 구간을 파괴하고 75명 이상이 사망했을 때, 그는 풍하중에 관한 전문가 증인으로 출석했다. 조사 위원회는 다리가 "설계가 나쁘고, 건설이 나쁘고, 유지 관리가 나쁘다"고 결론지었다. 스토크스는 구조물이 실제로 견뎌야 하는 힘을 확립하기 위해 전국적인 폭풍우를 측정한 후속 풍압 왕립 위원회에 임명되었다.

핑계 없는 신앙

스토크스는 평생 보수적인 복음주의 개신교도였다. 1886년 다윈의 진화론에 맞서 복음주의 기독교를 방어하기 위해 설립된 빅토리아 협회의 회장이 되었고, 1891년 자연신학에 관한 기퍼드 강연을 했으며, 영국 외국 성서 공회의 부회장을 역임했다. 그의 입장은 소속이 시사하는 것보다 미묘했다. "우리는 모두 자연의 책과 계시의 책이 모두 하나님으로부터 왔으며, 따라서 올바르게 해석된다면 둘 사이에 실제적인 모순이 있을 수 없음을 인정한다"고 그는 협회 회장으로서 썼다. 그는 과학적 증거는 "단지 확률적"이며 수정의 여지가 있음을 강조하면서도 계시를 배척하는 것에 대해서도 경고했다. 대부분의 빅토리아 시대 복음주의자들과 달리 그는 영원한 형벌을 거부하고 대신 기독교의 조건설을 고수했다.

문지기

스토크스는 1849년부터 1903년까지 루카스 교수, 1854년부터 1884년까지 왕립 학회 사무총장, 1885년부터 1890년까지 회장, 1887년부터 1892년까지 케임브리지 대학의 보수당 의원을 역임했으며, 교수직, 회장직, 의석을 동시에 보유한 최초의 인물이었다. 사무총장으로서의 30년은 한 평가에 따르면 "수학 및 물리 과학의 발전에 눈에 띄지 않지만 거대한 영향"을 주었다. 그는 다른 사람들의 수학적 어려움을 해결하고 연구 과제를 배분했으며, 역사가들은 그를 빅토리아 시대 과학의 문지기라고 부른다.

그는 1889년 준남작에 서임되었고 1852년 럼퍼드 메달, 1870년 홉킨스 상, 1893년 코플리 메달을 수상했다. 1899년 6월 1일 루카스 교수로서의 금혼식에는 유럽과 미국 전역에서 대표들이 모였고, 켈빈은 하모 소니크로프트가 만든 대리석 흉상을 증정했다.

가족과 최후

1857년 7월 4일, 스토크스는 아마의 성 패트릭 대성당에서 아일랜드 천문학자 토머스 롬니 로빈슨의 딸 메리 수잔나 로빈슨과 결혼했다. 다섯 자녀 중 두 딸은 유아기에 사망했고, 의사였던 아들 윌리엄은 일시적인 정신 착란 중에 30세의 나이로 자살했다. 스토크스는 1903년 2월 1일 83세의 나이로 사망하여 케임브리지의 밀 로드 묘지에 안장되었고, 웨스트민스터 사원에 기념비가 세워졌다. 남계는 끊기고 준남작 작위는 단절되었지만, 스토크스, 스토크스 이동, 스토크스 선, 달과 화성의 분화구, 그리고 여전히 수학자들을 괴롭히는 방정식은 지우기가 더 어렵다는 것이 증명되었다.