Джордж Стокс: Волны, которые едва его не погубили

Его дочь сама записала историю этого происхождения. «Его чуть не унесло одной из этих огромных волн, когда он купался мальчиком у побережья Слайго, — писала Изабелла Хамфрис о своем отце, — и это впервые обратило его внимание на волны». Джордж Габриэль Стокс посвятил этой проблеме следующие семь десятилетий, и в итоге он написал уравнения, управляющие движением жидкостей, объяснил, почему облака висят в воздухе, выяснил, почему некоторые вещества светятся под невидимым светом, и дал свое имя единице измерения, теореме, линзе, спектральной линии и двум кратерам. Он занимал Лукасовскую профессуру в Кембридже в течение пятидесяти четырех лет — дольше, чем кто-либо другой в истории этой кафедры, включая Ньютона.

Приход у моря

Стокс родился 13 августа 1819 года в Скрине, графство Слайго, и был младшим сыном преподобного Габриэля Стокса, ректора прихода Церкви Ирландии, и Элизабет Хотон. Трое его братьев стали священнослужителями; один из них, Джон, стал архидиаконом Армы. Он был особенно близок со своей сестрой Элизабет. Атлантическое побережье его детства сформировало его науку так же непосредственно, как и любой учитель.

Он получил образование в Скрине, затем в Дублине, затем в Бристоле, и поступил в Пембрук-колледж в Кембридже в 1837 году. В 1841 году он окончил университет как «старший рэнглер» — лучший на математическом трипосе — и лауреат премии Смита, и был немедленно избран членом Пембрука. Он сложил с себя полномочия члена совета при женитьбе в 1857 году, как того требовали тогдашние уставы колледжа, был переизбран по пересмотренным уставам в 1869 году и занимал эту должность до тех пор, пока не стал магистром Пембрука в 1902 году, за год до своей смерти.

Физика движущихся жидкостей

В период с 1842 по 1851 год Стокс по сути основал современную гидродинамику. Его работы о движении несжимаемых жидкостей, о трении в жидкостях и о внутреннем трении превратили область разрозненных эмпирических правил в математическую дисциплину. Он использовал ее, чтобы объяснить, почему облака остаются во взвешенном состоянии и почему волны затихают, а также для решения практических задач — потока воды в реках, сопротивления, с которым сталкиваются корабли.

Два результата носят его имя. Уравнения Навье-Стокса, в которые он внес фундаментальный вклад, остаются основным описанием потока жидкости и одной из самых сложных нерешенных проблем в математике. Закон Стокса дает сопротивление сферы, медленно движущейся через вязкую среду, и, следовательно, ее предельную скорость — теоретическую основу вискозиметра с падающим шариком, который до сих пор используется в промышленности для измерения вязкости жидкостей. Единица кинематической вязкости в системе СГС, стокс, названа в его честь.

Свет и свечение уранового стекла

Примерно с 1845 года Стокс обратился к волновой теории света. Его работа 1849 года о дифракции доказала, что плоскость поляризации должна быть перпендикулярна направлению распространения света — решающее ограничение того, чем физически является свет.

Его самая знаменитая оптическая работа появилась в 1852 году в статье «Об изменении преломляющей способности света». Наблюдая за флюоритом и урановым стеклом, Стокс описал и назвал флуоресценцию: преобразование невидимого ультрафиолетового излучения в видимый свет с большей длиной волны. Энергетический сдвиг, связанный с этим, называется стоксовым сдвигом, и это явление лежит в основе всего: от флуоресцентного освещения до меченых молекул, которые делают современную биологию видимой.

Он продолжал работать тридцать лет. В 1850-х годах он изучал радуги, в 1851 году — цвета толстых пластин, в 1853 году — металлическое отражение неметаллическими веществами, в 1860 году — интенсивность света через сложенные пластины, а только в 1862 году опубликовал работы о двойном лучепреломлении, спектре электрического света и спектре поглощения крови. В 1878 году он установил теоретические пределы апертуры микроскопа. В 1849 году он изобрел линзу Стокса, цилиндрическое линзовое устройство для обнаружения астигматизма.

Одну возможность он упустил. До лета 1852 года Стокс учил лорда Кельвина тому, как призматический анализ света может раскрыть химический состав Солнца и звезд — опередив Густава Кирхгофа на семь или восемь лет. Но он не понял, что излучение на данной длине волны требует поглощения на той же длине волны, и позже отказался от «какой-либо части замечательного открытия Кирхгофа». Английские ученые все равно приписали ему эти принципы.

Математика и расходящиеся ряды

Теорема Стокса, тождество, связывающее интеграл поля по поверхности с поведением этого поля на его границе, носит его имя, потому что он популяризировал ее; она стала одним из опорных результатов векторного анализа. Исследуя трактовку радуг Джорджем Эйри, он выразил трудноразрешимый интеграл в виде расходящегося ряда и ловко усекал его для получения точных приближений — раннее понимание асимптотических разложений, одного из самых продуктивных контролируемых приемов прикладной математики.

Мосты, которые рухнули

Викторианская Британия строила свои железные дороги быстрее, чем понимала материалы, и Стокса вызывали, когда они терпели неудачу. После обрушения моста Ди возле Честера в мае 1847 года он исследовал разрушение чугунной балки и работал в составе Королевской комиссии, рассчитывая силы, которые движущийся паровоз оказывает на мост. После катастрофы на мосту Тей 28 декабря 1879 года, когда шторм разрушил секцию High Girders во время прохождения экспресса и погибло более семидесяти пяти человек, он выступил в качестве эксперта-свидетеля по ветровой нагрузке. Следственная комиссия установила, что мост был «плохо спроектирован, плохо построен и плохо обслуживался». Стокс был назначен в последующую Королевскую комиссию по ветровому давлению, которая измеряла штормовые ветры по всей стране, чтобы установить, каким силам действительно должны были противостоять конструкции.

Вера без уверток

Стокс оставался консервативным евангелическим протестантом всю свою жизнь. В 1886 году он стал президентом Викторианского института, основанного для защиты евангелического христианства от дарвиновской эволюции; в 1891 году он прочитал Гиффордские лекции по естественному богословию, а также был вице-президентом Британского и иностранного библейского общества. Его позиция была более тонкой, чем предполагают эти связи. «Мы все признаем, — писал он как президент Института, — что книга Природы и книга Откровения исходят от Бога, и что, следовательно, не может быть реального расхождения между ними, если их правильно интерпретировать». Он подчеркивал, что научные доказательства «лишь вероятны» и подлежат пересмотру, одновременно предостерегая от отвержения откровения. В отличие от большинства викторианских евангелистов, он отвергал вечное наказание, придерживаясь вместо этого христианского кондиционализма.

Привратник

Стокс был Лукасовским профессором с 1849 по 1903 год, секретарем Королевского общества с 1854 по 1884 год, его президентом с 1885 по 1890 год и консервативным членом парламента от Кембриджского университета с 1887 по 1892 год — первым человеком, который одновременно занимал профессорскую кафедру, пост президента и парламентское кресло. Тридцать лет на посту секретаря дали ему, по одной из оценок, «огромное, хотя и незаметное влияние на развитие математических и физических наук». Он решал математические трудности других людей и раздавал исследовательские задачи; историки называют его привратником викторианской науки.

Он был возведен в баронеты в 1889 году и получил медаль Румфорда в 1852 году, премию Хопкинса в 1870 году и медаль Копли в 1893 году. 1 июня 1899 года его золотой юбилей в качестве Лукасовского профессора привлек делегатов со всей Европы и Америки; Кельвин преподнес мраморные бюсты работы Хамо Торникрофта.

Семья и конец

4 июля 1857 года Стокс женился на Мэри Сюзанне Робинсон, дочери ирландского астронома Томаса Ромни Робинсона, в соборе Святого Патрика в Арме. Из пяти детей две дочери умерли в младенчестве; его сын Уильям, врач, покончил с собой в тридцать лет во время временного помешательства. Стокс умер 1 февраля 1903 года в возрасте восьмидесяти трех лет и был похоронен на кладбище Милл-роуд в Кембридже, с мемориалом в Вестминстерском аббатстве. Мужская линия пресеклась, и титул баронета угас, но стокс, стоксов сдвиг, стоксова линия, кратеры на Луне и Марсе, а также уравнения, которые до сих пор побеждают математиков, оказались более живучими.