Джордж Габриэль Стокс

Джордж Габриэль Стокс (англ. Sir George Gabriel Stokes, 1st Baronet; 13 августа 1819, Скрин, графство Слайго, Ирландия — 1 февраля 1903, Кембридж, Великобритания) — британский математик, физик-теоретик и механик. Один из крупнейших учёных XIX века, внёсший фундаментальный вклад в гидродинамику, оптику, математическую физику и теорию спектроскопии. Член (1851) и президент (1885—1890) Лондонского королевского общества.

Биография

Джордж Габриэль Стокс родился в семье протестантского священника Габриэля Стокса в местечке Скрин, графство Слайго, на северо-западе Ирландии. Он был младшим из трёх сыновей. Начальное образование получил дома, затем учился в школе в Дублине. В 1837 году поступил в колледж Пембрук Кембриджского университета.

В 1841 году Стокс окончил университет с высшим отличием (Senior Wrangler) и получил первую премию Смита за математические исследования. В 1849 году он был назначен профессором математики в Кембридже (Лукасовский профессор) — эту должность он занимал до 1903 года, что является рекордной продолжительностью (54 года). В 1851 году Стокс был избран членом Лондонского королевского общества, а в 1885 году стал его президентом. В 1889 году он был возведён в баронетское достоинство.

Стокс вёл активную общественную деятельность: был членом парламента от Кембриджского университета (1887—1892), а также секретарём Королевского общества (1854—1885). Он скончался в Кембридже 1 февраля 1903 года в возрасте 83 лет.

Научные достижения

Гидродинамика и механика сплошных сред

Наиболее известным вкладом Стокса в физику является вывод уравнений движения вязкой жидкости — уравнений Навье — Стокса. В 1845 году он опубликовал работу «О теориях внутреннего трения в движущихся жидкостях», в которой, независимо от Клода-Луи Навье, сформулировал полную систему дифференциальных уравнений, описывающих течение ньютоновских жидкостей. Эти уравнения лежат в основе современной гидродинамики и аэродинамики.

Стокс также вывел закон Стокса (1851), описывающий силу сопротивления, действующую на сферическое тело при его медленном движении в вязкой жидкости. Этот закон широко используется в седиментации, определении вязкости жидкостей и в метеорологии (для расчёта скорости падения капель дождя).

Оптика и теория света

Стокс внёс значительный вклад в волновую теорию света. Он исследовал явление флуоресценции — в 1852 году он показал, что некоторые вещества излучают свет с большей длиной волны (меньшей энергией), чем поглощаемый. Это явление получило название стоксовского сдвига. Стокс также ввёл термин «флуоресценция» (от названия минерала флюорит).

В 1849 году он разработал теорию дифракции света и объяснил явление поляризации. Он также изучал аберрацию света и показал, что скорость света в вакууме не зависит от движения источника.

Математическая физика

Стокс является автором нескольких фундаментальных теорем математического анализа, используемых в физике:

• Теорема Стокса (в векторном анализе): связывает поверхностный интеграл от ротора векторного поля с циркуляцией этого поля по контуру, ограничивающему поверхность. Эта теорема является обобщением теоремы Грина и частным случаем теоремы Остроградского — Гаусса.
• Формула Стокса (в гидродинамике): описывает силу, действующую на тело в вязкой жидкости.
• Функции Стокса (в теории волн): специальные функции, используемые для описания волн на поверхности жидкости.

Спектроскопия

Стокс одним из первых применил спектроскопию для химического анализа. В 1864 году он показал, что спектры поглощения и испускания химических элементов связаны, и что по спектральным линиям можно определять состав веществ. Его работы заложили основы атомной спектроскопии.

Основные труды

Стокс опубликовал более 200 научных работ. Наиболее значимые из них:

• «О теориях внутреннего трения в движущихся жидкостях» (1845)
• «О законе сопротивления вязкой жидкости» (1851)
• «О флуоресценции» (1852)
• «О спектральном анализе» (1864)
• «О волнах на поверхности жидкости» (1880)

Его собрание сочинений было издано в пяти томах (1880—1905).

Награды и признание

• Медаль Румфорда (1852) — за работы по оптике
• Медаль Копли (1893) — за выдающиеся заслуги в математике и физике
• Премия Смита (1841)
• Орден Почётного легиона (Франция)
• Член многих академий наук, включая Берлинскую, Парижскую, Петербургскую

В честь учёного названы:

• Единица кинематической вязкости в системе СГС — стокс (обозначение: Ст, St)
• Кратер Стокс на Луне
• Уравнения Навье — Стокса — основа современной гидродинамики
• Закон Стокса — закон сопротивления вязкой жидкости
• Стоксовский сдвиг — в спектроскопии
• Теорема Стокса — в векторном анализе

Интересные факты

• Стокс был глубоко религиозным человеком и не видел противоречия между наукой и христианской верой. Он опубликовал несколько работ по теологии.
• Он был одним из первых учёных, кто использовал спектроскоп для анализа химического состава Солнца и звёзд.
• Стокс был наставником и другом Джеймса Клерка Максвелла, который впоследствии создал теорию электромагнитного поля.
• В 1889 году он был возведён в баронетское достоинство, став первым баронетом Стоксом из Ленсдауна.

Источники

• Stokes, G. G. Mathematical and Physical Papers. — Cambridge University Press, 1880—1905. — Vol. 1–5.
• Wilson, D. B. The Correspondence between Sir George Gabriel Stokes and Sir William Thomson. — Cambridge University Press, 1990.
• O'Connor, J. J.; Robertson, E. F. George Gabriel Stokes. — MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews, 2003.
• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Гидродинамика. — М.: Наука, 1986. — Гл. 2.
• Храмов, Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983. — С. 257–258.