Τζωρτζ Αίρυ

Βιογραφία

Ο Αίρυ γεννήθηκε στην κωμόπολη Άνικ (Alnwick) της κομητείας Νορθάμπερλαντ της βόρειας Αγγλίας. Η οικογένεια των Αίρυς μπορεί να ταυτοποιηθεί πίσω στον χρόνο μέχρι τον 14ο αιώνα. Ο Τζωρτζ πήγε δημοτικό σχολείο στο Χέρφορντ και κατόπιν στο Βασιλικό Γυμνάσιο του Κόουλτσεστερ (έτος ιδρύσεως 1206). Παρότι ήταν εσωστρεφές παιδί, έγινε δημοφιλής στους συμμαθητές του χάρη στη μεγάλη του επιδεξιότητα στην κατασκευή φυσοκάλαμων.
Από την ηλικία των 13 ετών, ο μικρός Αίρυ διέμενε συχνά στου θείου του, Άρθουρ Μπιντελ, στο χωριό Πλέιφορντ του Σάφοκ. Ο Μπίντελ τον συνέστησε στον φίλο του Τόμας Κλάρκσον, έναν από τους επιφανείς υπέρμαχους της καταργήσεως της δουλείας. Ο Κλάρκσον είχε «μάστερ» στα μαθηματικά από το Κέιμπριτζ, και κανόνισε να τον εξετάσει σε αυτά ένας εταίρος του Τρίνιτυ Κόλετζ. Μετά από αυτό, χωρίς άλλη διαδικασία, έγινε δεκτός για σπουδές στο κολέγιο αυτό του Πανεπιστημίου του Κέιμπριτζ το 1819, ως sizar, δηλαδή πλήρωνε μειωμένα δίδακτρα, αλλά ουσιαστικά εργαζόταν ως υπηρέτης για να εξασφαλίζει τη μείωση αυτή. Στο Κέιμπριτζ ο Αίρυ διακρίθηκε γρήγορα, καθώς φαίνεται ότι είχε αναγνωρισθεί σχεδόν αμέσως ως ο πρώτος στο έτος του. Το 1823 απεφοίτησε με τη διάκριση του senior wrangler (πρώτος από τους αποφοίτους του έτους του Τμήματος Μαθηματικών), κερδίζοντας το Α΄ Βραβείο Σμιθ. Την 1η Οκτωβρίου 1824 εκλέχθηκε εταίρος του Τρίνιτυ Κόλετζ και τον Δεκέμβριο του 1826 διορίσθηκε ως ο 10ος στην ιστορία Λουκασιανός Καθηγητής των Μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ (ο 2ος ήταν ο Νεύτων και ο 17ος ο Στήβεν Χώκινγκ). Ωστόσο, κράτησε την έδρα αυτή για λιγότερο από ενάμισυ έτος, καθώς τον Φεβρουάριο του 1828 εκλέχθηκε Πλουμιανός Καθηγητής της Αστρονομίας και της Πειραματικής Φιλοσοφίας]] και ταυτοχρόνως διευθυντής του νέου Αστεροσκοπείου του Κέιμπριτζ. Το 1836 εκλέχθηκε εταίρος της Βασιλικής Εταιρείας και το 1840 αλλοδαπό μέλος της Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών. Το 1859 κατέστη αλλοδαπό μέλος της Ακαδημίας Τεχνών και Επιστημών της Ολλανδίας.

Επιστημονικές έρευνες

Πριν την εκλογή του σε πανεπιστημιακή έδρα, ο Αίρυ είχε ήδη συνεισφέρει τρία σημαντικά υπομνήματα στις Philosophical Transactions της Βασιλικής Εταιρείας και άλλα οκτώ στη Φιλοσοφική Εταιρεία του Κέιμπριτζ. Στο Αστεροσκοπείο του Κέιμπριτζ εξάλλου, έδειξε από νωρίς την οργανωτική του ικανότητα. Αφοσιώθηκε στις παρατηρήσεις με το μοναδικό τότε τηλεσκόπιο του ιδρύματος, και με την υιοθέτηση ενός τακτικού προγράμματος εργασίας και προσεκτικού σχεδιασμού της αναγωγής των παρατηρήσεων, μπόρεσε να εκδίδει ετησίως τις παρατηρήσεις του με μία τακτικότητα που εξέπληξε τους συγχρόνους του. Το 1833 ο Δούκας του Νορθάμπερλαντ δώρισε στο αστεροσκοπείο μία εξαιρετική διόπτρα 30 εκατοστών, που στηρίχθηκε σε βάση σχεδιασμένη από τον Αίρυ και υπό την επίβλεψή του.
Οι γραπτές εργασίες του Αίρυ εκείνη την περίοδο είναι μοιρασμένες ανάμεσα στη μαθηματική φυσική και την αστρονομία. Οι περισσότερες από τις πρώτες ασχολούνται με ζητήματα της θεωρίας του φωτός, όπως η υπό τον τίτλο «Επί της περιθλάσεως κυκλικού αντικειμενικού φακού» και η ανακοίνωση της πλήρους θεωρίας για το ουράνιο τόξο. Για τις έρευνες αυτές τού απονεμήθηκε το 1831 το Μετάλλιο Κόπλεϋ της Βασιλικής Εταιρείας. Από τις αστρονομικές εργασίες του αυτής της περιόδου σημαντικότερες είναι η μελέτη του για τη μάζα του πλανήτη Δία, η αναφορά του «επί της προόδου της αστρονομίας κατά τον 19ο αιώνα» και η εργασία για την «ανισότητα των μακρών περιοδικοτήτων στις κινήσεις της Γης και της Αφροδίτης».

Η μέση πυκνότητα της Γης

Μία από τις πλέον αξιοσημείωτες έρευνες του Αίρυ ήταν ο προσδιορισμός της μέσης πυκνότητας της Γης. Το 1826 σκέφθηκε να εκτελέσει πειράματα με εκκρεμές στην επιφάνεια και στο κατώτατο σημείο ενός βαθέος ορυχείου. Η πρώτη του απόπειρα, στο ορυχείο Dolcoath στην Κορνουάλη, απέτυχε εξαιτίας ατυχήματος με το ένα από τα εκκρεμή, ενώ μία δεύτερη προσπάθεια το 1828 ματαιώθηκε εξαιτίας πλημμύρας του ορυχείου. Μετά από πολλά χρόνια, το 1854, μπόρεσε τελικώς να εκτελέσει το πείραμά του στο ανοικτό ανθρακωρυχείο Χάρτον κοντά στην πόλη Σάουθ Σηλντς. Το άμεσο εύρημα ήταν ότι η ένταση της βαρύτητας στο βάθος του ορύγματος ήταν μεγαλύτερη από αυτή στο άνω μέρος κατά ένα μέρος στα 19.286, με διαφορά υψομέτρου 383 μέτρα. Από αυτές τις τιμές ο Αίρυ οδηγήθηκε στην τελική τιμή για την πυκνότητα της Γης 6,566 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Αυτή η τιμή, παρότι σημαντικά μεγαλύτερη από τιμές που είχαν υπολογισθεί παλαιότερα με άλλες μεθόδους, θεωρήθηκε από τον Αίρυ, εξαιτίας της επιμέλειας και της πληρότητας με τις οποίες διεξάχθηκαν και αποτιμήθηκαν οι μετρήσεις, ως «άξια να συναγωνισθεί με τις άλλες επί τουλάχιστον ίσοις όροις» (η σημερινή τιμή για τη μέση πυκνότητα της Γης είναι 5,5153 gr/cm³).

Το γεωειδές αναφοράς

Το 1830 ο Αίρυ υπολόγισε την πολική και την ισημερινή ακτίνα της Γης από μετρήσεις που έγιναν στη Μεγάλη Βρετανία. Αν και οι μετρήσεις του δεν έχουν την ακρίβεια των σύγχρονων, του GRS 80 και του WGS84, το «γεωειδές Airy» (ένα «ελλειψοειδές αναφοράς», το OSGB36) χρησιμοποιείται ακόμα από την Τοπογραφική Υπηρεσία (Ordnance Survey) του Ηνωμένου Βασιλείου για τη χαρτογράφηση της Αγγλίας, της Σκωτίας και της Ουαλίας, επειδή ταιριάζει καλύτερα στο τοπικό επίπεδο της θάλασσας (περίπου 80 εκατοστά χαμηλότερο του μέσου παγκόσμιου).

Πλανητικές ανισότητες

Από κάποιες πλευρές η ανακάλυψη μιας νέας ανισότητας στις κινήσεις της Αφροδίτης και της Γης είναι το πλέον αξιοσημείωτο επίτευγμα του Αίρυ. Διορθώνοντας τα στοιχεία των ηλιακών πινάκων του Ντελάμπρ, ο Αίρυ οδηγήθηκε στην υποψία της υπάρξεως μιας ανισότητας που είχε παραθεωρηθεί από τον συντάκτη τους. Και δεν άργησε να βρει την αιτία: 13 φορές το «έτος» της Αφροδίτης ισούται σχεδόν με 8 φορές το γήινο αστρικό έτος, έτσι ώστε η διαφορά είναι ελάχιστο ποσοστό της μέσης κινήσεως της Γης. Ο όρος που εξαρτάται από αυτή τη διαφορά, αν και πολύ μικρός ο ίδιος, δέχεται κατά την ολοκλήρωση των διαφορικών εξισώσεων έναν πολλαπλασιαστή περίπου 2.200.000, οπότε ο Αίρυ συμπέρανε ότι υπήρχε μία λογική ανισότητα που εκτεινόταν σε 240 και πλέον έτη (Phil. Trans. cxxii. 67). Η διερεύνηση του θέματος αυτού από τον Αίρυ υπήρξε ίσως η πλέον κοπιώδης που είχε ποτέ γίνει μέχρι τότε στη θεωρία των πλανητικών κινήσεων. Σε αναγνώριση αυτής της εργασίας, ο Βρετανός αστρονόμος τιμήθηκε με το Χρυσό Μετάλλιο της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας το 1833 (θα το κέρδιζε και πάλι το 1846).

Βασιλικός αστρονόμος

Τον Ιούνιο του 1835 ο Αίρυ διορίσθηκε Βασιλικός Αστρονόμος διαδεχόμενος τον Τζων Ποντ και άρχισε τη μακρά του σταδιοδρομία στο εθνικό αστεροσκοπείο. Η κατάσταση στην οποία βρήκε το ίδρυμα χρειαζόταν συμμάζεμα. Με τη συνηθισμένη του ενεργητικότητα, άρχισε αμέσως την αναδιοργάνωση όλης της διοίκησης. Οργάνωσε επίσης ένα νέο γεωμαγνητικό παρατηρητήριο. Το 1847 εγκαταστάθηκε μία αλταζιμουθιακή βάση τηλεσκοπίου, σχεδιασμένη από τον Αίρυ έτσι ώστε να επιτρέπει παρατηρήσεις της Σελήνης οπουδήποτε στον ουρανό. Το 1848 ο Αίρυ επενόησε τον «ζενίθιο σωλήνα» (reflex zenith tube) για να αντικαταστήσει το κλασικό ζενίθιο τηλεσκόπιο. Στο τέλος του 1850 ο εγκαταστάθηκε ο μεγάλος κύκλος διαβάσεων, των 203 χιλιοστών σε διαμέτρημα και 3,5 μέτρων σε εστιακή απόσταση, που αποτελεί ακόμα το βασικό όργανο του είδους του στο αστεροσκοπείο. Με αφορμή την εγκατάσταση το 1859 ενός ισημερινού τηλεσκοπίου των 33 εκατοστών ο Αίρυ έγραψε το εξής σχόλιο στο ημερολόγιό του: «Δεν υπάρχει πια σήμερα ούτε ένας εργαζόμενος ή όργανο στο αστεροσκοπείο που να βρίσκεται εδώ από την εποχή του κ. Ποντ». Η μεταμόρφωση του ιδρύματος ολοκληρώθηκε με την έναρξη φασματοσκοπικών παρατηρήσεων το 1868 και της φωτογραφικής καταγραφής των ηλιακών κηλίδων το 1873.
The τεράστιο έργο της επεξεργασίας-αναγωγής των συσσωρευμένων πλανητικών παρατηρήσεων που έγιναν στο Γκρήνουιτς από το 1750 μέχρι το 1830 ήταν ήδη σε εξέλιξη υπό την επίβλεψη του Αίρυ όταν έγινε βασιλικός αστρονόμος. Λίγο αργότερα, ανέλαβε το επιπλέον επίπονο καθήκον να αναγάγει τις σεληνιακές παρατηρήσεις που είχαν γίνει κατά την ίδια περίοδο από εκεί, και για τον σκοπό αυτό ένα μεγάλο ποσό χρημάτων διατέθηκε από το κράτος. Ως αποτέλεσμα, όχι λιγότερες από 8.000 σεληνιακές παρατηρήσεις διασώθηκαν από τη λησμονιά και τέθηκαν το 1846 στη διάθεση των αστρονόμων σε μορφή που μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν απευθείας για συγκρίσεις με τη θεωρία και για τη βελτίωση των πινάκων των κινήσεων της Σελήνης. Αμέσως αυτό οδήγησε στην ανακάλυψη από τον Πέτερ Αντρέας Χάνσεν δύο νέων ανισοτήτων στην κίνηση της Σελήνης.
Το 1851 ο Αίρυ καθιέρωσε έναν νέο Πρώτο μεσημβρινό στο Γκρήνουιτς. Αυτή η γραμμή έγινε η οριστική διεθνώς αναγνωρισμένη αρχή για τις μετρήσεις του γεωγραφικού μήκους το 1884.

Αναζητώντας τον Ποσειδώνα

Τον Ιούνιο του 1846 ο Αίρυ άρχισε να αλληλογραφεί με τον Γάλλο αστρονόμο Ουρμπέν Λεβεριέ σχετικά με την πρόβλεψη του τελευταίου ότι οι ανωμαλίες στην κίνηση του πλανήτη Ουρανού οφείλονταν σε ένα σώμα που δεν είχε παρατηρηθεί μέχρι τότε. Γνωρίζοντας ότι ο αστρονόμος του Κέιμπριτζ Τζων Κουτς Άνταμς είχε ανακοινώσει παρόμοιες προβλέψεις, στις 9 Ιουλίου ο Αίρυ παρακάλεσε τον Τζέιμς Τσάλις να αναλάβει μία συστηματική αναζήτηση για να ανακαλύψει τον άγνωστο πλανήτη. Τελικώς, η αντίστοιχη αναζήτηση από τον Γιόχαν Γκότφριντ Γκάλε στο Βερολίνο, που είχε παρακινηθεί από τον Λεβεριέ, πραγματοποίησε την ανακάλυψη τον Σεπτέμβριο. Παρά το ότι ο Αίρυ κατηγορήθηκε τόσο από τους Βρετανούς, όσο και από Γάλλους για το ότι δεν ανταποκρίθηκε ταχύτερα στην ανακοίνωση του Άνταμς, υπάρχει και η άποψη ότι οι ανακοινώσεις του τελευταίου ήταν ασαφείς και αργές. Επιπλέον, η αναζήτηση για έναν νέο πλανήτη δεν ήταν ευθύνη του Βασιλικού Αστρονόμου.

Πείραμα για τον αιθέρα

Με χρήση ενός τηλεσκοπίου γεμισμένου με νερό, ο Αίρυ προσπάθησε να ανιχνεύσει το 1871 μεταβολή στην αποπλάνηση του φωτός μέσα από το νερό εξαιτίας της απόλυτης κινήσεως της Γης μέσα στον υποθετικό ακίνητο αιθέρα. `Οπως και σε όλα τα άλλα πειράματα με τον αιθέρα, το αποτέλεσμα ήταν αρνητικό.

Σεληνιακή θεωρία

Το 1872 ο Αίρυ είχε την ιδέα να προσεγγίσει τη σεληνιακή θεωρία (δηλαδή τη μελέτη των κινήσεων και θέσεων της Σελήνης με μεγάλη ακρίβεια) με έναν νέο τρόπο, και στα 71 του καταπιάστηκε με αυτό το επίπονο εγχείρημα. Μία γενική περιγραφή της μεθόδου του υπάρχει στο περιοδικό Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, vol. xxxiv, No. 3. Ουσιαστικά ήταν η υιοθέτηση των τελικών αριθμητικών εκφράσεων του Σαρλ-Εζέν Ντελωναί για το μήκος, το πλάτος και την παράλλαξη, με έναν συμβολικό όρο προστιθέμενο σε κάθε αριθμό, η τιμή του οποίου θα προσδιοριζόταν με αντικατάσταση στις εξισώσεις της κινήσεως.
Η εργασία αυτή δημοσιεύθηκε το 1886, όταν ο Αίρυ ήταν 85 ετών. Λίγο νωρίτερα τον βασάνιζε μια υποψία ότι ορισμένα σφάλματα είχαν παρεισφρήσει στους υπολογισμούς και για τον λόγο αυτό αποδόθηκε σε μία αναθεώρηση. Αλλά οι δυνάμεις του είχαν εξασθενήσει και δεν μπόρεσε ποτέ να εξετάσει επαρκώς το θέμα αυτό.

Μέθοδος της συναρτήσεως τάσεων

Το 1862 ο Αίρυ παρουσίασε μία νέα τεχνική για τον προσδιορισμό του πεδίου παραμορφώσεων and τάσεων στο εσωτερικό μιας δοκού. Αυτή η τεχνική, αποκαλούμενη και «μέθοδος της συναρτήσεως τάσεων του Αίρυ (Airy stress function method), μπορεί να εφαρμοσθεί για την εξεύρεση λύσεων σε πολλά διδιάστατα προβλήματα στη μηχανική των στερεών. Π.χ. χρησιμοποιήθηκε από τον H.M. Westergaard για τον προσδιορισμό του πεδίου παραμορφώσεων και τάσεων γύρω από το άκρο μιας ρωγμής, συνεισφέροντας έτσι στην ανάπτυξη της μηχανικής των ρηγματώσεων.

Καταστροφή της Γέφυρας Τέι

Η συμβουλή του Αίρυ ζητήθηκε για το θέμα των ταχυτήτων του ανέμου και των πιέσεων που ήταν πιθανό να αναπτυχθούν στην προτεινόμενη γέφυρα που σχεδιαζόταν από τον σερ Τόμας Μπάουτς (Thomas Bouch, 1822-1880) για τους Βόρειους Βρετανικούς Σιδηροδρόμους στα τέλη της δεκαετίας του 1870. Ο Αίρυ ήταν της γνώμης ότι δεν θα έπρεπε να αναμένονται πιέσεις μεγαλύτερες από περίπου 10 λίμπρες ανά τετραγωνικό πόδι. Ωστόσο, πολύ μεγαλύτερες πιέσεις σημειώνονται σε θύελλες. Ο Αίρυ κλήθηκε να καταθέσει στην επίσημη επιτροπή για την καταστροφή της Γέφυρας Τέι, και επικρίθηκε για τη συμβουλή του. Αλλά ελάχιστα ήταν γνωστά σχετικά με τα προβλήματα των δυνάμεων που ασκεί ο άνεμος σε μεγάλες κατασκευές: μία «Βασιλική Επιτροπή για την πίεση του ανέμου» συστήθηκε για να ερευνήσει αυτό το πρόβλημα.

Αντιπαλότητες

Ο Αίρυ περιγράφεται στη νεκρολογία του από τη Βασιλική Εταιρεία ως «τραχύς στις αντιπαλότητές του»: σώζονται ιστορίες διάφορων διαφωνιών και συγκρούσεών του με άλλους επιστήμονες. Ο μετεωρολόγος και πρωτοπόρος του ηλεκτρικού τηλέγραφου σερ Φράνσις Ρόναλντς έζησε αυτή την αντιπαλότητα όταν ήταν επίτιμος διευθυντής του Αστεροσκοπείου του Κιου στο Λονδίνο, το οποίο ο Αίρυ έβλεπε ως ανταγωνιστικό του Γκρήνουιτς. Επίσης καλά τεκμηριωμένες συγκρούσεις του Αίρυ είναι αυτές με τους Τσαρλς Μπάμπατζ και σερ Τζέιμς Σάουθ.

Προσωπική ζωή

Τον Ιούλιο του 1824 ο Αίρυ συνάντησε τη Ριτσάρντα Σμιθ (Richarda Smith, 1804-1875) σε πεζοπορία στο Ντάρμπυσερ. Στην αυτοβιογραφία του έγραψε: «Οι ματιές μας συναντήθηκαν ... και η μοίρα μου σφραγίστηκε ... Αισθάνθηκα ένα ακατανίκητο αίσθημα ότι πρέπει να ενωθούμε», και έκανε πρόταση γάμου δύο ημέρες αργότερα. Ο πατέρας της Ριτσάρντα, αιδεσιμότατος Ρίτσαρντ Σμιθ, είχε τη γνώμη ότι ο Αίρυ δεν διέθετε τους οικονομικούς πόρους ώστε να πάρει τη θυγατέρα του. Μόλις 6 χρόνια αργότερα, το 1830, με τον Αίρυ διορισμένο στο Κέιμπριτζ, του έδωσε την άδεια για τον γάμο.
Το ζευγάρι απέκτησε εννέα παιδιά, από τα οποία τα τρία πρώτα πέθαναν πριν φθάσουν στην εφηβεία. Το μεγαλύτερο από όσα επέζησαν, ο Γουίλφριντ Αίρυ (Wilfrid Airy), ήταν ο σχεδιαστής και μηχανικός του Αστεροσκοπείου του Όργουελ Παρκ στο Νάκτον του Σάφοκ. Κόρη του Γουίλφριντ ήταν η εικαστικός Άννα Αίρυ. Ο γιος τους Χιούμπερτ (Hubert Airy, 1838-1903) ήταν γιατρός, πρωτοπόρος στη μελέτη της ημικρανίας, ενώ η μεγαλύτερη κόρη τους, η Χίλντα (1840–1916), παντρεύτηκε τον μαθηματικό Έντουαρντ Ράουθ το 1864.
Ο Τζωρτζ Αίρυ χρίσθηκε ιππότης (σερ) στις 17 Ιουνίου 1872. Αποσύρθηκε από τη θέση του Βασιλικού Αστρονόμου το 1881 και, όντας χήρος, έμενε με τις δύο έγγαμες θυγατέρες του στο Κρουμ'ς Χιλ, κοντά στο Γκρήνουιτς. Στα τέλη του 1891 έπεσε και τραυματίσθηκε εσωτερικά. Επακολούθησε εγχείρηση, μετά την οποία επέζησε για 5 μόλις ημέρες. Απεβίωσε στο Λονδίνο, αλλά τάφηκε μαζί με τη σύζυγό του και τα τρία τέκνα τους που είχαν αποβιώσει νωρίτερα, στον ναό της Αγίας Μαρίας στο χωριό Πλέιφορντ του Σάφοκ. Μία αγροτική κατοικία που είχε εκεί, δίπλα στην εκκλήσία, σώζεται ακόμα.