ג'ורג' סטוקס

סר ג'ורג' גבריאל סטוקס (אנגלית: Sir George Gabriel Stokes; 13 באוגוסט 1819 – 1 בפברואר 1903) היה פיזיקאי ומתמטיקאי בריטי, אשר הניח תרומות מרכזיות לתחומים רבים הכוללים את מכניקת הזורמים, אופטיקה וחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי. היה אחת הדמויות הדומיננטיות במדע הבריטי במאה ה-19, ובין היתר שימש כסגן ולאחר מכן כנשיא החברה המלכותית 1885–1890.

כפיזיקאי, סטוקס הרים תרומות אדירות למכניקת הזורמים, שכוללות את הניסוח של משוואות נאוויה-סטוקס ושפע של יישומים ופתרונות למקרים פרטיים שסטוקס מצא עבורן, ואת מחקרו המעמיק מאוד על התאוריה של גלי מים. כמו כן, הרים סטוקס תרומות יסודיות רבות לאופטיקה פיזיקלית עם מאמרים רבים על התאוריה הגלית של האור (ביניהם אחדים על הרחבת התאוריה של קשת בענן), קיטוב ופלואורסצנציה. כמתמטיקאי, הוא תרם לחשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי (הוא ניסח את הגרסה ראשונית של המשפט הידוע כיום כמשפט סטוקס באנליזה וקטורית), ותרם לתאוריה של פיתוחים אסימפטוטיים. סטוקס, יחד פליקס הוף-סיילר, הדגים לראשונה את תפקיד הובלת החמצן בדם של ההמוגלובין והראה את שינוי הצבע הנגרמים על ידי חמצון של תמיסות המוגלובין. 

הוא נולד בדבלין, אירלנד ובשנת 1837 החל את לימודיו באוניברסיטת קיימברידג'. עם סיום הלימודים החל ללמד באוניברסיטה ובשנת 1849 קיבל משרת פרופסור למתמטיקה.

תרומות למדע

מכניקת הזורמים 
עבודותיו המפורסמות הראשונות, שהופיעו בשנים 1842 ו-1843, עסקו בתנועה היציבה של זורמים אי-דחיסים ובכמה מקרים של תנועת זורמים. לאחר מכן הופיעו מאמרו מ-1845 על החיכוך של זורמים בתנועה ושיווי המשקל והתנועה של מוצקים אלסטיים, ומאמרו מ-1850 על ההשפעה של החיכוך הפנימי של הזורמים על תנועת מטוטלות. לתאוריה של הקול הוא עשה מספר תרומות, כולל מחקר חשוב על ההשפעה של הרוח על אינטנסיביות (עוצמת) הקול והסבר כיצד היא מושפעת מהטבע של הגז בו נוצר גל הקול. התרומות האלו הציבו את מדע הדינמיקה של זורמים על בסיס חדש, וסיפקו את המפתח לא רק להסבר תופעות טבע רבות, כמו ההיתלות של עננים באוויר, אלא גם לפתרון בעיות מעשיות רבות, כמו הזרימה של מים בתעלות ונהרות, וגרר העור (skin resistance) של ספינות.

זרימה זוחלת 

עבודתו על תנועת זורמים וצמיגות הובילה לחישוב שלו את המהירות הטרמינלית של כדור קטן הנופל בתווך צמיג. התוצאה שלו בתחום נודעה כחוק סטוקס. הוא גזר ביטוי לכוח החיכוך (הנקרא גם כוח גרר) המופעל על ידי התווך על כדורים עם מספרי ריינולדס נמוכים מאוד.

עבודתו היא הבסיס לבניית הויסקומטר (מד צמיגות), בו הזורם נייח בשפופרת זכוכית אנכית. כדור בגודל וצפיפות ידועים מושם בקצה העליון של השפופרת, כך שהוא צונח באיטיות בשפופרת. אם הפרמטרים נבחרים בקפידה, הכדור מגיע תוך זמן קצר למהירות הטרמינלית שלו, שניתנת למדידה לפי הזמן שלוקח לו לעבור שני קווי סימון על השפופרת. ניתן גם לשפר את דיוק המדידות של הזמן באמצעות חישה אלקטרונית. כשיודעים את המהירות הסופית, הגודל וצפיפות הכדור, וצפיפות הזורם, חוק סטוקס מאפשר לחשב את צמיגות הזורם.

אותה תאוריה מסבירה גם כיצד טיפות מים זעירות (או גבישי קרח) יכולות להישאר תלויות באוויר (כמו בעננים) עד שהן גדלות לרדיוס קריטי ומתחילות ליפול כגשם.

אור 

מחקריו הידועים ביותר של סטוקס עסקו בתאוריה הגלית של האור. העבודה שלו באופטיקה החלה בשלב מוקדם בקריירה המדעית שלו. מאמריו הראשונים על האברציה של האור הופיעו ב-1845 ו-1846, ואחריו הופיע מאמר העוסק בפסים מסוימים הנראים בספקטרום. 

ב-1849 הוא פרסם מאמר ארוך מאוד על התאוריה הדינמית של עקיפת אור, בו הראה שמישור הקיטוב חייב להיות מאונך לכיוון ההתקדמות של גל. שנתיים מאוחר יותר הוא דן בצבעים המופקים על ידי פלטות עבות.

סטוקס חקר גם את התיאור המתמטי של קשתות בענן כפי שנוסח על ידי ג'ורג' איירי. ממצאיו של איירי היו כרוכים בחישוב אינטגרל שהיה מסובך מאוד להעריך. סטוקס הביע את האינטגרל כטור מסוים, אשר אותו העריך בשיטות חדשות אשר הניבו קירוב לאינטגרל שהיה קל בהרבה לחשב מאשר האינטגרל עצמו. מחקרו של סטוקס על טורים אסימפטוטיים הוביל לתובנות יסודיות על טורים כאלה.

פלואורסצנציה 

ב-1852, במאמרו המפורסם של שינוי אורך הגל של אור, הוא תיאר את התופעה של פלואורסצנציה, כפי שהודגמה על ידי מעבר אור בחומרים כגון פלואוריט ו-Uranium glass, חומרים אשר הוא ראה כבעלי יכולת להמיר קרינה אולטרה-סגולה בלתי נראית לקרינה בעלת אורכי גל ארוכים יותר שניתן לראות. היסח סטוקס (Stokes shift), שמתאר את ההמרה הזאת, נקרא על שמו. במאמרו, מודל מכני, המדגים את העיקרון הדינמי של הסברו של סטוקס, הוצג. התוצא של מאמר זה, קו סטוקס, הוא הבסיס למודל של פיזור ראמאן. ב-1883, במהלך הרצאה מסוימת, לורד קלווין אמר שהוא שמע דיווח על האפקט הזה מסטוקס שנים רבות קודם לכן, וניסה בכל כוחו לשכנעו לפרסם את התוצאות שלו.

קיטוב 

באותה שנה, 1852, הופיע מאמר על ההרכבה והרזולוציה של זרמים של אור מקוטב ממקורות שונים, וב-1853 הופיעה מחקר על תכונת ההחזרה המתכתית שחומרים לא-מתכתיים מסוימים מפגינים. המחקר הזה עמד על ייחודה של תופעת הקיטוב של אור. ב-1860 הוא היה מעורב בחקירה על העוצמה של אור המוחזר, או המועבר דרך, מערימה של פלטות; וב-1862 הוא הכין דוח רב ערך על שבירה כפולה, תופעה בה גבישים מסוימים מראים מקדמי שבירה שונים לאורך צירים שונים. אולי הצורה הידועה ביותר של גבישים כאלה היא גביש איסלנד (iceland spar), גביש קלציט שקוף.

מאמר על הספקטרום הארוך של אור חשמלי גם הופיע באותה תקופה, ואחריו הופיעה חקירה על ספקטרום הבליעה של דם.

אנליזה כימית 

הסיווג הכימי של גופים אורגניים לפי תכונותיהם האופטיות נעשה ב-1864; בין היתר הרים סטוקס תרומה חשובה לביאור המבנה הכימי של הפיגמנט כלורופיל (המרכזי בתהליך הפוטוסינתזה אצל צמחים) בתקופה בה מדע זה עדיין היה בחיתוליו. מאוחר יותר, בצמוד לחקירותיו של ויליאם ורנון הרקורט, הוא חקר את הקשר בין ההרכב הכימי והתכונות האופטיות של מגוון זכוכיות, מחקר שהיה קשור גם בעבודתו על התנאים לשקיפות והשיפור של טלסקופים אכרומטיים. מאמר מאוחר יותר שעסק בבנייה של מכשירים אופטיים דן בגבולות התאורטיים על הגודל של המפתח של אובייקטיב של מיקרוסקופ.

מחקרים בתחומים אחרים 

עבודותיו בתחומים פיזיקליים אחרים כוללות את המאמר שלו על הולכה של חום בגבישים (1851), ואת החקירות שלו בקשר לרדיומטר של Crookes, וחקירות נוספות בנוגע לאפקטים אופטיים מסוימים הנוצרים בעת צילום תמונות ובנוגע לקרני גמא. שני מאמרים ארוכים שפורסמו ב-1849 - אחד על כוחות משיכה ומשפט קלרו, והאחר על הווריאציה של הכבידה על פני כדור הארץ (1849), גם ראויים לציון, כמו גם עבודותיו המתמטיות על הערכים הקריטיים של טורים מחזוריים (1847) ועל החישוב הנומרי של מחלקה מסוימת של אינטגרלים מסוימים וטורים אינסופיים (1849). גילה את המשוואה הדיפרנציאלית השלטת בשבירה של גשרי רכבות (1849).

מחקרים לא מפורסמים 

על אף ההיקף הנרחב של עבודתו של סטוקס, עבודתו המפורסמת לא מייצגת נכונה את תרומתו לקידום המדע. רבות מהתגליות שלו לא נתפרסמו, או לפחות נודעו רק במסגרת ההרצאות שלו. דוגמה מצוינת היא עבודתו בספקטרוסקופיה. 

סטוקס היה הראשון להציע את הרעיון שאנליזה ספקטרלית של אור יכולה לסייע בפענוח ההרכב הכימי של השמש וכוכבים אחרים, רעיון שנתמך בהשערה שלו שהחלקים הספקטרליים החסרים באור שמגיע מהשמש נבלעו במסעו של האור בשכבות החיצוניות של השמש. אף על פי כן, מספר שנים מאוחר יותר, כשקירכהוף פרסם לראשונה את ההסבר הזה, סטוקס לא טען לשום זכות קדימות על התגלית.

הוא תרם גם למדע הסובייקטיבי יותר של ראיית צבעים, כלומר למדע העוסק בכימות ההיבטים הפסיכולוגיים של הראייה. הוא היה בעל ידע נרחב בכימיה ובוטניקה, ותרומתו לביאור ההרכב הכימי של הכלורופיל כבר הוזכרה מקודם. 

תרומתו של סטוקס למדע לא התמצתה בתרומות שלו בלבד, אלא גם בכך שהציע בעיות חשובות רבות ועודד אחרים לנסות והתמודד איתם. התכתובת המדעית שלו הייתה ענפה מאוד, והוא התכתב עם מדענים דגולים רבים אחרים מהתקופה, כגון לורד קלווין.

אותות הוקרה 
 ב-1852 הוענקה לו מדליית רומפורד.
 ב-1893 הוענקה לו את מדליית קופלי.
 משפט סטוקס וחוק סטוקס קרויים על שמו.

קרויים על שמו 
מכניקת הזורמים:
 משוואות נאוויה-סטוקס
 פונקציית הזרם של סטוקס
 חוק סטוקס
 שכבת גבול סטוקס
 חוק סטוקס על ניחות קול (Stokes' law of sound attenuation) בתווך צמיג.
 סחיפת סטוקס
 גל סטוקס

אופטיקה:
 יחסי סטוקס
 היסח סטוקס

מתמטיקה:
 משפט סטוקס

קישורים חיצוניים

 

פיזיקאים בריטים
מתמטיקאים בריטים
מתמטיקאים אירים
נשיאי החברה המלכותית
סגל אוניברסיטת קיימברידג'
זוכי מדליית קופלי
זוכי מדליית רמפורד
חברי האקדמיה למדעים ולאמנויות של גטינגן
בריטים שנולדו ב-1819
בריטים שנפטרו ב-1903