George Gabriel Stokes

Sir George Gabriel Stokes, 1. Baronet, ( 13 Ağustos 1819 - 1 Şubat 1903) İrlandalı bir İngiliz fizikçi ve matematikçiydi. İrlanda, County Sligo'da doğan Stokes, tüm kariyerini 1849'dan 1903'teki ölümüne kadar Lucasian Matematik Profesörü olduğu Cambridge Üniversitesi'nde geçirdi. Bir fizikçi olarak Stokes, Navier-Stokes denklemleri dahil olmak üzere akışkanlar mekaniğine, polarizasyon ve floresans üzerine kayda değer çalışmalarla fiziksel optiğe ufuk açıcı katkılarda bulundu. Bir matematikçi olarak, vektör hesabında "Stokes teoremi"ni popüler hale getirdi ve asimptotik açılımlar teorisine katkıda bulundu. Stokes, Felix Hoppe-Seyler ile birlikte ilk önce hemoglobinin oksijen taşıma fonksiyonunu gösterdi ve hemoglobin çözeltilerinin havalandırılmasıyla üretilen renk değişikliklerini gösterdi.
Stokes, 1889'da İngiliz hükümdarı tarafından baronet (kalıtsal şövalye) yapıldı. 1893'te "fizik bilimindeki araştırmaları ve keşifleri için" dünyanın en prestijli bilimsel ödülü olan Royal Society'nin Copley Madalyasını aldı. 1887'den 1892'ye kadar İngiliz Avam Kamarası'nda Muhafazakar olarak oturan Cambridge Üniversitesi'ni temsil etti. Stokes ayrıca 1885'ten 1890'a kadar Kraliyet Cemiyeti'nin başkanı olarak görev yaptı ve kısaca Cambridge'deki Pembroke Koleji'nin Master'ı oldu.
Biyografisi
George Stokes, County Sligo'da Skreen bölge papazı olarak görev yapan ve İrlanda Kilisesi'nde bir din adamı olan Rahip Gabriel Stokes'un (1834 öldü) ve Rahip John Haughton'ın kızı Elizabeth Haughton'un en küçük oğluydu. Stokes'un ev hayatı, babasının Evanjelik Protestanlığından güçlü bir şekilde etkilendi: üç erkek kardeşi Kilise'ye girdi, bunların en ünlüsü Armagh Başdiyakozu John Whitley Stokes idi. John ve George her zaman yakındılar ve George, Dublin'de okula giderken John ile birlikte yaşadı. Ailesi içinde kız kardeşi Elizabeth'e en yakın olan oydu. Anneleri ailede "güzel ama çok sert" olarak hatırlandı. Skreen, Dublin ve Bristol'deki okullara gittikten sonra 1837'de Stokes, Cambridge'deki Pembroke Koleji'ne girdi. Dört yıl sonra kıdemli asistan ve ilk Smith ödüllü olarak mezun oldu, başarıları ona kolejde bir akademi üyesi seçilmesini sağladı. Kolej tüzüğüne göre, Stokes 1857'de evlendiğinde bursu bırakmak zorunda kaldı. On iki yıl sonra, yeni tüzük uyarınca, burs grubuna yeniden seçildi ve 83. doğum gününden bir gün önce kolej Master'ı olarak seçildiği 1902 yılına kadar bu yeri korudu. Stokes bu pozisyonda uzun süre kalmadı, çünkü ertesi yıl 1 Şubat'ta Cambridge'de öldü ve Mill Road mezarlığına gömüldü. Westminster Abbey'deki kuzey koridorda da onun için bir anıt vardır.
Kariyeri
1849'da Stokes, Cambridge'deki Lucasian matematik profesörlüğüne atandı ve 1903'teki ölümüne kadar bu pozisyonda kaldı. 1 Haziran 1899'da bu atamanın yıl dönümü orada Avrupa ve Amerika üniversitelerinden çok sayıda delegenin katıldığı bir törenle kutlandı. Stokes'a üniversitenin rektörü tarafından hatıra amaçlı bir altın madalya takdim edildi ve Stokes'un Hamo Thornycroft'un mermer büstleri Pembroke Koleji'ne ve üniversiteye Lord Kelvin tarafından resmen teklif edildi. 1889'da baronet yapılan Stokes, üniversitesini 1887'den 1892'ye kadar Cambridge Üniversitesi seçim bölgesinin iki üyesinden biri olarak parlamentoda temsil ederek daha da hizmet etti. Bu dönemin bir bölümünde (1885-1890), 1854'ten beri sekreterlerinden biri olduğu Kraliyet Cemiyeti'nin de başkanıydı. O sırada Lucasian Profesörü olduğu için Stokes, üç pozisyonu da aynı anda elinde tutan ilk kişiydi; Newton, aynı anda olmasa da bu üç pozisyonu elinde tutmuştu.
Stokes, doğa filozofları üçlüsünün en eskisiydi, diğer ikisi James Clerk Maxwell ve Lord Kelvin'di ve özellikle 19. yüzyılın ortalarında Cambridge matematiksel fizik okulunun ününe katkıda bulundular. Stokes'un orijinal çalışması 1840 civarında başladı ve o tarihten itibaren, üretiminin büyük boyutu, yalnızca kalitesinin parlaklığından daha az dikkat çekiciydi. Royal Society'nin bilimsel makaleler kataloğu, 1883'e kadar yayınlanmış yüzün üzerinde anılarının başlıklarını verir. Bunlardan bazıları yalnızca kısa notlardır, diğerleri kısa, tartışmalı veya düzeltici ifadelerdir, ancak çoğu uzun ve ayrıntılı incelemelerdir.
Bilime katkıları
Kapsam olarak, çalışmaları geniş bir fiziksel araştırma yelpazesini kapsıyordu, ancak Marie Alfred Cornu'nun 1899 tarihli Rede Dersinde belirttiği gibi büyük kısmı dalgalar ve çeşitli ortamlardan geçişleri sırasında onlara dayatılan dönüşümlerle ilgiliydi.
Akışkanlar dinamiği
1842 ve 1843'te yayınlanan ilk makaleleri, sıkıştırılamaz akışkanların sürekli hareketi ve bazı akışkan hareketi durumları üzerineydi. Bunları 1845'te hareket halindeki sıvıların sürtünmesi ve elastik katıların dengesi ve hareketi ve sıvıların iç sürtünmesinin sarkaçların hareketi üzerindeki etkileri üzerine 1850'de bir diğeri izledi. Ses teorisine, rüzgarın sesin yoğunluğu üzerindeki etkisinin bir tartışması ve sesin üretildiği gazın doğasından yoğunluğun nasıl etkilendiğine dair bir açıklama da dahil olmak üzere birçok katkı yaptı. Bu araştırmalar birlikte akışkanlar dinamiği bilimini yeni bir temele oturttu ve yalnızca bulutların havada asılı kalması ve sudaki dalgalanmaların ve dalgaların çökmesi gibi birçok doğal fenomenin açıklanması için bir anahtar sağlamakla kalmadı, aynı zamanda nehirlerde ve kanallarda su akışı ve gemilerin yüzey direnci gibi pratik problemlerin çözümünü sağladı.
Yavaş akış
Akışkan hareketi ve viskozite üzerine yaptığı çalışma, viskoz bir ortama düşen bir küre için son hızı hesaplamasına yol açtı. Bu, Stokes yasası olarak bilinir hale geldi. Çok küçük Reynolds sayılarına sahip küresel nesnelere uygulanan sürtünme kuvveti (çekme kuvveti de denir) için bir ifade türetmiştir.
Çalışması, sıvının dikey bir cam tüp içinde sabit olduğu, düşen küre viskozimetresinin temelidir. Bilinen boyut ve yoğunluğa sahip bir kürenin sıvının içinde aşağı inmesine izin verilir. Doğru seçilirse, tüp üzerinde iki işareti geçmek için geçen süre ile ölçülebilen terminal hıza ulaşır. Opak sıvılar için elektronik algılama kullanılabilir. Son hız (terminal hız), kürenin boyutu ve yoğunluğu ile sıvının yoğunluğu bilindiğinde, sıvının viskozitesini hesaplamak için Stokes kanunu kullanılabilir. Hesaplamanın doğruluğunu artırmak için klasik deneyde normalde farklı çaplarda bir dizi çelik rulman bilyesi kullanılır. Okuldaki deney, sıvı olarak gliserin kullanılır ve söz konusu teknik, işlemlerde kullanılan sıvıların viskozitesini kontrol etmek için endüstriyel olarak kullanılmaktadır.
Aynı teori, küçük su damlacıklarının (veya buz kristallerinin) neden kritik bir boyuta ulaşana ve yağmur (veya kar ve dolu) olarak düşmeye başlayana kadar havada (bulut olarak) asılı kalabildiğini açıklar. Denklemin benzer kullanımı, ince parçacıkların su veya diğer sıvılar içinde yerleşmesi için de fayda sağlayabilir.
Kinematik viskozitenin CGS birimi, çalışmalarının tanınmasıyla "stokes" olarak adlandırıldı.
Işık
Belki de en iyi bilinen araştırmaları, ışığın dalga teorisi ile ilgili olanlardır. Optik çalışmaları, bilimsel kariyerinin erken bir döneminde başladı. Işığın sapması üzerine ilk makaleleri 1845 ve 1846'da yayınlandı, ve bunu 1848'de spektrumda görülen belirli bantlar teorisi üzerine bir makale izledi.
1849'da dinamik kırınım teorisi üzerine uzun bir makale yayınladı ve burada polarizasyon düzleminin yayılma yönüne dik olması gerektiğini gösterdi. İki yıl sonra kalın levhaların renklerini tartıştı.
Stokes ayrıca George Airy'nin gökkuşaklarının matematiksel tanımını da araştırdı. Airy'nin bulguları, değerlendirilmesi zor olan bir integral içeriyordu. Stokes, integrali çok az anlaşılan bir ıraksak dizi olarak ifade etti. Bununla birlikte Stokes, seriyi akıllıca keserek (yani, dizinin ilk birkaç terimi dışında hepsini yok sayarak), integralin değerlendirilmesi integralin kendisinden çok daha kolay olan doğru bir yaklaşıklık elde etti. Stokes'un asimptotik seriler üzerine araştırması, bu tür seriler hakkında temel anlayışlara yol açtı.
Floresans (Işınım)
1852'de, ışığın dalga boyunun değişimiyle ilgili ünlü makalesinde, floresans fenomenini, fluorspar ve uranyum camı tarafından sergilendiği şekliyle tanımladı; bu materyallerin, görünmez ultraviyole radyasyonu görünür daha uzun dalga boylarındaki radyasyona dönüştürme gücüne sahip olduğunu düşündü. Bu dönüşümü tanımlayan Stokes kayması, Stokes'un onuruna adlandırılmıştır. Stokes'un açıklamasının dinamik ilkesini gösteren mekanik bir model gösterildi. Bunun dalı olan Stokes doğrusu, Raman saçılmasının temelidir. 1883'te Kraliyet Enstitüsü'ndeki bir konferansta Lord Kelvin, Stokes'tan yıllar önce bunun bir hesabını duyduğunu ve bunu yayınlaması için ona defalarca ama boş yere yalvardığını söyledi.
Polarizasyon
Aynı yıl, 1852, farklı kaynaklardan gelen polarize ışık akışlarının bileşimi ve çözünürlüğü hakkında bir makale ve 1853'te bazı metalik olmayan maddeler tarafından sergilenen metalik yansımanın araştırılması makalesi yayınlandı. Araştırmanın amacı, ışık polarizasyonu olgusunu vurgulamaktı. 1860 dolaylarında bir levha yığınından yansıyan veya bu levhalardan iletilen ışığın yoğunluğu üzerine bir araştırma yaptı; ve 1862'de British Association için, belirli kristallerin farklı eksenler boyunca farklı kırılma indeksleri gösterdiği bir fenomen olan çift kırılma hakkında değerli bir rapor hazırladı. Belki de en iyi bilinen kristal, şeffaf kalsit kristalleri olan İzlanda kalsitidir.
Elektrik ışığının uzun spektrumu üzerine bir makale aynı tarihi taşır ve bunu kanın absorpsiyon spektrumu hakkında bir araştırma takip eder.
Kimyasal analiz
Organik cisimlerin optik özellikleriyle kimyasal olarak tanımlanması 1864'te ele alındı; ve sonrası, Rev. William Vernon Harcourt, şeffaflık koşullarına ve akromatik teleskopların gelişimine atıfta bulunarak, çeşitli camların kimyasal bileşimi ve optik özellikleri arasındaki ilişkiyi araştırdı. Optik aletlerin yapımıyla bağlantılı daha sonraki bir makale, mikroskop hedeflerinin açıklığının teorik sınırlarını tartıştı.
Diğer çalışmaları
Fiziğin diğer bölümlerinde, kristallerde ısı iletimi (1851) hakkındaki makalesinden ve Crookes radyometresi ile ilgili araştırmalarından bahsedilebilir; gökyüzüne karşı görülen karanlık bir cismin dış hatlarının hemen dışındaki fotoğraflarda sıklıkla görülen ışık sınırına ilişkin açıklaması (1882); ve daha sonra, ileri sürdüğü x-ışınları teorisi; bunun, düzenli art arda gelen salınımlarda değil, sayısız tek dalga olarak hareket eden enine dalgalar olabileceğini öne sürdü. 1849'da yayınlanan iki uzun makale - biri çekimler ve Clairaut teoremi,, diğeri ise dünya yüzeyindeki yerçekiminin değişimi (1849) - Stokes yerçekimi formülü - periyodik serilerin toplamlarının kritik değerleri üzerine matematiksel anılarında olduğu gibi (1847) ve belirli integrallerin ve sonsuz serilerin bir sınıfının sayısal hesaplanması üzerine (1850) ve 1847 Dee Köprüsü felaketinden sonra Royal Commission on the Use of Iron in Railway structures (Demiryolu yapılarında Demir Kullanımı Kraliyet Komisyonu)na verdiği kanıtlarıyla ilgili araştırma olan demiryolu köprülerinin yıkılmasıyla ilgili bir diferansiyel denklem tartışması (1849) ayrıca dikkat çekmeyi hak ediyor.
Yayınlanmamış araştırmaları
Stokes'un keşiflerinin çoğu yayınlanmadı ya da sadece sözlü derslerinde değinildi. Böyle bir örnek, spektroskopi teorisindeki çalışmasıdır.
Lord Kelvin, 1871'de British Association'a yaptığı başkanlık konuşmasında, ışığın prizmatik analizinin güneş ve yıldız kimyasına uygulanmasının, Stokes ona Cambridge Üniversitesi'nde öğrettiği zaman, doğrudan veya dolaylı olarak hiç kimse tarafından önerilmediğine olan inancını belirtti. 1852 yazından önce ve o sırada Stokes'tan öğrendiği ve daha sonra Glasgow'daki halka açık konferanslarında düzenli olarak verdiği teorik ve pratik sonuçları ortaya koydu.
Spektroskopinin dayandığı fiziksel temeli ve bunun güneşte ve yıldızlarda var olan maddelerin tanımlanmasına nasıl uygulanabileceğini içeren bu ifadeler, Stokes'un Kirchhoff'u en az yedi veya sekiz yıl önceden beklediğini gösteriyor. Bununla birlikte Stokes, bu adresin verilmesinden birkaç yıl sonra yayınlanan bir mektupta, tartışmada temel bir adımı atmakta başarısız olduğunu belirtti - belirli dalga boyundaki ışık emisyonunun aynı dalga boyunda ışığın emilmesine yalnızca izin vermekle kalmayıp, bunu zorunlu kıldığını algılamadı. "Kirchhoff'un takdire şayan keşfinin herhangi bir bölümünü" alçakgönüllülükle reddetti ve bazı arkadaşlarının davasında aşırı gayretli olduğunu hissettiğini ekledi. Bununla birlikte, İngiliz bilim adamlarının bu feragatnameyi tam olarak kabul etmedikleri ve spektroskopinin temel ilkelerini ilk kez dile getirme hakkını hala Stokes'a atfettikleri söylenmelidir.
Başka bir şekilde de Stokes matematiksel fiziğin ilerlemesi için çok şey yaptı. Lucasian kürsüsüne seçildikten kısa bir süre sonra, üniversitenin herhangi bir üyesine matematik çalışmalarında karşılaşabileceği zorluklarda yardım etmeyi mesleki görevlerinin bir parçası olarak gördüğünü ve sağlanan yardımın o kadar gerçek olduğunu açıkladı ki, öğrenciler memnuniyetle karşıladılar. Meslektaş olduktan sonra bile, kendilerini kaybettikleri matematiksel ve fiziksel problemlerde ona danıştılar. Daha sonra, Kraliyet Cemiyeti'nin sekreteri olarak görev yaptığı otuz yıl boyunca, matematik ve fizik biliminin ilerlemesi üzerinde göze çarpmasa da, sadece doğrudan kendi araştırmalarıyla değil, dolaylı olarak da araştırma için problemler önererek ve insanları onlara saldırmaya teşvik ederek, cesaretlendirmeye ve yardım etmeye hazır oluşuyla muazzam bir etki yaptı.
Mühendisliğe katkıları
Stokes, özellikle Mayıs 1847'deki Dee Köprüsü felaketi başta olmak üzere, demir yolu kazalarıyla ilgili çeşitli araştırmalarda yer aldı ve demir yolu yapılarında dökme demir kullanımı konusunda müteakip Kraliyet Komisyonu'nun bir üyesi olarak görev yaptı. Hareket eden motorların köprülere uyguladığı kuvvetlerin hesaplanmasına katkıda bulundu. Köprü, geçen trenlerin yüklerini desteklemek için bir dökme demir kiriş kullanıldığı için başarısız oldu. Dökme demir, çekme veya bükülmede kırılgandır ve diğer birçok benzer köprünün yıkılması veya güçlendirilmesi gerekiyordu.
Tay Köprüsü faciasında bilirkişi olarak yer aldı ve rüzgar yüklerinin köprü üzerindeki etkilerine ilişkin ifade verdi. Köprünün orta kısmı (Yüksek Kirişler olarak bilinir) 28 Aralık 1879'da bir fırtına sırasında tamamen yıkıldı, bu kısımda bir ekspres tren vardı ve içindeki herkes öldü (75'ten fazla kurban). Soruşturma Kurulu birçok bilirkişiyi dinledi ve köprünün "kötü tasarlanmış, kötü inşa edilmiş ve bakımsız" olduğu sonucuna vardı.
Kanıtlarının bir sonucu olarak, rüzgar basıncının yapılar üzerindeki etkisine müteakip Kraliyet Komisyonu üyesi olarak atandı. Şiddetli rüzgarların büyük yapılar üzerindeki etkileri o zamanlar ihmal edilmişti ve komisyon, fırtınalar sırasında rüzgar hızlarını ve maruz kalan yüzeylere uyguladıkları basınçları değerlendirmek için İngiltere genelinde bir dizi ölçüm yaptı.
Din üzerinde çalışmaları
Stokes genellikle muhafazakar dini değerlere ve inançlara sahipti. 1886'da, Evanjelik Hristiyan ilkelerini yeni bilimlerin, özellikle Darwinci biyolojik evrim teorisinin meydan okumalarına karşı savunmak için kurulmuş olan Victoria Enstitüsü'nün başkanı oldu. 1891'de Gifford'da doğal teoloji üzerine konferans verdi. Aynı zamanda İngiliz ve Yabancı İncil Derneği'nin başkan yardımcısıydı ve misyonerlik çalışmalarıyla ilgili doktrinsel tartışmalarda aktif olarak yer aldı. Bununla birlikte, dini görüşleri çoğunlukla ortodoks olsa da, cehennemde ebedi cezayı reddetme konusunda Victoria evanjelikleri arasında alışılmadıktı ve bunun yerine Conditionalism'in bir savunucusuydu.
Victoria Enstitüsü Başkanı olarak Stokes şunları yazdı:
Kişisel yaşamı
4 Temmuz 1857'de Armagh'daki St Patrick Katedrali'nde astronom Rev. Thomas Romney Robinson'ın kızı Mary Susanna Robinson ile evlendi. Beş çocukları oldu: Baronetliği miras alan Arthur Romney; bebekken ölen Susanna Elizabeth; Memoir and Scientific Correspondence of the Late George Gabriel Stokes, Bartta babasının kişisel anısına katkıda bulunan Isabella Lucy (Bayan Laurence Humphry); Dr William George Gabriel, doktor, geçici olarak delirdiği halde 30 yaşında intihar eden sorunlu bir adam; ve bebekken ölen Dora Susanna. Erkek soyu ve dolayısıyla baronetliği tükenmiştir, ancak kadın soyundan bir büyük torun, bir büyük büyük torun ve üç büyük büyük büyük torun hayatta kalmıştır.
Mirası ve onurlandırılması
Cambridge Üniversitesi'nde Lucasian Matematik Profesörü
1851'de üyesi olduğu Kraliyet Cemiyeti'nden, 1852'de ışığın dalga boyu konusundaki araştırmalarından dolayı Rumford Madalyası ve daha sonra 1893'te Copley Madalyası aldı.
1869'da British Association'ın Exeter toplantısına başkanlık etti.
1883'ten 1885'e kadar Aberdeen'de Burnett öğretim görevlisiydi, 1884-1887'de yayınlanan ışık üzerine dersleri, ışığın doğası, bir araştırma aracı olarak kullanımı ve faydalı etkileri ile ilgiliydi.
18 Nisan 1888'de Freeman of the City of London olarak kabul edildi.
6 Temmuz 1889'da Kraliçe Victoria ona Birleşik Krallık Baronetliği'nde Baronet Stokes of Lensfield Cottage unvanını verdi; bu unvan 1916'da yok oldu.
1891'de Gifford öğretim görevlisi olarak Natural Theology (Doğal Teoloji) üzerine bir cilt yayınladı.
Prusyanın Order Pour le Mérite üyesiydi.
Akademik unvanları arasında birçok üniversiteden aldığı onursal dereceler yer aldı:
6 Eylül 1902'de Kraliyet Frederick Üniversitesi'nden matematikçi Niels Henrik Abel'in doğumunun yüzüncü yılını kutladıkları sırada doctor mathematicae (honoris causa) unvanı aldı.
Kinematik viskozitenin bir birimi olan stokes, onun adını almıştır.
Temmuz 2017'de Dublin Şehir Üniversitesi, fizik ve matematiğe katkılarından dolayı bir binaya Stokes adını verdi.
Yayınları
Stokes'un matematiksel ve fiziksel makaleleri (dış bağlantılara bakın) beş cilt halinde toplanmış bir biçimde; ilk üçü (Cambridge, 1880, 1883 ve 1901) kendi editörlüğü altında ve son ikisi (Cambridge, 1904 ve 1905), aynı zamanda Stokes'un Anı ve Bilimsel Yazışmalarını (Memoir and Scientific Correspondence of Stokes) seçen ve düzenleyen Sir Joseph Larmor'un editörlüğünde 1907 yılında Cambridge'de yayınlandı.