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サー・ジョージ・ガブリエル・ストークス、初代準男爵（/ s oʊ k s / stohks ; [ 2 ] 1819年8月13日- 1903年2月1日）は、アイルランドの数学者、物理学者。アイルランドのスライゴ県で生まれたストークスは、その生涯をケンブリッジ大学で過ごし、1849年から1903年に亡くなるまでの54年間、ルーカス記念数学教授を務めた。これはルーカス記念教授としては最長の在任期間である。
物理学者として、ストークスは流体力学、特にナビエ・ストークス方程式に画期的な貢献をし、光学にも偏光と蛍光に関する注目すべき業績を残した。数学者としては、ベクトル解析におけるストークスの定理を普及させ、漸近展開の理論に貢献した。ストークスはフェリックス・ホッペ＝ザイラーとともに、ヘモグロビンの酸素輸送機能を初めて実証し、ヘモグロビン溶液の通気によって生じる色の変化を示した。
ストークスは1887年から1892年までケンブリッジ大学を代表して下院議員を務め、保守党員として議席に着いた。また、1885年から1890年まで王立協会の会長を務め、短期間ながらケンブリッジ大学ペンブローク・カレッジの学長も務めた。ストークスの膨大な書簡と王立協会の秘書としての活動により、彼はヴィクトリア朝科学の門番と呼ばれ、その貢献は彼自身の発表論文を凌駕している。[ 3 ]
ジョージ・ガブリエル・ストークスは、1819年8月13日にアイルランドのスクリーンで生まれた。父はアイルランド国教会の聖職者でスクリーンの教区牧師を務めていたガブリエル・ストークス牧師、母はジョン・ホートン牧師の娘エリザベス・ホートンである。彼の家庭生活は、父の福音主義プロテスタント信仰に強く影響を受けていた。彼の兄弟のうち3人が教会に入り、その中で最も著名だったのがジョン・ストークスで、彼はアーマーの首席司祭となった。[ 4 ]プロテスタント信仰への生涯にわたる献身に加え、スクリーンでの幼少期は、後に流体力学を研究分野として追求するという彼の決断に強く影響を与えた。[ 5 ]彼の娘イザベラ・ハンフリーズは、父が「少年時代にスライゴ沖で水浴びをしていた時に、これらの大きな波の一つにほとんど流されそうになったことがあり、それが波に初めて興味を持ったきっかけだった」と私に話したと記している。[ 6 ]
ジョンとジョージはいつも仲が良く、ジョージはダブリンの学校に通っていた間、ジョンと一緒に暮らしていた。家族の中で、彼は妹のエリザベスと最も親しかった。彼らの母親は、家族の間では「美しかったが、とても厳格だった」と記憶されている。1837年、スクリーン、ダブリン、ブリストルの学校に通った後、ストークスはケンブリッジ大学ペンブローク・カレッジに入学した。1841年、彼は最優秀の成績で卒業し、スミス賞も受賞した。これらの功績により、彼はその年に同カレッジのフェローに選出された。[ 7 ]
大学の規約に従い、ストークスは1857年に結婚した際にフェローシップを辞任しなければならなかった。12年後、新しい規約の下で彼はフェローシップに再選され、1902年にペンブローク・カレッジの学長に選出されるまでその地位を保持した。彼は翌年の2月1日に83歳で亡くなり[ 8 ] 、ケンブリッジのミル・ロード墓地に埋葬された。ウェストミンスター寺院の北側通路にも彼の記念碑がある[ 9 ]。
1849年、ストークスはケンブリッジ大学のルーカス記念数学教授に任命され、1903年に亡くなるまでその職を務めた。1899年6月1日、同大学でこの任命50周年を記念する式典が開催され、ヨーロッパやアメリカの大学から多数の代表者が出席した。大学総長からストークスに記念の金メダルが贈られ、ハモ・ソーニークロフト作のストークスの大理石像がケルビン卿からペンブローク・カレッジと大学に正式に寄贈された。ストークスのルーカス記念教授としての在任期間は54年で、史上最長であった。
1889年に準男爵に叙せられたストークスは、1887年から1892年までケンブリッジ大学選挙区選出の2人の議員のうちの1人として議会で大学を代表し、さらに大学に貢献した。1885年から1890年までは王立協会の会長も務め、1854年からは同協会の事務局長の1人であった。この時ルーカス教授も兼任していたため、彼はこれら3つの役職を同時に務めた最初の人物となった。アイザック・ニュートンも同じ3つの役職を兼任していたが、同時ではなかった。[ 8 ]
ストークスは、ジェームズ・クラーク・マクスウェルとケルビン卿という他の二人の自然哲学者の中で最年長であり、彼らは特に19世紀半ばのケンブリッジ大学の数理物理学の名声を高めることに貢献した。
ストークスの独創的な研究は1840年頃に始まり、その量と質の高さで知られています。王立協会の科学論文目録には、1883年までに発表された彼の100以上の論文のタイトルが記載されています。これらの中には短いメモや、短い論争や訂正の記述もありますが、多くは長くて詳細な論文です。[ 10 ]
ストークスの研究は、その範囲において幅広い物理学的探求を網羅していたが、マリー・アルフレッド・コルニュが1899年のレデ講演で述べたように[ 11 ] 、その大部分は波と、波がさまざまな媒体を通過する際に受ける変化に関するものであった[ 12 ] 。
ストークスの最初の論文は、1842年と1843年に発表され、非圧縮性流体の定常運動と流体運動のいくつかの事例に関するものでした。[ 13 ] [ 14 ]これに続いて、1845年には流体の摩擦と弾性固体の平衡と運動に関する論文[ 15 ]、1850年には流体の内部摩擦が振り子の運動に及ぼす影響に関する論文[ 16 ]を発表しました。音の理論には、風が音の強度に及ぼす影響についての議論[ 17 ]や、音が発生する気体の性質によって強度がどのように影響を受けるかの説明など、いくつかの貢献をしました。[ 18 ]これらの研究は流体力学の科学を新たな基盤に据え、雲が空中に浮遊することや、水面のさざ波や波が沈むことなど、多くの自然現象の説明だけでなく、河川や水路の水の流れや船舶の表面抵抗などの実際的な問題の解決にも鍵を提供した。[ 12 ]
ストークスの流体運動と粘性に関する研究は、粘性媒体中を落下する球体の終端速度の計算につながった。これはストークスの法則として知られるようになった。彼は、レイノルズ数が非常に小さい球体物体に作用する摩擦力（抗力とも呼ばれる）の式を導出した。[ 19 ]
ストークスの研究は、垂直なガラス管内で流体を静止させた状態で、落下球式粘度計の基礎となっている。既知の大きさおよび密度の球体を液体中を落下させる。球体を適切に選択すれば、終端速度に達する。終端速度は、管上の2つの目盛りを通過するのにかかる時間で測定できる。不透明な流体には電子センサーを用いることができる。終端速度、球体の大きさおよび密度、そして液体の密度が分かれば、ストークスの法則を用いて流体の粘度を計算できる。古典的な実験では、計算精度を高めるために、通常、直径の異なる一連の鋼球が用いられる。学校で行われる実験ではグリセリンを流体として用い、この技術は工業的にもプロセスで使用される流体の粘度を検査するために利用されている。
同じ理論は、小さな水滴（または氷の結晶）が、臨界サイズに成長して雨（または雪や雹）として落下し始めるまで、空気中に浮遊し続ける（雲として）理由を説明する。この方程式は、水やその他の流体中の微粒子の沈降にも同様に応用できる。
ストークスの最もよく知られた研究は、おそらく光の波動理論に関するものだろう。彼の光学研究は、科学者としてのキャリアの初期に始まった。光の収差に関する最初の論文は1845年と1846年に発表され、[ 20 ] [ 21 ] 1848年にはスペクトルに見られる特定のバンドの理論に関する論文が続いた。[ 22 ] [ 12 ]
1849年、ストークスは回折の動的理論に関する長大な論文を発表し、その中で偏光面が伝搬方向に対して垂直でなければならないことを示した。[ 23 ] 2年後、彼は厚板の色について論じた。[ 24 ] [ 12 ]
ストークスはまた、ジョージ・エアリーの虹の数学的記述についても調査した。[ 25 ]エアリーの発見には、評価が困難な積分が含まれていた。ストークスは、その積分を、ほとんど理解されていない発散級数として表現した。しかし、級数を巧みに打ち切る（つまり、級数の最初の数項以外を無視する）ことで、積分自体よりもはるかに評価しやすい、積分の正確な近似値を得た。[ 26 ]ストークスの漸近級数に関する研究は、そのような級数に関する根本的な洞察につながった。[ 27 ]
1852年、光の波長の変化に関する有名な論文の中で、彼は蛍石やウランガラスに見られる蛍光現象について説明しました。彼はこれらの物質が目に見えない紫外線を、より波長の長い可視光線に変換する力を持っていると考えていました。[ 28 ]この変換を表すストークスシフトは、ストークスにちなんで名付けられました。ストークスの説明の動的原理を示す機械モデルが示されました。この派生であるストークス線は、ラマン散乱の基礎となっています。1883年、王立研究所での講演で、ケルビン卿は、何年も前にストークスからこの話を聞いており、何度も出版するように懇願したが無駄だったと述べました。[ 29 ]
同年、1852年には、さまざまな光源からの偏光の流れの構成と分解に関する論文[ 30 ]が発表され、1853年には、特定の非金属物質が示す金属反射の調査が行われた[ 31 ] 。この研究は、光の偏光現象を強調することを目的としていた。1860年頃、彼は板の束から反射または透過する光の強度に関する調査に従事し[ 32 ]、1862年には、英国科学振興協会のために複屈折に関する貴重な報告書を作成した[ 12 ] 。複屈折とは、特定の結晶が異なる軸に沿って異なる屈折率を示す現象である[ 33 ] 。おそらく最もよく知られている結晶は、透明な方解石結晶であるアイスランドスパーであろう。
電灯の長波長スペクトルに関する論文も同じ日付で発表されており、[ 34 ]続いて血液の吸収スペクトルに関する調査が行われた。 [ 12 ] [ 35 ]
有機物の光学特性による化学的同定は1864 年に扱われました。 [ 36 ]その後、ウィリアム・ヴァーノン・ハーコート牧師と共同で、透明度条件と無色収差望遠鏡の改良に関連して、さまざまなガラスの化学組成と光学特性の関係を調査しました。[ 37 ]さらに後の光学機器の構築に関連した論文では、顕微鏡対物レンズの開口の理論的限界について議論しました。[ 38 ] [ 12 ]
1849年、ストークスは乱視を検出するためにストークスレンズを発明した。[ 39 ]これは、等しいが反対のパワーを持つ円筒レンズを組み合わせたレンズで、レンズ同士が回転できるように取り付けられている。[ 40 ]
物理学の他の分野では、結晶における熱伝導に関する彼の論文（1851年）[ 41 ] 、クルックス放射計に関する彼の研究[ 42 ]、空を背景にした暗い物体の輪郭のすぐ外側に写真で頻繁に見られる光の境界の説明（1882年）[ 43 ]、そしてさらに後になって、規則的な列ではなく無数の孤立波として伝わる横波である可能性を示唆したX線理論[ 44 ]が挙げられる。
1849 年に発表された 2 つの長文論文、すなわち引力とクレローの定理に関するもの[ 45 ]と、地球の表面における地球の重力の変化 (1849 年) –ストークスの重力公式[ 46 ]に関するものも注目に値する。彼はまた、周期級数の和の臨界値 (1847 年) [ 47 ]と、ある種の定積分と無限級数の数値計算(1850 年) [ 48 ]に関する数学的覚書も執筆した。鉄道橋の破壊に関する微分方程式(1849 年) [ 49 ] [ 12 ]についての彼の議論は、1847年のディー橋の災害後に鉄道構造物における鉄の使用に関する王立委員会に提出した彼の証言に関連していた。
ストークスの発見の多くは出版されなかったか、口頭講義の中で触れられただけであった。その一例として、分光理論における彼の研究が挙げられる。[ 12 ]
ケルビン卿は1871年の英国科学振興協会 での会長演説で、光のプリズム分析を太陽や恒星の化学に適用するというアイデアは、1852年の夏より少し前にストークスがケンブリッジ大学で彼に教えた当時、直接的にも間接的にも他の誰からも提案されたことがなかったと確信していると述べ、当時ストークスから学んだ理論的および実践的な結論を述べ、その後グラスゴーでの公開講義で定期的に発表した。[ 50 ]
これらの記述は、分光法の基礎となる物理的原理と、それが太陽や恒星に存在する物質の同定にどのように応用できるかを示しているため、ストークスはグスタフ・キルヒホフより少なくとも7、8年は先を行っていたように見える。しかし、ストークスはこの講演から数年後に発表した手紙の中で、議論において重要な一歩を踏み出せなかったと述べている。それは、特定の波長の光を放出すると、同じ波長の光を吸収することが単に許されるだけでなく、必然的に起こるという点に気づかなかったことである。彼は「キルヒホフの素晴らしい発見のいかなる部分も」自分の功績ではないと謙虚に述べ、友人の中には彼の主張に熱心すぎる者もいたと感じていると付け加えた。[ 51 ]しかし、イギリスの科学者たちはこの否定を全面的に受け入れたわけではなく、今でもストークスが分光法の基本原理を最初に提唱した人物であると認めている。[ 12 ]
また、別の面でも、ストークスは数理物理学の発展に大きく貢献した。ルーカス講座教授に選出されて間もなく、彼は大学のどのメンバーが数学研究で遭遇する困難に対しても支援することが自分の専門的義務の一部であると考えていると発表し、実際に提供された支援は非常に現実的であったため、教え子たちは同僚になった後も、行き詰まった数学的および物理的問題について喜んで彼に相談した。その後、王立協会の事務局長を務めた30年間、彼は自身の研究によって直接的に、また研究すべき問題を提案し、人々に挑戦するよう促し、励ましと援助を惜しまないことによって間接的に、数学と物理科学の発展に計り知れないほどの、しかし目立たない影響力を行使した。[ 12 ]
ストークスは、鉄道事故に関する数々の調査に携わり、特に1847年5月にチェスターで発生したディー橋崩落事故の調査に関わりました。また、その後、鉄道構造物における鋳鉄の使用に関する王立委員会の委員も務めました。彼は、走行中の機関車が橋に及ぼす力の計算に貢献しました。この橋が崩落したのは、通過する列車の荷重を支えるために鋳鉄製の梁が使用されていたためです。鋳鉄は引張力や曲げに対して脆く、同様の橋の多くが解体または補強を余儀なくされました。
彼はテイ橋の災害で専門家証人として出廷し、橋への風荷重の影響について証言した。橋の中央部（ハイガーダーとして知られる）は、1879年12月28日の嵐で完全に破壊された。当時、急行列車がその区間を走行しており、乗っていた全員が死亡した（75人以上の犠牲者）。調査委員会は多くの専門家証人の証言を聞き、橋は「設計不良、建設不良、維持管理不良」であったと結論付けた。[ 52 ]
彼の証言の結果、彼は風圧が構造物に及ぼす影響に関するその後の王立委員会の委員に任命された。当時、強風が大型構造物に及ぼす影響は軽視されていたため、委員会は嵐の際の風速と、それが露出した表面に及ぼす圧力を把握するために、イギリス全土で一連の測定を行った。
ストークスは概して保守的な宗教的価値観と信念を持っていた。1886年、彼はビクトリア研究所の所長に就任した。この研究所は、新科学、特にダーウィンの生物進化論からの挑戦に対して福音主義キリスト教の原則を守るために設立された。彼は1891年に自然神学に関するギフォード講演を行った。[ 53 ] [ 54 ]また、彼は英国外国聖書協会の副会長でもあり、宣教活動に関する教義論争に積極的に参加していた。[ 55 ]しかし、彼の宗教観は概ね正統的であったものの、地獄での永遠の罰を否定し、代わりにキリスト教の条件付き救済論を提唱した点で、ビクトリア時代の福音主義者の中では異例であった。[ 56 ]
ヴィクトリア研究所の所長として、ストークスは次のように書いています。「私たちは皆、自然という書物と啓示という書物はどちらも神から来たものであり、したがって正しく解釈すれば両者の間に真の矛盾はあり得ないことを認めています。科学と啓示の規定は、ほとんどの場合、非常に異なっているため、衝突する可能性はほとんどありません。しかし、明らかな矛盾が生じた場合、原則として、どちらか一方を他方のために排除する権利はありません。啓示の真実をどれほど確信していても、啓示されたものの範囲や解釈に関して誤りを犯す可能性があることを認めなければなりません。また、ある理論を支持する科学的証拠がどれほど強力であっても、私たちは、その性質上、蓋然性しかない証拠を扱っていることを忘れてはなりません。より広範な科学的知識によって、私たちの意見が変わる可能性も考えられます。」[ 57 ]
1857年7月4日、ストークスはアーマーの聖パトリック大聖堂で、アイルランドの天文学者トーマス・ロムニー・ロビンソンの唯一の娘であるメアリー・スザンナ・ロビンソンと結婚した。二人の間には5人の子供が生まれた。ストークス準男爵位を継承したアーサー・ロムニー、幼くして亡くなったスザンナ・エリザベス、父の回想録『故ジョージ・ガブリエル・ストークス準男爵の回想録と科学書簡集』に寄稿したイザベラ・ルーシー（ローレンス・ハンフリー夫人）、精神錯乱に陥り30歳で自殺した医師ウィリアム・ジョージ・ガブリエル博士、そして幼くして亡くなったドーラ・スザンナである。彼の男系、ひいては準男爵位はその後断絶した。
ストークスの数学および物理学論文（外部リンク参照）は、5巻にまとめられて出版されました。最初の3巻（ケンブリッジ、1880年、1883年、1901年）は彼自身の編集によるもので、最後の2巻（ケンブリッジ、1904年、1905年）はジョセフ・ラーモア卿の編集によるもので、ラーモア卿は1907年にケンブリッジで出版されたストークスの回想録と科学書簡も選別・整理しました。[ 70 ]
