Biografie

Článků v rubrice: 182

10. srpna 2019

Irský matematik a fyzik George Gabriel Stokes

Světlo je jeden z nejúžasnějších přírodních jevů a pro život člověka má zásadní význam. Je pro nás nejen hlavním prostředkem poznávání světa a vesmíru, ale i zdrojem emocí, je obdivováno a zkoumáno uměním i vědou. Optika, nauka o světle, je vlastně nejstarší částí fyziky. Počátkem 19. století byl fyzikální výzkum přirozeného světla slunečního nebo umělého rozšířen o oblasti infračervených a ultrafialových záření, které nevidíme. A protože si světlo stále ponechává svá tajemství, je pro fyziky trvalou výzvou a inspirací. Podlehl jí také anglický matematik, fyzik, politik a teolog irského původu Sir George Gabriel Stokes, od jehož narození letos uplynulo 200 let.

Fotogalerie (1)

Dobový portrét George Gabriela Stokese (zdroj Wikimedia Commons)

Ačkoliv byl jedním z nejvýznamnější irských vědců a jeho jméno nese několik zákonů v různých fyzikálních a matematických oborech, podrobnějších informací o soukromém životě je v dostupných pramenech málo.

Životopis

Narodil se 13. srpna 1819 ve Skreenu (hrabství Sligo) v silně věřící rodině pastora Gabriela Stokese. Byl nejmladší ze šesti dětí, z nichž jeho tři starší bratři se stali duchovními. V roce 1832 se rozloučil s rodným městem i bigotní rodinou a začal chodit do školy v Dublinu. O tři roky později, bylo mu tehdy jen 16 let, opustil natrvalo svou chudou vlast a odjel do Anglie, kde začal studovat na Bristol College a v roce 1837 se imatrikuloval na slavné Pembroke College univerzity v Cambridge. O čtyři roky později jí absolvoval jako „Senior Wrangel“ (nejvyšší ocenění úspěšného univerzitního studia matematiky) a nositel Smithovy ceny (za nejlepší výkon v sérii náročných zkoušek), což mu přineslo přijetí do koleje a dosažení hodnosti mistra umění. V roce 1849 byl jmenován dalším „lukasiánským“ profesorem na katedře matematiky, tedy vlastně na místo, které kdysi zaujímal Newton. Setrval na něm neuvěřitelných téměř 52 let až do své smrti 1. února 1903. V roce 1851 byl zvolen členem londýnské Královské společnosti (Royal Society), jejímž byl v letech 1854 až 1885 vědeckým tajemníkem i prezidentem (1885-1890). V roce 1889 získal šlechtický titul baroneta Spojeného království. Již od počátku svého působení shromažďoval kolem sebe nadané žáky a jeho učebna se vlastně stala první anglickou fyzikální laboratoří. Mezi jeho studenty byli například budoucí nositel Nobelovy ceny za fyziku lord Rayleigh (John William Strutt, 3. baron Rayleigh, 1848-1919), matematik a klasický fyzik Sir Horace Lamb (1849-1934) nebo „Newton elektromagnetismu“ James Clerk Maxwell (1831-1879), který byl po ukončení studia s výborným prospěchem přijat do profesorského sboru Trinity College. Maxwell a Stokes se stali přáteli, protože měli i mnoho společných povahových rysů. Patřila k nim také „cenná“ vlastnost málomluvnosti. Často se připomíná, jak proběhlo jejich první setkání, když se byl Maxwell představit profesoru Stokesovi. Oba prý seděli proti sobě celou půlhodinu a nepronesli ani slovo. V roce 1857 se Stokes oženil s Mary Susannou Robinsonovou, se kterou měl tři dcery. Za jeho vědeckou práci se mu dostalo mnoha domácích i zahraničních ocenění: Rumfordova medaile (1851), Actonian Prize (1886), Copleyho medaile (1893), Helmholtz-Medaile aj. Na Měsíci a na Marsu jsou po něm pojmenovány krátery.

Vědecká práce

Zřejmě nejznámější výzkumy, zahájené v raném období jeho vědecké kariéry, spadají do optiky, především fotoluminiscence vyvolané elektromagnetickým zářením. V roce 1852 pozoroval světélkování některých fluorescenčních minerálů v oblasti viditelného světla, které vzniká po předchozí stimulaci dopadajícím zářením. Ve svém traktátu On the Change of Refrangibility of Light (O změně lámavosti světla) vyslovil Stokesův zákon fluorescence, který říká, že vlnová délka vyzařovaného fluorescenčního záření je vždy větší než vlnová délka záření budícího; neplatí však vždy, v luminiscenčním spektru byly pozorovány i tzv. antistokesovské čáry, jejichž vlnová délka je naopak kratší než vlnová délka budícího záření (vlivem vibrační energie v základním stavu molekuly). Rozdíl mezi vlnovou délkou či frekvencí pohlceného a vyzářeného kvanta energie (mezi absorpční a emisní čárou) se nazývá Stokesův posun. Název „fluorescence“ razil Stokes podle minerálu fluoritu, který silně zeleně světélkuje. Byl také první, kdo adekvátně vysvětlil situaci, kdy může být v některých materiálech vyvolána fluorescence stimulací ultrafialovým zářením. Dnes víme, že existují látky, které mohou fluoreskovat po vybuzení nejen viditelným světlem, ale také dalšími druhy elektromagnetického záření (infračerveným zářením, rentgenovými paprsky a dokonce také radiovými vlnami). Tyto Stokesovy výsledky získaly na aktuálnosti zejména po vynálezu laserů.

Matematika

V oblasti diferenciální geometrie je významná tzv. Stokesova věta v matematické analýze, která dává do souvislosti křivkový integrál vektorového pole přes uzavřenou křivku a plošný integrál z rotace daného vektorového pole přes plochu křivkou uzavřenou (zjednodušeně pro převod mezi tokem pole uzavřenou oblastí a křivkovým integrálem jiné veličiny podél okraje této oblasti). V matematice je také znám Stokesův vektor (popisuje polarizaci) a Stokesova linie (separatrisa v komplexní rovině).

Hydrodynamika a mechanika

Bývá také označován za zakladatele hydrodynamiky, zabývající se mechanickým pohybem (prouděním) kapalin. Studoval mechaniku kontinua a významně přispěl ke studiu vířivého proudění (pohybu tekutiny, při které se její částice pohybují svým neuspořádaným pohybem a zároveň se pohybují ve směru proudění), odvozením pohybové rovnice pro nestlačitelné newtonovské tekutiny (kapaliny a plyny, které se řídí Newtonovým zákonem viskozity) , tzv. Navierovy-Stokesovy rovnice. Odvodili ji z bilance sil působících na tekutinu nezávisle na sobě v roce 1827 francouzský fyzik a technik Claude-Louis Navier a roku 1845 také Stokes. Navierova-Stokesova rovnice je analyticky řešitelná jen v několika málo případech jednoduchých toků. Používá se při výpočtech proudění v aerodynamice a hydrodynamice. Ve složitějších případech je nutno rovnici řešit numerickou metodou, kdy nalezení přesného analytického řešení (připouštějícího využití pouze známých vztahů a ekvivalentních úprav matematických konstrukcí) je velmi komplikované nebo dokonce nemožné. Proto také vyřešení Navierovy-Stokesovy rovnice bylo v roce 2000 vybráno mezi sedm nejdůležitějších otevřených soudobých matematických „Problémů tisíciletí“, které vyhlásil americký Clayův matematický institut se sídlem v Peterborough ve státě New Hampshire v USA. Za vyřešení každého z nich byla vyhlášena odměna ve výši jednoho milionu amerických dolarů.

Viskozita

V roce 1851 publikoval Stokes zákon viskozity. Princip určení kinematické viskozity v přístroji zvaném Stokesův viskozimetr, který je naplněn měřenou kapalinou, spočívá v měření doby pádu kuličky o dané hustotě a poloměru, mezi dvěma značkami. Kapalina je zahřáta na určitou teplotu (viskozita se s teplotou mění). Stokesův vzorec je pro výpočet rychlosti pádu kulových vodních (dešťových) kapek použitelný při jejich malých poloměrech v meteorologii, Stokesův vztah určuje velikost odporové síly, kterou klade kulovité těleso laminárně obtékané tekutinou.

Stokesův přínos hydrodynamice byl oceněn také tím, že po něm byla v dříve používané soustavě CGS (centimetr, kilogram, sekunda) pojmenována jednotka kinetické viskozity stokes (St).

Stokesův zájem překročil práh fyziky

Zabýval se také chemií a botanikou. Jeho rozpravy jsou uloženy v Philosophical Transactions a jiných odborných periodikách, souborně jsou obsaženy ve třech svazcích Mathematical and physical papers (sv. 1 a 2 vydány v letech 1880-83, sv. 3 v roce 1901). Česká odborná veřejnost se o něm mohla poprvé více dozvědět ze samostatného hesla ve XXIV. svazku Ottova slovníku naučného, vydaného v roce 1906.

Poznámky:

1. Lukasiánský profesor (Lucasian Chair of Mathematics) je označení pro nositele profesorského titulu na katedře matematiky na Trinity College, založené v roce 1663 na Univerzitě v Cambridgi díky daru bohatého soukromníka Henryho Lucase (1610-1663), který v letech 1639-1640 za univerzitu zasedal v Dolní sněmovně. Oficiálně ji ustanovil 18. ledna 1664 anglický král Karel II. Stuart. Až dosud zde měly věhlas katedry teologie a filologie, nikoliv však matematika, jako tomu bylo na nejstarší anglické univerzitě v Oxfordu. Lucas v poslední vůli odkázal univerzitě svou knihovnu o 4 000 svazcích a zanechal instrukce pro nákup půdy, jejíž výnos 100 liber za rok měl sloužit jako plat pro nositele titulu „lukasiánský profesor“. V roce 1663 se stal jeho prvním nositelem teolog a matematik Isaac Barrow, po šesti letech pak jako druhý slavný Isaac Newton (1643-1727). Poté mezi držitele Lucasovy stolice patřili například William Whiston, Joseph Lamor, Charles Babbage, George Biddell Airy, George Stokes (s prozatím nejdelším funkčním obdobím 54 let), Paul Dirac aj. Od roku 2009 zastával tento post teoretický fyzik Michael Green, když nahradil teoretického fyzika a kosmologa Stephena Williama Hawkinga (1942-2018), který působil na tomto místě v letech 1979 až 2009. Ten od té doby nosil titul Emeritní lukasiánský profesor matematiky. Od roku 2015 funkci převzal Michael Cates, zabývající se fyzikou kondenzovaného stavu. V současnosti je titul lukasiánského profesora stále považován za jednu z nejprestižnějších akademických funkcí na světě.

2. Claude-Louis Navier (1785-1836) byl francouzský fyzik a inženýr. V roce 1802 začal studovat na École Polytechnique, po dvou letech pokračoval na École Nationale des Ponts et Chaussées, kde studia zakončil v roce 1806. Stal se specialistou na mechaniku, především na mostní konstrukce. V roce 1821 matematicky formuloval teorii pružnosti, takže poprvé mohly být prováděny přesné výpočty u různých konstrukcí. O rok později odvodil pohybovou rovnici pro viskózní tekutinu, která nese jeho jméno. V roce 1826 zavedl modul pružnosti. Stal se členem Francouzské akademie věd (1924) a od roku 1830 působil jako profesor na své alma mater.

Literatura:

Ackroyd, P.: Newton. Academia, Praha

Gascha, H., Pflanz, S.: Kompendium fyziky. Universum, Praha 2008.

Lenard, P.: Velcí přírodozpytci. Dějiny přírodovědného bádání v životopisech. Družstevní práce, Praha 1943.

Pelant, I., Valenta, J.: Luminiscence doma, v přírodě a v laboratoři. Academia, Praha 2014.

Pickover, C., A.: Kniha o fyzice. Argo/Dokořán, Praha 2015.

Štoll, I.: Dějiny fyziky. Prometheus, Praha 2009.

https://cs.wikipedia.org/wiki/Georg-Gabriel-Stokes

https://edu.techmania.cz/cs/encyklopedie/vedec/1329/stokes

slovnik.cmes.cz/heslo/3245

https://cs.wikipedia.org/wiki/Navierova-Stokesova-rovnice

https://cs.wikipedia.org./wiki/Stokesuv-posuv