السير جورج ستوكس، البارون الأول

نُشرت أولى أبحاث ستوكس عامي 1842 و1843، وتناولت الحركة المستقرة للسوائل غير القابلة للانضغاط وبعض حالات حركة السوائل. ^{[ 13 ] [ 14 ]} تبع ذلك بحثٌ عام 1845 حول احتكاك السوائل المتحركة وتوازن وحركة الأجسام الصلبة المرنة، ^{[ 15 ]} وفي عام 1850 بحثٌ آخر حول تأثير الاحتكاك الداخلي للسوائل على حركة البندولات . [ ^{16 ] وقدّم} ستوكس إسهاماتٍ عديدة في نظرية الصوت، منها مناقشة تأثير الرياح على شدة الصوت ^{[ 17 ]} وشرح كيفية تأثر شدة الصوت بطبيعة الغاز الذي يُنتج فيه الصوت. ^{[ 18 ]} وضعت هذه الدراسات مجتمعةً علم ديناميكا الموائع على أسس جديدة، ووفرت مفتاحًا ليس فقط لتفسير العديد من الظواهر الطبيعية، مثل تعليق السحب في الهواء، وهبوط التموجات والأمواج في الماء، بل أيضًا لحل المشكلات العملية، مثل تدفق المياه في الأنهار والقنوات، ومقاومة سطح السفن. ^{[ 12 ]}

التدفق الزاحف

أدى عمل ستوكس على حركة الموائع ولزوجتها إلى حسابه للسرعة النهائية لكرة تسقط في وسط لزج. عُرف هذا باسم قانون ستوكس . وقد اشتق تعبيرًا لقوة الاحتكاك (وتسمى أيضًا قوة السحب ) المؤثرة على الأجسام الكروية ذات أرقام رينولدز الصغيرة جدًا . ^{[ 19 ]}

يُعدّ عمل ستوكس أساسًا لمقياس لزوجة الكرة الساقطة ، حيث يكون السائل ساكنًا داخل أنبوب زجاجي رأسي. تُترك كرة ذات حجم وكثافة معلومين لتنزل عبر السائل. إذا تم اختيارها بشكل صحيح، فإنها تصل إلى سرعة نهائية ، يمكن قياسها من خلال الزمن الذي تستغرقه لتجاوز علامتين على الأنبوب. يمكن استخدام الاستشعار الإلكتروني للسوائل المعتمة. بمعرفة السرعة النهائية، وحجم وكثافة الكرة، وكثافة السائل، يمكن استخدام قانون ستوكس لحساب لزوجة السائل. عادةً ما تُستخدم سلسلة من كرات المحامل الفولاذية بأقطار مختلفة في التجربة الكلاسيكية لتحسين دقة الحساب. تستخدم التجربة المدرسية الجلسرين كسائل، وتُستخدم هذه التقنية صناعيًا للتحقق من لزوجة السوائل المستخدمة في العمليات.

تُفسر النظرية نفسها سبب بقاء قطرات الماء الصغيرة (أو بلورات الجليد) معلقة في الهواء (على شكل غيوم) حتى تنمو إلى حجم حرج وتبدأ بالهطول على شكل مطر (أو ثلج وبرد ) . ويمكن تطبيق المعادلة نفسها على ترسب الجزيئات الدقيقة في الماء أو السوائل الأخرى.

تم تسمية ستوكس ، وهي وحدة قياس اللزوجة الحركية في نظام CGS ، تقديراً لعمله.

لعلّ أشهر أبحاث ستوكس هي تلك التي تتناول نظرية الموجات الضوئية. بدأ عمله في مجال البصريات في مرحلة مبكرة من مسيرته العلمية. نُشرت أولى أوراقه البحثية حول انحراف الضوء في عامي 1845 و1846، ^{[ 20 ] [ 21 ]} وتلتها في عام 1848 ورقة بحثية حول نظرية بعض النطاقات المرئية في الطيف . ^{[ 22 ] [ 12 ]}

في عام 1849، نشر ستوكس بحثًا مطولًا حول النظرية الديناميكية للانعراج ، بيّن فيه أن مستوى الاستقطاب يجب أن يكون عموديًا على اتجاه الانتشار. ^{[ 23 ]} وبعد ذلك بعامين، ناقش ألوان الألواح السميكة. ^{[ 24 ] [ 12 ]}

درس ستوكس أيضًا الوصف الرياضي الذي قدمه جورج إيري لأقواس قزح . ^{[ 25 ]} تضمنت نتائج إيري تكاملًا كان حسابه معقدًا. عبّر ستوكس عن التكامل على شكل متسلسلة متباعدة ، والتي لم تكن مفهومة جيدًا آنذاك. مع ذلك، ومن خلال اقتطاع المتسلسلة بذكاء (أي تجاهل جميع الحدود باستثناء الحدود القليلة الأولى منها)، حصل على تقريب دقيق للتكامل كان حسابه أسهل بكثير من حساب التكامل نفسه. ^{[ 26 ]} أدت أبحاث ستوكس حول المتسلسلات التقاربية إلى رؤى أساسية حول هذه المتسلسلات. ^{[ 27 ]}

التألق

في عام ١٨٥٢، وصف ستوكس في بحثه الشهير حول تغير طول موجة الضوء، ظاهرة التألق التي تظهر في الفلورسبار وزجاج اليورانيوم ، وهما مادتان اعتبرهما قادرتين على تحويل الأشعة فوق البنفسجية غير المرئية إلى إشعاع ذي أطوال موجية أطول مرئية. ^{[ ٢٨ ]} سُمّي انزياح ستوكس ، الذي يصف هذا التحويل، تكريمًا لستوكس. وعُرض نموذج ميكانيكي يوضح المبدأ الديناميكي لتفسير ستوكس. ويُعدّ خط ستوكس ، الناتج عن هذا النموذج ، أساس تشتت رامان . في عام ١٨٨٣، وخلال محاضرة في المؤسسة الملكية ، قال اللورد كلفن إنه سمع وصفًا لهذا من ستوكس قبل سنوات عديدة، وأنه توسل إليه مرارًا وتكرارًا، ولكن دون جدوى، لنشره. ^{[ ٢٩ ]}

الاستقطاب

في العام نفسه، 1852، نُشرت ورقة بحثية حول تركيب وتحليل تيارات الضوء المستقطب من مصادر مختلفة، ^{[ 30 ]} وفي عام 1853، أجرى دراسة حول الانعكاس المعدني الذي تُظهره بعض المواد غير المعدنية. ^{[ 31 ]} كان الهدف من البحث تسليط الضوء على ظاهرة استقطاب الضوء . وفي حوالي عام 1860، انخرط في بحث حول شدة الضوء المنعكس من أو النافذ عبر كومة من الصفائح؛ ^{[ 32 ]} وفي عام 1862، أعدّ للجمعية البريطانية تقريرًا قيّمًا عن الانكسار المزدوج ، ^{[ 12 ]} وهي ظاهرة تُظهر فيها بعض البلورات معاملات انكسار مختلفة على طول محاور مختلفة. ^{[ 33 ]} ولعلّ أشهر هذه البلورات هي الإسبار الأيسلندي ، وهي بلورات شفافة من الكالسيت .

نُشرت ورقة بحثية حول الطيف الطويل للضوء الكهربائي في نفس التاريخ، ^{[ 34 ]} وتلتها دراسة حول طيف امتصاص الدم. ^{[ 12 ] [ 35 ]}

تناول البحث في عام 1864 تحديدَ المواد العضوية كيميائيًا من خلال خصائصها البصرية؛ ^{[ 36 ]} وفي وقت لاحق، وبالتعاون مع القس ويليام فيرنون هاركورت ، بحث العلاقة بين التركيب الكيميائي والخصائص البصرية لأنواع مختلفة من الزجاج، مع الإشارة إلى شروط الشفافية وتحسين التلسكوبات اللا لونية . ^{[ 37 ]} وفي ورقة بحثية لاحقة، تناولت تصميم الأدوات البصرية، ناقشت الحدود النظرية لفتحة عدسات المجهر. ^{[ 38 ] [ 12 ]}

في عام 1849، اخترع ستوكس عدسة ستوكس للكشف عن الاستجماتيزم . ^{[ 39 ]} وهي عبارة عن مجموعة عدسات تتكون من عدسات أسطوانية متساوية القوة ومتعاكسة القوة ، متصلة ببعضها البعض بطريقة تسمح بتدوير العدسات بالنسبة لبعضها البعض. ^{[ 40 ]}

في مجالات أخرى من الفيزياء، يمكن ذكر بحثه حول توصيل الحرارة في البلورات (1851) ^{[ 41 ]} ودراساته المتعلقة بمقياس إشعاع كروكس ؛ ^{[ 42 ]} وتفسيره للحدود الضوئية التي تُلاحظ غالبًا في الصور الفوتوغرافية خارج حدود جسم مظلم يُرى في السماء (1882)؛ ^{[ 43 ]} وفي وقت لاحق، نظريته عن الأشعة السينية ، التي اقترح أنها قد تكون موجات مستعرضة تنتقل كموجات منفردة لا حصر لها، وليس في سلاسل منتظمة. ^{[ 44 ]}

تستحق ورقتان بحثيتان مطولتان نُشرتا عام 1849 - إحداهما عن التجاذب ونظرية كليروت ، ^{[ 45 ]} والأخرى عن تغير جاذبية الأرض على سطح الكوكب (1849) - صيغة ستوكس للجاذبية ^{[ 46 ]} - الاهتمام أيضًا. كما ألّف مذكرات رياضية حول القيم الحرجة لمجاميع المتسلسلات الدورية (1847) ^{[ 47 ]} وحول الحساب العددي لفئة من التكاملات المحددة والمتسلسلات اللانهائية (1850). ^{[ 48 ]} وكانت مناقشته لمعادلة تفاضلية تتعلق بانهيار جسور السكك الحديدية (1849) ^{[ 49 ] [ 12 ]} مرتبطة بشهادته التي قدمها إلى اللجنة الملكية المعنية باستخدام الحديد في هياكل السكك الحديدية بعد كارثة جسر دي عام 1847.

لم تُنشر العديد من اكتشافات ستوكس، أو لم يُتطرق إليها إلا بشكل عابر خلال محاضراته الشفوية. ومن الأمثلة على ذلك عمله في نظرية التحليل الطيفي . ^{[ 12 ]}

في خطابه الرئاسي أمام الجمعية البريطانية عام 1871، صرح اللورد كلفن بأنه يعتقد أن تطبيق التحليل المنشوري للضوء على الكيمياء الشمسية والنجمية لم يسبق أن اقترحه أحد بشكل مباشر أو غير مباشر عندما قام ستوكس بتدريسه له في جامعة كامبريدج قبل صيف عام 1852، وقد عرض الاستنتاجات النظرية والعملية التي تعلمها من ستوكس في ذلك الوقت، والتي قدمها بعد ذلك بانتظام في محاضراته العامة في غلاسكو . ^{[ 50 ]}

تُشير هذه التصريحات، التي تتضمن الأساس الفيزيائي الذي يقوم عليه علم الأطياف، وكيفية تطبيقه في تحديد المواد الموجودة في الشمس والنجوم، إلى أن ستوكس سبق غوستاف كيرشوف بسبع أو ثماني سنوات على الأقل. مع ذلك، ذكر ستوكس في رسالة نُشرت بعد سنوات من إلقاء هذه الخطبة، أنه أغفل خطوة أساسية في حجته، وهي عدم إدراكه أن انبعاث الضوء ذي الطول الموجي المحدد لا يسمح فقط بامتصاص الضوء ذي الطول الموجي نفسه، بل يستلزمه. وقد نفى بتواضع "أي جزء من اكتشاف كيرشوف الرائع"، مضيفًا أنه شعر بأن بعض أصدقائه كانوا متحمسين أكثر من اللازم لقضيته. ^{[ 51 ]} لكن تجدر الإشارة إلى أن العلماء الإنجليز لم يقبلوا هذا الإنكار بكامله، ولا يزالون ينسبون إلى ستوكس الفضل في صياغة المبادئ الأساسية لعلم الأطياف أولًا . ^{[ 12 ]}

من جانب آخر، أسهم ستوكس إسهامًا كبيرًا في تقدم الفيزياء الرياضية. فبعد فترة وجيزة من انتخابه لكرسي لوكاسيان، أعلن أنه يعتبر من واجباته المهنية مساعدة أي عضو في الجامعة في مواجهة الصعوبات التي قد تعترضه في دراساته الرياضية، وكانت المساعدة التي قدمها حقيقية لدرجة أن الطلاب كانوا يحرصون على استشارته، حتى بعد أن أصبحوا زملاء له، في المسائل الرياضية والفيزيائية التي كانوا يعجزون عن حلها. ثم خلال الثلاثين عامًا التي قضاها سكرتيرًا للجمعية الملكية، مارس تأثيرًا هائلًا، وإن كان غير ظاهر للعيان، على تقدم العلوم الرياضية والفيزيائية، ليس فقط بشكل مباشر من خلال أبحاثه الخاصة، بل أيضًا بشكل غير مباشر من خلال اقتراح مسائل للبحث وحثّ الباحثين على معالجتها، ومن خلال استعداده الدائم لتقديم التشجيع والمساعدة. ^{[ 12 ]}

شارك ستوكس في العديد من التحقيقات في حوادث السكك الحديدية، لا سيما كارثة جسر دي في تشيستر في مايو 1847، وعمل كعضو في اللجنة الملكية اللاحقة للتحقيق في استخدام الحديد الزهر في هياكل السكك الحديدية. وساهم في حساب القوى التي تُمارسها القاطرات المتحركة على الجسور. انهار الجسر بسبب استخدام عارضة من الحديد الزهر لدعم أحمال القطارات المارة. يُعرف الحديد الزهر بهشاشته عند الشد أو الانحناء ، وقد اضطر العديد من الجسور المماثلة إلى الهدم أو التدعيم.

أدلى بشهادته كشاهد خبير في كارثة جسر تاي ، حيث قدم أدلة حول تأثير أحمال الرياح على الجسر. دُمر الجزء الأوسط من الجسر (المعروف بالجسور العالية) بالكامل خلال عاصفة في 28 ديسمبر 1879، بينما كان قطار سريع يمر عبره، ولقي جميع من كانوا على متنه حتفهم (أكثر من 75 ضحية). استمعت لجنة التحقيق إلى العديد من الشهود الخبراء ، وخلصت إلى أن الجسر كان "سيئ التصميم، وسيئ البناء، وسيئ الصيانة". ^{[ 52 ]}

نتيجةً لشهادته، عُيّن عضواً في اللجنة الملكية اللاحقة للتحقيق في تأثير ضغط الرياح على المنشآت. كان تأثير الرياح العاتية على المنشآت الكبيرة مهملاً آنذاك، فأجرت اللجنة سلسلة من القياسات في أنحاء بريطانيا لفهم سرعات الرياح أثناء العواصف، والضغوط التي تُمارسها على الأسطح المكشوفة.

كان ستوكس عمومًا ذا قيم ومعتقدات دينية محافظة. في عام ١٨٨٦، أصبح رئيسًا لمعهد فيكتوريا ، الذي تأسس للدفاع عن المبادئ المسيحية الإنجيلية في مواجهة تحديات العلوم الحديثة، ولا سيما نظرية داروين للتطور البيولوجي . ألقى محاضرة جيفورد عام ١٨٩١ حول اللاهوت الطبيعي . ^{[ ٥٣ ] [ ٥٤ ]} كما شغل منصب نائب رئيس الجمعية البريطانية والأجنبية للكتاب المقدس ، وشارك بفعالية في المناقشات العقائدية المتعلقة بالعمل التبشيري. ^{[ ٥٥ ]} ومع ذلك، فرغم أن آراءه الدينية كانت في معظمها أرثوذكسية، إلا أنه كان حالةً استثنائية بين الإنجيليين الفيكتوريين برفضه العقاب الأبدي في جهنم، وكان بدلًا من ذلك من أنصار المذهب المشروط المسيحي . ^{[ ٥٦ ]}

كتب ستوكس، بصفته رئيسًا لمعهد فيكتوريا: "نُقرّ جميعًا بأن كتاب الطبيعة وكتاب الوحي كلاهما من عند الله، وبالتالي لا يمكن أن يكون هناك تناقض حقيقي بينهما إذا فُسِّرا تفسيرًا صحيحًا. إن أحكام العلم والوحي، في معظمها، متباينة لدرجة أن احتمال تعارضها ضئيل. ولكن إذا ظهر تناقض ظاهري، فليس لنا الحق، من حيث المبدأ، في استبعاد أحدهما لصالح الآخر. فمهما بلغ اقتناعنا بصحة الوحي، يجب أن نُقرّ بإمكانية الخطأ في مدى أو تفسير ما كُشِف عنه؛ ومهما كانت قوة الأدلة العلمية المؤيدة لنظرية ما، يجب أن نتذكر أننا نتعامل مع أدلة، بطبيعتها، مُحتملة فقط، ومن الممكن أن تقودنا المعرفة العلمية الأوسع إلى تغيير رأينا". ^{[ 57 ]}