数学史 · 中文镜像

数学家传记

乔治·加布里埃尔·斯托克斯Sir George Stokes, 1st Baronet

出生
1819年8月13日 爱尔兰斯莱戈郡斯克林
逝世
1903年2月1日 英格兰剑桥

乔治·加布里埃尔·斯托克斯通过描述小球在黏性流体中运动速度的黏性定律,建立了流体动力学这门科学。

完整传记

斯托克斯的父亲乔治·加布里埃尔·斯托克斯是斯莱戈郡斯克林教区的新教牧师。他的母亲伊丽莎白·霍顿是一位教会牧师的女儿,因此斯托克斯的成长环境非常宗教化。他是六个孩子中最小的,他的三个哥哥都成为了牧师。正如斯托克斯后来参加的剑桥教堂的牧师所写(见[18]):-

尽管他在信仰和宗教同情心上从不狭隘,但他始终坚守从父亲那里学到的简单福音真理……

在[4]中,斯托克斯成长的环境被用比今天可能使用的更为生动的语言描述:-

斯克林教区长住宅的家庭生活非常幸福,孩子们在清新的海风中长大,体格健壮,思维活跃。为了满足这个大家庭的教育需求,需要极大的节约……

斯托克斯能够给予孩子们的不仅是宗教教育,还有更广泛的教育启蒙。特别是,由于曾在都柏林三一学院学习,他能够教斯托克斯拉丁语法。在上学之前,斯托克斯还由他父亲在斯克林教区的职员教导。1832年离开斯克林后,斯托克斯在都柏林上学。他在都柏林休姆街的R·H·沃尔牧师学校度过了三年,但他不是该校的寄宿生,这三年里他与叔叔John Stokes同住。事实上,家庭经济状况不允许他接受更昂贵的教育,但在这所学校[4]:-

他学习通常的学校课程,并因解决几何问题而引起了数学老师的注意。

正是在斯托克斯于都柏林度过的三年间,他的父亲去世了,这一事件正如人们所预料的那样,对这位年轻人产生了重大影响。

1835年,16岁的斯托克斯移居英格兰,进入布里斯托尔的布里斯托尔学院。斯托克斯在这所学院度过的两年,对他准备剑桥大学的学习至关重要。学院院长乔治·杰拉德博士是一位爱尔兰人,曾与斯托克斯的一位兄长William Stokes一同就读于剑桥大学。杰拉德博士本人是一位数学家,但斯托克斯在布里斯托尔学院的数学是由Francis Newman教授的(Francis Newman是弗瑞兹·约翰Henry Newman的兄弟,后者后来成为枢机主教马克斯·纽曼,并成为1833年创立的英格兰教会牛津运动的领袖)。显然,斯托克斯的数学天赋在布里斯托尔学院学习期间就已显露,因为他赢得了数学奖项,杰拉德博士写信给他(见[4]):-

我已极力建议你的兄长让你进入三一学院,因为我确信,你极有可能在该学院获得研究员职位。

斯托克斯于1837年进入的并非三一学院,而是剑桥大学彭布罗克学院。关于他进入剑桥时的数学背景,存在一些细微的不一致。根据布里斯托尔学院的课程(据学院文献记载)(见[5]):-

……学生应熟悉微分和积分,并进而学习静力学、动力学、conic sections以及艾萨克·牛顿的《原理》前三节……

然而,斯托克斯本人在1901年写道(例如见[4]):-

1837年,我进入剑桥大学彭布罗克学院。那时,来上大学的男生一般不像现在这样在数学上已经读得那么深;我进学院时还没有开始学微分学,只是最近才读过解析截面。

在斯托克斯于剑桥的第二年,他开始接受威廉·霍普金斯的辅导,威廉·霍普金斯是剑桥著名的辅导教师,其作用比讲师更为重要。斯托克斯写道[4]:

在我第二年,我开始跟一位私人导师威廉·霍普金斯先生学习,他因有极多的学生在大学数学荣誉学位考试中获得高位而闻名……

威廉·霍普金斯对斯托克斯数学兴趣的方向产生了强烈影响。威廉·霍普金斯[5]:

……例如,他赞扬物理天文学和物理光学的研究,因为它们表明数学是‘人类可能借以认识到物质宇宙结构中如此多完美而美丽之物及其支配规律的唯一研究工具’。

1841年,斯托克斯在数学荣誉学位考试中以高级数学荣誉学位考试一等及格者(Wrangler)(最高一等学位)毕业,并且是第一位史密斯奖获得者。彭布罗克学院立即授予他研究员职位。他写道[4]:

取得学位后,我继续留在学院居住并招收私人学生。我想我该尝试一下原创性研究了……

威廉·霍普金斯建议斯托克斯从事流体动力学研究的,而这确实也是斯托克斯开始工作的领域。除了威廉·霍普金斯的建议之外,斯托克斯进入这一领域还受到乔治·格林近期工作的启发。斯托克斯在1842年和1843年发表了关于不可压缩流体运动的论文,特别是1842年的On the steady motion of incompressible fluids。完成这项研究后,斯托克斯发现让-马里·迪阿梅尔已经得到了类似的结果,但由于让-马里·迪阿梅尔一直在研究固体中的热分布,斯托克斯认定自己的结果是在足够不同的情形下得到的,足以证明他发表是正当的。

斯托克斯随后继续他的研究,考察他考虑运动流体内部摩擦的情形。在他推导出正确的运动方程后,斯托克斯发现他再次不是第一个得到这些方程的人,因为克洛德-路易·纳维西莫恩·德尼·泊松阿代马尔·巴雷·德·圣维南已经考虑过这个问题。事实上,这种结果重复并不完全是偶然,而是由于当时剑桥对大陆数学家工作的了解不足所致。斯托克斯再次认定他的结果是在足够不同的假设下得到的,足以证明发表是合理的,并于1845年发表了On the theories of the internal friction of fluids in motion。该工作还讨论了弹性固体的平衡和运动,斯托克斯使用连续性论证来证明弹性固体与黏性流体具有相同的运动方程是合理的。

也许,斯托克斯被公认为领先数学家的最重要事件,是他于1846年提交给英国协会 for the Advancement of ScienceReport on recent researches in hydrodynamics。但流体研究肯定不是他此时作出重大贡献的唯一领域。1845年,斯托克斯发表了一篇关于光行差的重要著作,这是关于该主题的一系列重要著作中的第一部。他还利用关于流体中摆运动的工作来考虑地球上不同点重力的变化,并于1849年发表了一部具有重大意义的大地测量学著作On the variation of gravity at the surface of the earth

1849年,斯托克斯被任命为剑桥的卢卡斯数学讲席教授。1851年,他当选为皇家学会会士,1852年被授予该学会的伦福德奖章,并于1854年被任命为该学会秘书。卢卡斯讲席的薪酬很低,因此斯托克斯需要赚取额外收入,他通过接受卢卡斯讲席之外的额外职位来做到这一点,即伦敦政府矿业学校的物理学教授。

斯托克斯关于摆体在流体中运动的工作,导致了1851年一篇关于流体动力学的基础性论文,当时他发表了他的黏性定律,描述了小球在黏性流体中的速度。他发表了若干关于光的波动理论的重要研究,例如1849年一篇关于衍射的论文。这篇论文在[14]中得到了详细讨论,作者们写道:-

……斯托克斯的结果与光的弹性理论相关,补充并扩展了若干问题,这些问题此前大多是在奥古斯丁·路易·柯西的著作中研究过的。斯托克斯解决衍射问题的方法与奥古斯丁·路易·柯西所采用的方法有相当大的不同,构成了对衍射现象数学理论进一步研究的基础。

斯托克斯在1852年命名并解释了荧光现象。他对这一现象的解释——该现象源于紫外光的吸收和蓝光的发射——基于一种弹性以太,它因被照亮的分子而振动。论文[12]对此作了详细讨论,而且特别有趣,因为作者充分利用了斯托克斯未发表的笔记本。

1854年,斯托克斯提出了对太阳光谱中夫琅禾费线的一种解释。他提出这些是由太阳外层中的原子吸收某些波长引起的。然而,当古斯塔夫·基尔霍夫后来发表这一解释时,斯托克斯否认有任何优先发现权。

斯托克斯的职业生涯在1857年确实走上了一条相当不同的路线,当时他从极为活跃的理论研究时期转入一个更多参与行政和实验工作的时期。当然,他1857年的婚姻与这一路线转变并非无关,尤其是因为它让我们得以一窥斯托克斯的个性,我们将考察这些事件。斯托克斯与玛丽·苏珊娜·罗宾逊订婚,她是爱尔兰阿马天文台天文学家的女儿。在[4]中给出了若干封斯托克斯写给玛丽·苏珊娜·罗宾逊的信。1857年1月21日,他写下了对她的感情:-

我能够被一种信念所打动,可以说是在数学上被打动,即相信某一条特定的道路是正确的;我确实相信上帝把这些观点放在我的心中,通过我里面已有的来补足那缺乏的。

三天后他写道,她阻止了他变成一个老单身汉:-

我觉得也许我和你结婚甚至会是我得救的转折点。

又过了三天,他写道:-

你说得完全对,最好不要一味沉思于自己的想法和感受,在一个家庭里这很容易,但你不知道完全独自生活是什么滋味。

1857年3月31日,他再次写信,用相当数学化的语言表达了他的感受:-

我也觉得我近来想得太多,但方式不同,我的脑子总在转发散级数、任意常数的不连续性……我常想,你若能让我不至于过分沉迷于这些事情,对我会有好处。

这些信显然没有表达出玛丽希望从中找到的爱意,当斯托克斯给她写了一封55页的信(这封信可能被有意销毁了),谈到他觉得自己对她负有责任时,她几乎在最后一刻取消了婚礼。收到她那封表明她不愿继续这桩婚事的信后,斯托克斯回复道:——

那么,即使现在你退缩也是对的,不必顾虑我会作为一个没有生气、没有欢愉、也没有家庭亲情温暖的思想机器走向坟墓。

婚礼还是举行了,斯托克斯确实告别了他那种紧张投入数学研究的生活。从上面这些引文或许可以看出,事实上斯托克斯正是在寻求生活中的这种改变,也许他寻求婚姻,部分原因就是想让这种生活方式的改变得以实现。

当时剑桥的会士必须未婚,因此1857年结婚时,斯托克斯不得不放弃他在彭布罗克学院的会士职位。不过,1862年规则修改后,已婚男子可以担任会士,他又得以重新获得彭布罗克学院的会士职位。斯托克斯自1854年获任命起担任皇家学会的秘书,直到1885年当选为该学会主席。他担任主席一职直到1890年。他还从1886年起担任维多利亚研究所所长,直到1903年去世。他还承担了其他一些行政事务。1859年,他曾写信给开尔文说:——

我现在又有一件事要忙了:我刚被任命为剑桥大学委员会的一名增补秘书。

彼得·格思里·泰特在他对英国科学组织方式的批评中提到了这一点[19]:-

像斯托克斯这样的天才被浪费在剑桥大学专员委员会秘书的苦差事上,或者矿业学校的讲师职位上,或者皇家学会秘书那种令人精疲力竭且报酬完全不足的工作上,这本身就是对现实状况多么深刻的评论。

斯托克斯于1893年从皇家学会获得了科普利奖章,并且在1902-3年担任彭布罗克学院院长时,获得了学院所能给予的最高荣誉。

斯托克斯的影响在Parkinson的[1]中得到了很好的总结:-

……斯托克斯对包括詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在内的后续几代剑桥人产生了非常重要的塑造性影响。与乔治·格林(后者反过来又影响了他)一起,斯托克斯追随了法国人的工作,尤其是约瑟夫·拉格朗日皮埃尔·西蒙·拉普拉斯约瑟夫·傅里叶西莫恩·德尼·泊松奥古斯丁·路易·柯西。这一点在他关于光学和流体力学的理论研究中表现得最为明显;但也应当注意到,斯托克斯甚至在做本科生时就不断地进行实验。然而,他的兴趣和研究范围超出了物理学,因为他在化学和植物学方面的知识很广博,而且他在光学方面的工作常常把他带入这些领域。

他出版物清单中一个明显的遗漏是一部关于光的专著。这一遗漏部分是由于1857年之后他研究产出的变化,但也部分是由于他不愿报告一个正处于快速进展领域中的推测性想法。斯托克斯未能出版一部光学专著一事在[8]中有详细讨论。然而,他确实在1891-93年于阿伯丁大学的伯内特讲座中讲授了光学,这些讲座被出版了。

斯托克斯的数学和物理论文出版了五卷,其中前三卷由斯托克斯自己编辑,分别于1880年、1883年和1891年出版。最后两卷由约瑟夫·拉莫尔编辑,工作于1905年完成。

这些关于斯托克斯在[3]中性格的评论很有趣:-

从1887年到1892年,他是剑桥大学的议员之一。尽管——或许是因为——他渊博精深的知识和卓越的能力,他很少在下议院发言,但人们总是专注地倾听他的讲话。在私人生活中,他的简朴和谦逊与他的巨大成就一样引人注目。

参考文献

正文里的方括号编号指向这里,悬停即可直接看到条目。书目保留原文——译了书名反而查不到文献。

延伸资源

原站列出的延伸阅读与外部数据库,照原样保留,目标多为英文页面。

相关专题

原站的交叉引用。指向本站已镜像专题的留在站内,其余仍指回原站。