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ストークス-19世紀の数理物理(4) 数学と物理の架け橋

投稿日時: 01/04 システム管理者

[訳者注]19世紀には,数学がその源泉として物理学と一体でした.ニュートンは自分の力学の研究のために新しい数学(微分や積分)が必要で,自分で開発しました.ニュートンは物理学者兼数学者です.ストークスの数学も現実の物理現場に対応する中から誕生し実験現場に適用されました.今日,高度に分化し抽象化した数学を数学の中で扱うことだけに興味をもつ数学者を,私は嫌いです.数学者が現場に足を入れることを願います.このエッセイを私が好んで読んだ理由はここにあります.
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科学者の研究に対する評価
J.ニュートンによって始められた光のスペクトルの研究は、W.H.ウォラストン、J.フラウンホーファー、J.F.W.ハーシェル、C.ホイートストン、J.H.ストークスの研究によって発展しました。黒体放射のH.R.キルヒホフの研究も有名です。化学者R.W.ブンゼンと彼の実験的研究は、スペクトル線の反転効果の発見、フラウンホーファー線の説明、物理学、化学、天文学のための重要なスペクトル分析法の創出につながりました。

同時代のW.トムソンは、J.G.ストークスの物理学のこの分野への貢献について書いています。彼は、ストークスの太陽化学と恒星化学の原理が、ここ8、9年の間、公開講座で概説されていたことを思い出しました。ブンゼンとキルヒホフ(ストークスとは独立して理論を発見した)の研究は応用されて、太陽には鉄、マグネシウム、その他の既知の金属が存在することが示されました。すでに何年も前に会話の中でストークスは、太陽スペクトルの暗い線によって、太陽大気の化学的性質について結論を出すことができるという考えを表明していました[8, p.114]。

同時にストークスは、地球の基準表面[訳注)ジオイド面を近似した回転楕円体]、質量、軸を中心とした自転の角速度によって地球の外部重力場を決定するという問題も解決しました。この問題の解答可能性を証明し、ポテンシャル理論の最初の境界問題として、圧縮されたスフェロイドの収縮の二乗のオーダーの相対誤差を持つ近似解を与えた。楕円体のストークス問題のかなり正確な解は、1945年にイタリアのP.ピツェッティとロシアのM.M.モロデンスキーによって与えられた。

ケンブリッジでは、自然科学や技術科学における数学的手法の使用が奨励され、ストークスもまた、それらを広く活用していました。これは、ヴァイルが指摘したように、ベクトル解析とテンソル解析のすべての積分定理が、座標 x_i で囲まれた空間にある r 次元(方向性のある)多様体上の次数 r の微分形に対するストークスの一般定理の特別な場合であるという事実に現れていた [9, p. 192]。

実際、ストークスは数学の発展に重要な貢献をしました。ベクトル解析の主要な公式の一つであるストークスの定理は、ベクトル場の回転を、閉曲線を境界とする有向曲面上で面積分したものが、元のベクトル場を有向曲面の境界の閉曲線上で線積分したものに等しいという彼の名を冠した定理で、1849年にW.トムソンによって得られました。J.G.ストークスは、半収束無限級数の指摘をし、無限級数の完全収束(絶対収束?)や限定収束(条件収束?)を研究しました。
[訳注)収束する無限級数には、絶対収束級数と条件収束級数(半収束級数)があります]

1848年、J.G.ストークスはドイツの数学者F.L.vonザイデルとともに、級数と級数の一様収束の概念を科学的に導入しました。彼は純粋な数学だけでなく、物理学の様々な分野(力学や光学)、天文学や工学への応用にも興味を持っていました。漸近解析におけるストークス現象、流体力学におけるストークスパラメータとベクトル、微分幾何学における彼の定理、光学におけるストークス線、結合、せん断、Navier-Stokes方程式、ストークスドリフト、ストークス電流と波動関数、流体力学におけるストークス境界層などが科学の歴史に登場しています。

彼の研究結果の修正は、ストークスの科学におけるメリットを損なうものではありませんでした。P.N. レベデフ と彼の教え子である N.P. ネクレパエビム は、音響ストークス波とキルヒホッフ波の公式の係数の正確性に疑問を持ち [10, p.349]、W.G.ブラッグは、ストークスのインパルス理論(加速された電子がエーテル中でインパルスを発す)では、X線と電子の交換性を説明できないと指摘し、R.E.ミリカンは、液滴の運動法則がストークスの法則と一致するのは、連続的な媒体の場合だけであることを強調しました。その他にもストークスの研究結果に対する多くの議論が起きました。

ストークは晩年も研究を続けていましたが、レントゲンの発見を乗り越えることができませんでした。1898年には「X線の性質について」という論文の中で、陰極ビーム粒子の制動の結果として反陰極(陽極)上での短時間の電磁的インパルスを理論的に扱おうとしました。ドイツの物理学者J.E.ウィーチェルトと同様に、J.G.ストークスは、X線が非常に短い波長の発光であることは、X線の発生モードから明らかであるという結論に達しました。

科学のオーガナイザー、教育者としてのストークス
生前、ストークスはM.ファラデーからE.ファラデーに至るまで、イギリスの著名な科学者たちに囲まれていました。まだまだスターダムの瞬間を待っていたラザフォードら。

ストークスは最後の日が来るまで、科学的な出来事に関心を持ち、批判的に(いつも評価が正しかったわけではないが)評価していました。例えば、W.トムソンのように、J.K.マクスウェルの 論文に対しては寡黙でしたが、W.レントゲンによるX線による発見はすぐに認め急いで手紙で知らせました。

ストークスとその仲間たちは、精密科学と応用科学の発展、物理現象の解明方法の解明、自然哲学と科学的知識の区別、経験的活動と科学的活動の区別に多大な貢献をしました。彼や彼のような人たちのおかげで、大学教育の質が将来の研究者のニーズに沿ったものになリ、ストークは何十年も講義をしました。マクスウェルも彼の意見に耳を傾け、やがてストークの親友となりました。

ストレットの回想によると、ストークの講義や実験は彼に感銘を与え、教えることについて多くの有益なことを教えられたという。ストークスのコースの学生が、自分たちが理解していない光学現象の解明を彼に訴えたとき、彼は大抵の場合、親身になって対応してくれました。

19世紀後半と20世紀初頭の英語教育の伝統では、まず、生徒に説明する際には、自分自身がその質問を理解しているかどうかを確認することが大切だと指摘しています。第二に、クリアーの形を探すときに... プレゼンの... 新しいアイデアが浮かんできます。第三に、学生の質問は思考を刺激し、私たちがいつも標準的な方法でアプローチしている現象を新しい視点から見させてくれるので、創造的な思考にも役立ちます[11, p.261]。かつてストークがやっていたことです。

彼のコレクションから、ストークスは、学生が物理学や数学の問題に関連する1つまたは別の問題を解くことを勧めます。そのうちの一人は、等高線上の積分が、等高線を通過する流れの大きさに関係していることを証明することを提案した。今日では、このためにはストークスの定理を証明する必要があると言われていますが、ストークス自身はその証明を発表したことはありませんでした。1854年、トライポサス(ケンブリッジ大学の優等学士号取得のための公開試験)に合格したとき、ストークスの大学院生だったマクスウェルは、気体中の速度による分子の分布の問題を解きました。

1887年から1892年まで、ストークスはケンブリッジ大学の国会議員の一人であった。そのような責任ある立場にもかかわらず、合理的な心と冷静な性格のためか、下院での発言はほとんどせず、注意深く聞き役に徹していました。

強い宗教的信条を持つ家庭で育ったストークは、保守的な価値観と人生の信念を堅持していました。1886年にはヴィクトリア・インスティテュートの会長に就任しました。ダーウィンの進化論からキリスト教の原則を守るために設立されました(ストークスもダーウィンの進化論を批判していた)。また、イギリスと外国の聖書協会の副会長を務め、その宣教活動を支援していました。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1851年、ストークスはロンドン王立協会の会員となり、その後その幹事となり、1885年~1890年にはロンドン王立協会の会員-社長となりました。1849年から1903年までケンブリッジ大学のルーカス教授。1852年に光の研究で王立協会からラムフォード・メダル、1893年にはコプリー・メダルを受賞。ストレットのおかげで、1889年には男爵に昇格し、フランス学士院からアラゴ勲章を授与され、ロシア帝国軍医学校のメンバーとなりました。

ストークスのスタイルを評価し、彼についての本を書いたJ.ラーモアは、次のように述べています:ストークスの極端に慎重な研究発表の特徴は 質量で捉えた物質の性質と規則性に言及した定義の一般的なトーンで、正確さ、厳格な定式化は、分子という概念を使用することも必要としないようです [12, p.329]。

ストークスの仕事は、当時の科学文化の有機的な一部となりました。19世紀や20世紀の科学者たちがストークスの仕事を数多く紹介していますが、彼らの研究でストークスの研究結果に磨きがかけられ、発展したことは、彼の努力が無駄ではなかったことを証明しており、現代の科学のさらなる進歩を刺激する肥沃な材料となっています。

 

 

 

 

 

 

 

 

科学の古典の遺産
ストークスの発見-まず、ストークスの法則、ストークスの定理、ストークス・シフト、ストークスの方程式とそのパラメータ-は、科学技術の世界に入り込み、外国とロシアの科学者の開発活動を活性化させた。1909年にN. ボーアがレイリー理論を指定してストークス法にも言及していることを思い出していただければ十分です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J.G.ストークスの存命中、彼の科学研究はM.ファラデー、J.C.マックスウェル、D.P.ジュール、H.R.ヘルツ(彼らはそれぞれ1867年、1879年、1889年、1894年に他界)、W.トムソン、W.ラムジー、J.W.ストラット、そして他の同僚たちによって続けられました。彼らとの会話や議論の中で、彼は新しいアイデアを得て、豊かになり、インスピレーションを得て、創作活動の中でさらなる発見をするきっかけを得ました。

彼の発見は、ストークがいなくなった後も科学者たちの想像力をかきたて、新たな成果へと導きましたが、今度は量子論と相対性理論の観点からです。H.A.ローレンツ、M.K.E.L.プランク、A.アインシュタイン、N.ボーア、A.A.マイケルソン、R.E.ミリカン、A.H.コンプトン、A.F.ヨッフェ、Y.I.フレンケル、S.I.バビロフなどの20世紀の科学者たちが、J.G.ストークスの思想の発展に貢献してきました。

ストークスは研究に関する本を書かなかったが、王立協会、英国科学振興協会(1869年に会長に就任)、ヴィクトリア研究所などの科学団体の論文発表数では、最も多作であった。彼の研究の成果は論文に反映され、各国の同僚との文通の対象となった。

ストークスの著作は、『数学・物理学論文』(1880-1905)の5巻に集められて出版されたが、そのうちの最初の3巻は彼自身が編集したものである。最後の2巻は1905年に彼の死後に出版されたもので、ストレットが書いた死亡記事が掲載されています。

1907年には、ストークスの簡単な伝記と、J.ラーモアが作成した彼の科学的な書簡が2巻で出版されました。また、若い才能を奨励するためにストークス財団(英語や外国人科学者による講演講座)も設立されました。

 

 

 

 

 

 

 

 

ジョージ・ガブリエル・ストークスは1903年2月1日、ケンブリッジで83歳で死去した。ミルロード墓地に埋葬されている。残念なことに、彼の墓は妻と二人の子供の墓とは違って保存されていません。ストークスの名誉を冠して命名されたのは:CGS単位系の粘度単位、月と火星のクレーター、鉱物ストークサイトです。


Литература
1. Клейн Ф. Лекции о развитии математики в XIX столетии. Т. 1. М., 1989.
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6. Творцы физической оптики: Сборник статей. М., 1973.
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8. Кирхгоф Г. Избранные труды. М., 1988.
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12. Тимошенко С. П. История науки о сопротивлении материалов. М., 1957.

1 Ротор векторного поля показывает, насколько и в каком направлении закручено поле в каждой точке.

2 Луи Мари Анри Навье (1785–1836) — французский математик и механик, один из основоположников теории упругости, с 1824 г. член Парижской академии наук.

3 Кинематическая вязкость — отношение динамической вязкости плотности среды к жидкости, дает понятие о ее вязкости под действием силы тяжести (измеряется вискозиметром по времени вытекания из калиброванной емкости).

4 Аберрация света — изменение видимого положения светила в небесной сфере, обусловленное конечностью скорости света и движением наблюдателя вследствие вращения Земли.

5 Михаил Сергеевич Молоденский (1909–1991) — советский геофизик, гравиметрист и геодезист. Разработал теорию использования измерений гравитационного поля Земли для целей геодезии. Предложил метод астрономо-гравиметрического нивелирования, новый метод определения.

6 Николай Павлович Неклепаев (1886–1942), ученик П. Н. Лебедева, исследовал вместе с ним поглощение акустических волн, преподавал в Московском университете, затем был ассистентом при кафедре физики Саратовского университета.

7 Институт Виктории (или Философское общество Великобритании) был основан в 1865 г. как ответ на публикацию книги Ч. Дарвина «О происхождении видов...». Институт Виктории пользовался значительным успехом в конце XIX в., когда Дж. Г. Стокс был его президентом (с 1886 г. до своей смерти). Максимальное число членов — 1246 человек — было в 1897 г., но быстро упало до менее чем трети от этого количества в первые два десятилетия XX в. Дж. К. Максвелл неоднократно приглашался для вступления в институт, но, хотя он и был набожным евангелистом-христианином, он отказался от приглашений из-за узости тематики и консерватизма института.