Panorama

Pionier der angewandten Mathematik

13.08.2019 - Zum 200. Geburtstag des britischen Mathematikers und Physikers George Gabriel Stokes

George Stokes war 37 Jahre alt und hatte den berühmten Lucasian Lehrstuhl für Mathematik in Cambridge inne, als er beschloss zu heiraten. Maria Susanna war die Tochter des Astronomen Reverend Thomas Robinson, Leiter des Armagh Observatory in Stokes irischer Heimat. Doch beinahe hätte die Hochzeit nicht stattgefunden, weil Stokes seiner Verlobten in einem 57-seitigen Brief die Motive für seinen Entschluss darlegte.

Seine künftige Frau sollte wissen, dass er sein Leben der Wissenschaft gewidmet hatte. Nach Jahren angestrengter geistiger Arbeit sehnte er sich nach den Freuden des häuslichen Lebens. Gegenseitige Wertschätzung und Liebe würden sich während des Zusammenlebens einstellen. Maria zögerte, willigte dann aber doch ein. Es wurde eine glückliche Ehe, aus der fünf Kinder hervorgingen.

Geboren am 13. August 1819 als sechstes Kind eines Pfarrers, wuchs George Stokes in Skreen auf, einem kleinen Ort am Meer. Er soll ein lebhafter Junge gewesen sein, der mit seinen älteren Geschwistern ausgedehnte Spaziergänge unternahm und aufmerksam die Natur beobachtete. Nach dem ersten Unterricht beim Vater und Kirchendiener, wurde George auf eine Schule in Dublin geschickt, wo er bei seinem Onkel wohnte. Als George 15 Jahre alt war, starb sein Vater. Nun sorgte sein älterer Bruder William dafür, dass Georges mathematisches Talent am Bristol College weiter gefördert wurde. Hier wandelte er sich zu einem schweigsamen jungen Mann, vielleicht bedingt durch den frühen Tod des Vaters.

Im Alter von 18 Jahren kam George schließlich – wie zuvor seine Brüder - zum Studium nach Cambridge, wo er sich mit Eifer auf die Prüfungen (Tripos) vorbereitete, um ein Stipendium zu bekommen. Das gelang ihm 1841, nachdem er  den begehrten Smith's Prize für Mathematik und Theoretische Physik gewonnen hatte. Sein Mentor William Hopkins lenkte Stokes Interesse auf physikalische Probleme und regte ihn zu Forschungen im Bereich der Hydrodynamik an, die in seiner späteren Laufbahn breiten Raum einnehmen sollten.

1842 und 1843 schrieb Stokes zwei Arbeiten über die Bewegung inkompressibler Flüssigkeiten, nur wenig später als der Franzose Jean-Marie Duhamel. Da dessen Arbeiten sich aber auf die Ausbreitung von Wärme in Festkörpern bezogen, veröffentlichte Stokes seine Ergebnisse dennoch.

Ähnlich erging es ihm, als er sich der inneren Reibung in Flüssigkeiten zuwandte. Kurz vor ihm hatten die Franzosen Claude Louis Navier, Siméon Denis Poisson und Adhémar Jean Claude Barré de Saint-Venant die Bewegungsgleichungen hergeleitet. Wiederum publizierte Stokes seine Ergebnisse 1845, denn er konnte zeigen, wie man seinen Ansatz von viskosen Flüssigkeiten auf elastische Festkörper überträgt. Im selben Jahr wandte sich Stokes der Optik zu und veröffentlichte seine erste Arbeit über die Aberration des Lichts.

Stokes war es wichtig, physikalische Erkenntnisse praktisch nutzbar zu machen. Zusammen mit Kollegen aus Cambridge und Schottland – Airy, Maxwell, Tait und Thomson – schuf er ein Forschungsgebiet, das heute als „Angewandte Mathematik“ bezeichnet wird und das teilweise auch in die Lehrpläne der Universitäten integriert wurde. Aus seinen Untersuchungen über die Bewegung eines Pendels durch viskose Flüssigkeiten leitete Stokes eine Methode ab, um kleine Variationen der Schwerkraft an der Erdoberfläche feststellen zu können. Diese für die Geodäsie wichtige Arbeit erschien 1849.

Diese Aktivitäten bescherten dem jungen Wissenschaftler 1849, im Alter von 30 Jahren, den berühmten Lucasian Chair für Mathematik in Cambridge. Leider war der Lehrstuhl, den rund 200 Jahre vor ihm Isaac Newton inne gehabt hatte, nur schwach dotiert, sodass Stokes von 1854 bis 1860 zusätzlich in London an der School of Mines unterrichtete.

1851 wurde der junge Professor in die Royal Society aufgenommen und diente ihr von 1854 an als Sekretär. In dieser Zeit übte er großen Einfluss auf die Forschung aus, wie den umfangreichen Kommentaren zu den eingereichten Publikationen zeigen.  Doch die zeitaufwändigen administrativen Aufgaben schränkten sein eigenes Schaffen ein, wie Stokes Freund William Thomson (Lord Kelvin) beklagte.

Die Zeit zwischen 1845 und 1857 war trotz der vielen Aufgaben wissenschaftlich außerordentlich fruchtbar. 1851 publizierte Stokes seine fundamentale hydrodynamische Arbeit über das Gesetz der Viskosität von Flüssigkeiten. Ebenso arbeitete er über die Wellentheorie des Lichts, etwa zur Streuung (1849). 1852 beschrieb er erstmals das Phänomen der Fluoreszenz in Flüssigkeiten unter Zuhilfenahme der Schwingungen eines elastischen Äthers.

Von 1885 bis 1890 war Stokes schließlich Präsident der Royal Society. Von 1887 bis 1892 repräsentierte Stokes die Cambridge University im britischen Parlament. Allerdings ergriff er nur selten das Wort. Während dieser Zeit erhob ihn Queen Victoria in den erblichen Adelsstand und verlieh im den Titel eines Baronetts (1889).

Bei gesellschaftlichen Anlässen blieb Stokes Zeit seines Lebens wortkarg, auch wenn eine Ausnahme überliefert ist: Bei einer Dinnerparty in Cambridge beobachteten seine Tischgenossen erstaunt, dass er sich angeregt mit einer jungen Amerikanerin unterhielt und sogar lächelte. Als seine Tischnachbarin später über den Gegenstand der Unterhaltung befragt wurde, erklärte sie: „Ich habe ihn nur gefragt, ob er Geometrie oder Algebra bevorzugt.“

George Stokes starb am 1. Februar 1903 im Alter von 75 Jahren in Cambridge. Seine hydrodynamischen Arbeiten haben in den Navier-Stokes-Gleichungen ihren gebührenden Platz in der Physik gefunden. Seine gesammelten mathematischen und physikalischen Arbeiten und Auszüge aus seiner umfangreichen Korrespondenz sind mittlerweile online zu finden.

Anne Hardy

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