Docente dell'Università di Cambridge, diede importanti contributi alla dinamica dei fluidi (per esempio alle equazioni di Stokes e alle equazioni di Navier-Stokes), all'ottica, e alla fisica matematica (si ricordi il teorema del rotore, chiamato anche teorema di Stokes). Egli fu nominato baronetto per meriti scientifici e fu segretario e successivamente presidente della Royal Society.
Biografia George Stokes fu il figlio più giovane del pastore Gabriel Stokes, rettore di Skreen, nella Contea di Sligo, in Irlanda, dove nacque e crebbe in una famiglia protestante evangelica. Dopo aver sostenuto gli studi a Skreen, Dublino e Bristol, entrò nel 1837 al Pembroke College di Cambridge, dove quattro anni più tardi, si laureò ed ottenne una borsa di studio.[Stokes, George Gabriel in Venn, J. & J. A., Alumni Cantabrigienses, Cambridge University Press, 10 vols, 1922-1958.] Si sposò nel 1857 con la figlia dell'astronomo John Thomas Romney Robinson. In accordo con gli statuti del college, a causa del matrimonio dovette dimettersi dall'incarico, ma fu rieletto dodici anni più tardi, grazie a nuove leggi. Mantenne la sua posizione nella fondazione fino al 1902, quando il giorno prima del suo 83-esimo compleanno, fu eletto alla presidenza. Non ebbe questo ruolo a lungo, in quanto morì a Cambridge il 1º febbraio dell'anno seguente, e fu sepolto nel cimitero di Mill Road.
Carriera Nel 1849, Stokes fu nominato professore lucasiano di matematica a Cambridge. Il 1º giugno, 1899, la ricorrenza del giubileo della sua nomina fu celebrata con una cerimonia a cui presenziarono numerosi rappresentanti di università europee ed americane. Una medaglia d'oro commemorativa fu conferita a Stokes dal rettore dell'università, e busti di marmo di Stokes realizzati da Hamo Thornycroft furono formalmente offerti al Pembroke College e all'università da Lord Kelvin. Sir George Stokes, che fu nominato baronetto nel 1889, continuò a lavorare alla sua università rappresentandola in parlamento dal 1887 al 1892 in qualità di membro del collegio elettorale dell'Università di Cambridge. Per una frazione di questo periodo (1885-1890) fu anche presidente della Royal Society, della quale era stato uno dei segretari dal 1854. Poiché all'epoca era anche Professore Lucasiano, Stokes fu il primo a mantenere contemporaneamente i tre incarichi; anche Isaac Newton ebbe queste posizioni, ma non contemporaneamente.
Stokes fu il più anziano del terzetto degli scienziati, con James Clerk Maxwell e Lord Kelvin, che contribuirono in maniera sostanziale alla fama della scuola di fisica matematica di Cambridge nella metà del XIX secolo. La produzione scientifica di Stokes cominciò intorno al 1840, e da quell'anno in avanti, il gran numero dei suoi lavori fu inferiore solamente alla brillantezza della loro qualità. Il catalogo della Royal Society di riviste scientifiche pubblica i titoli di più di cento memorie che egli pubblicò dopo il 1883. Alcuni di questi sono solo brevi annotazioni, altri sono brevi discussioni o enunciati di correzione, ma la maggioranza sono trattati lunghi ed elaborati.
Contributi alla scienza La sua opera scientifica si è caratterizzata sia per nitidezza e finalità, sia per aver affrontati problemi che in precedenza erano considerati poco adattabili all'analisi matematica; in molti casi egli diede soluzioni che sistemarono una volta per tutte alcune regole fondamentali. Questo fatto può essere attribuito alla sua straordinaria capacità matematica, combinata con l'abilità sperimentale. Da quando, nel 1840, costruì alcuni semplici apparati fisici nelle sue stanze del Pembroke College, calcoli matematici ed esperimenti andarono di pari passo, assistendosi e controllandosi gli uni gli altri. Il raggio d'azione del suo lavoro coprì una vasta gamma di indagini fisiche, ma come Marie Alfred Cornu ricorda nella sua Rede lecture del 1899, la maggior parte di esso fu dedicata alle onde e alle trasformazioni a cui sono sottoposte durante il loro passaggio attraverso mezzi diversi.
Dinamica dei fluidi Le prime pubblicazioni di Stokes, effettuate nel 1842 e nel 1843, trattarono del moto di fluidi lenti incomprimibili e di alcuni casi particolari del moto di un fluido. A questi nel 1845 seguirono un trattato sull'attrito dei fluidi in moto e uno sull'equilibrio ed il moto di solidi elastici; nel 1850 pubblicò un ulteriore lavoro sugli effetti prodotti dall'attrito interno dei fluidi sul moto dei pendoli. Egli diede anche notevoli contributi alla teoria del suono, in particolare una discussione sull'effetto del vento sull'intensità di un suono e una teoria su come tale intensità sia influenzata dalla natura del fluido nel quale esso è prodotto. Queste ricerche fecero fare dei notevoli passi in avanti alla dinamica dei fluidi, e fornirono una chiave di spiegazione non solo per molti fenomeni naturali, come il galleggiamento delle nuvole nell'aria ed il cessare di increspamenti e onde nell'acqua, ma diedero anche soluzioni per problemi di carattere pratico, come il fluire dell'acqua nei fiumi e nei canali, o i rivestimenti per la resistenza degli scafi.
Flusso di scivolamento
Il suo lavoro sui fluidi in moto e sulla viscosità lo portò a calcolare la velocità limite di una sfera caduta in un mezzo viscoso. La corrispondente legge è ora nota come legge di Stokes. Egli derivò anche un'espressione per la forza di attrito agente su oggetti sferici con un numero di Reynolds molto piccolo.
Il suo lavoro base riguarda una sfera che cade in un viscosimetro costituito da un tubo di vetro verticale nel quale un fluido è in moto stazionario. Una sfera di cui sono note superficie e densità è fatta scivolare attraverso il fluido. Se lanciata correttamente, essa raggiunge la velocità limite, che può essere misurata usando il tempo che impiega la sfera ad attraversare il tubo. Per fluidi opachi che non permettono una visione limpida possono essere usati dei sensori elettronici. Conoscendo la velocità limite, la superficie e la densità della sfera e la densità del fluido, la legge di Stokes può essere usata per calcolare la viscosità del fluido. Normalmente per gli esperimenti viene usata una serie di palle di acciaio di differente diametro, in modo da migliorare l'accuratezza dei calcoli. Negli esperimenti scolastici si usa la glicerina come fluido, e questa tecnica è utilizzata nelle industrie per controllare la viscosità del fluidi usati nei processi di produzione.
La stessa teoria spiega come mai piccole goccioline d'acqua (o cristalli di ghiaccio) possono rimanere sospesi in aria (come nuvole) finché raggiungono una misura critica e iniziano a precipitare come pioggia, neve o grandine. Un uso simile dell'equazione può essere fatto per studiare piccole particelle in acqua o altri fluidi.
Nel sistema CGS l'unità di viscosità cinematica fu nominata “Stokes”, in riconoscimento al suo lavoro.
Luce Probabilmente le sue ricerche più conosciute sono quelle che riguardano la teoria ondulatoria della luce. Il suo lavoro sull'ottica cominciò durante il primo periodo della sua carriera scientifica. Le sue prime pubblicazioni sull'aberrazione della luce furono del 1845 e del 1846, e a queste seguì, nel 1848, un articolo su alcune bande dello spettro della luce.
Nel 1849 pubblicò un corposo articolo sulla teoria dinamica del principio di diffrazione, nel quale mostrò che il piano di polarizzazione deve essere perpendicolare alla direzione di propagazione. Due anni più tardi si occupò anche della tavola dei colori.
Fluorescenza
Nel 1852, con un famoso lavoro sul cambiamento della lunghezza d'onda della luce, descrisse il fenomeno della fluorescenza, osservato per fluorite e vetro d'uranio, materiali che avevano la caratteristica di convertire una invisibile radiazione ultra-violetta in una radiazione visibile con maggiore lunghezza d'onda. Lo “shift di Stokes”, la grandezza che descrive questo cambiamento, è stata così chiamata in suo onore. Fu mostrato anche un modello meccanico che illustra il principio dinamico della spiegazione data da Stokes. Il seguito di questa “riga di Stokes” fu spiegato con il processo di Raman scattering. Nel 1883, durante un intervento alla Royal Institution, Lord Kelvin affermò di aver sentito parlare di tale tecnica già da Stokes parecchi anni prima, e di avergli ripetutamente suggerito (invano) di pubblicare tali studi.
Polarizzazione
Nello stesso anno, il 1852, apparve l'articolo sulla composizione e risoluzione di flussi di luce polarizzata da fonti differenti, e nel 1853 una ricerca sulla riflessione metallica mostrata da alcuni elementi non-metalli. La ricerca aveva il fine di evidenziare il fenomeno della polarizzazione della radiazione elettromagnetica. Intorno al 1860 Stokes fu impegnato in uno studio sull'intensità della luce riflessa da, o trasmessa attraverso una serie di lamine; inoltre nel 1862 preparò per la British Association una relazione sulla birifrangenza, un fenomeno in cui alcuni cristalli mostrano indici di rifrazione differenti lungo assi differenti. Probabilmente il cristallo più conosciuto è lo spato d'Islanda, costituito da cristalli di calcite trasparenti.
Un suo articolo sullo spettro di luce elettrica fu pubblicato nello stesso anno, e fu seguito da una relazione sullo spettro di assorbimento del sangue.
Analisi chimiche L'identificazione di corpi organici dalle loro proprietà ottiche ebbe origine nel 1864; e più tardi, in collaborazione con il rev. William Vernon Harcourt, studiò la relazione tra la composizione chimica e le proprietà ottiche di vari vetri, con riferimento alle condizioni di trasparenza e al miglioramento dei telescopi acromatici. In un lavoro successivo collegato alla costruzione di strumenti ottici, Stokes si occupò dei limiti teorici riguardo all'aperture degli obiettivi dei microscopi.
Altri lavori
Stokes si occupò di vari altri rami della fisica. Un suo articolo considera la conduzione del calore nei cristalli (1851) e altre ricerche furono svolte utilizzando il radiometro di Crookes. Più tardi sviluppò una sua teoria sui raggi X, in cui suggeriva che le onde potessero viaggiare trasversalmente come onde solitarie, non come treni regolari. Due lunghi articoli pubblicati nel 1840 – uno sull'attrazione e sul teorema di Clairaut, e l'altro sulla variazione del valore dell'accelerazione di gravità sulla superficie terrestre – meritano anch'essi attenzione, come anche i suoi scritti matematici sui valori critici della somma di serie periodiche (1847) e sul calcolo numerico di una classe di integrali definiti e di serie infinite (1850) e come la sua discussione su un'equazione differenziale connessa alla rottura di binari sui ponti (1849), ricerca portata alla sua attenzione e consegnata alla Royal Commission “sull'Uso del Ferro nelle strutture ferroviarie” dopo la tragedia del ponte Dee del 1847.
Ricerche non pubblicate La grossa mole dei lavori di Stokes pubblicati non esaurisce l'intero contributo fornito da lui alle scienze. Molti delle sue scoperte non furono pubblicate, o al massimo vennero solo accennate nel corso di lezioni e seminari. Un eccellente esempio si ha con il suo lavoro sulla teoria della spettroscopia.
Nella sua lettera di presentazione alla British Association nel 1871, Lord Kelvin dichiarò di credere che l'applicazione dell'analisi con prismi della luce alla composizione chimica solare e stellare non sarebbe mai stata possibile se Stokes non ci avesse lavorato all'Università di Cambridge qualche tempo prima dell'estate del 1852, giungendo ad alcune conclusioni teoriche e pratiche che imparò da Stokes a quel tempo, e che rivelò nelle sue letture pubbliche a Glasgow.