Лорд Рэлей

Лорд Рэлей (полное имя — Джон Уильям Стретт, англ. John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh; 12 ноября 1842, Лэнгфорд-Гроув, Малдон, Эссекс — 30 июня 1919, Терлинг-Плейс, Уитэм, Эссекс) — британский физик и математик, один из крупнейших учёных-экспериментаторов конца XIX — начала XX века. Лауреат Нобелевской премии по физике 1904 года «за исследования плотностей наиболее распространённых газов и за открытие аргона в связи с этими исследованиями». Член (с 1873) и президент (1905—1908) Лондонского королевского общества. Внёс фундаментальный вклад в акустику, оптику, теорию колебаний, гидродинамику, электродинамику и молекулярную физику. Его имя носит ряд физических понятий, законов и эффектов.

Биография

Ранние годы и образование

Джон Уильям Стретт родился в семье землевладельцев и аристократов. Его отец, Джон Джеймс Стретт, 2-й барон Рэлей, владел поместьем в Эссексе. Мать, Клара Элизабет Латимер, происходила из семьи военных. С детства Джон проявлял интерес к механике и точным наукам. Начальное образование получил дома, затем учился в Итонском колледже (1857—1861) и в колледже Святой Троицы (Тринити-колледж) Кембриджского университета. В 1865 году окончил курс с отличием (Senior Wrangler) по математике и получил первую премию Смита.

Научная карьера

После окончания университета Рэлей остался в Кембридже, где начал самостоятельные исследования. В 1873 году, после смерти отца, унаследовал титул 3-го барона Рэлея и поместье, что позволило ему полностью посвятить себя науке, не заботясь о финансировании. В 1879 году, после смерти Джеймса Клерка Максвелла, Рэлей был назначен профессором экспериментальной физики в Кембриджском университете и директором Кавендишской лаборатории. Он занимал эту должность до 1884 года, после чего вернулся в своё поместье, где оборудовал частную лабораторию. В 1887—1905 годах — профессор натурфилософии (физики) в Королевском институте Великобритании. В 1905—1908 годах — президент Лондонского королевского общества. В 1908—1919 годах — канцлер Кембриджского университета.

Личная жизнь

В 1871 году Рэлей женился на Эвелин Бальфур, сестре будущего премьер-министра Великобритании Артура Бальфура. В браке родилось три сына: Роберт Джон (унаследовал титул), Артур и Джулиан. Рэлей был известен своей скромностью, педантичностью и нелюбовью к публичным выступлениям. Умер в 1919 году в возрасте 76 лет от сердечного приступа.

Научные достижения

Открытие аргона

Самым известным открытием Рэлея стало обнаружение в 1894 году совместно с химиком Уильямом Рамзаем инертного газа аргона. Рэлей заметил, что плотность азота, полученного из воздуха (1,2572 г/л), несколько выше плотности азота, полученного химическим разложением аммиака (1,2505 г/л). Это расхождение, составлявшее около 0,5 %, не могло быть объяснено ошибками измерений. Рэлей предположил, что в атмосферном азоте присутствует примесь более тяжёлого газа. В 1894 году Рамзай выделил этот газ, который был назван аргоном (от греч. ἀργός — «ленивый, неактивный»). За это открытие Рэлей получил Нобелевскую премию по физике 1904 года (Рамзай — по химии).

Теория рассеяния света (Рэлеевское рассеяние)

В 1871 году Рэлей опубликовал работу, в которой объяснил голубой цвет неба. Он показал, что рассеяние света на частицах, размер которых много меньше длины волны (так называемое рэлеевское рассеяние), обратно пропорционально четвёртой степени длины волны. Таким образом, коротковолновый (синий и фиолетовый) свет рассеивается сильнее, чем длинноволновый (красный и жёлтый). Это объясняет, почему небо днём кажется голубым, а на закате — красным. Закон Рэлея лёг в основу теории рассеяния света в атмосферах планет и в коллоидных растворах.

Акустика и теория колебаний

Рэлей является основоположником современной акустики. Его двухтомный труд «Теория звука» (1877—1878) стал классическим и до сих пор используется в науке. В нём он систематически изложил теорию колебаний струн, стержней, пластин, мембран, а также распространение звука в газах, жидкостях и твёрдых телах. Рэлей ввёл понятие резонанса, разработал методы расчёта собственных частот колебаний. Он также исследовал акустику помещений и эффект «звукового давления». В его честь названа единица акустического импеданса — рэйл.

Гидродинамика и теория волн

Рэлей внёс значительный вклад в гидродинамику. Он исследовал устойчивость течений жидкости (например, неустойчивость Рэлея — Тейлора и неустойчивость Кельвина — Гельмгольца). В 1876 году он вывел формулу для скорости распространения капиллярных волн на поверхности жидкости. В 1880 году он опубликовал работу по теории струй, объяснив, почему струя жидкости распадается на капли (неустойчивость Рэлея — Плато). В 1916 году он разработал теорию конвекции в горизонтальном слое жидкости, подогреваемом снизу (конвекция Рэлея — Бенара).

Оптика и электродинамика

Рэлей занимался теорией дифракции, интерференции и поляризации света. Он разработал критерий разрешающей способности оптических приборов (критерий Рэлея), который гласит, что два точечных источника считаются разрешёнными, если центральный максимум дифракционной картины одного совпадает с первым минимумом другого. Он также исследовал аномальную дисперсию света и предсказал существование поверхностных электромагнитных волн (волн Рэлея), распространяющихся вдоль границы раздела сред. В 1899 году он опубликовал работу по теории чёрного тела, в которой вывел закон излучения (закон Рэлея — Джинса), справедливый для длинноволновой части спектра.

Математика и метрология

Рэлей был блестящим математиком-прикладником. Он разработал методы вариационного исчисления для решения задач о колебаниях (метод Рэлея — Ритца). Он также внёс вклад в теорию вероятностей и статистику (распределение Рэлея). Как метролог, он провёл серию точнейших измерений плотности газов, электрического сопротивления, эталонов длины и массы. Его работы по определению ома и ампера легли в основу международных электрических стандартов.

Основные труды

• «Теория звука» (The Theory of Sound, 1877—1878, 2 тома).
• «Научные статьи» (Scientific Papers, 1899—1920, 6 томов) — собрание всех его статей, включая работы по акустике, оптике, гидродинамике, электродинамике и молекулярной физике.
• «Собрание сочинений» (Collected Works, 1920—1923).

Наследие и признание

• Нобелевская премия по физике (1904).
• Медаль Копли (1899), медаль Румфорда (1914), медаль Маттеуччи (1895).
• Президент Лондонского королевского общества (1905—1908).
• Член Французской академии наук, Берлинской академии наук, Национальной академии наук США и других академий.
• В честь Рэлея названы: кратер на Луне, кратер на Марсе, астероид (22740) Рэлей, единица акустического импеданса (рэйл), а также ряд физических эффектов и явлений (рэлеевское рассеяние, волны Рэлея, неустойчивость Рэлея — Тейлора, распределение Рэлея).
• Имя Рэлея носит лаборатория в Кембриджском университете (Rayleigh Laboratory) и премия Лондонского королевского общества (Rayleigh Medal).

Интересные факты

• Рэлей был настолько скрупулёзен в экспериментах, что для измерения плотности газов использовал весы, чувствительность которых составляла 0,1 миллиграмма при нагрузке в 100 граммов.
• Он никогда не пользовался автомобилем, предпочитая лошадей, и не имел телефона в своём поместье.
• Рэлей был одним из первых, кто предложил использовать гелий для наполнения дирижаблей, но его идея не была реализована при его жизни.
• В 1900 году он опубликовал работу «О законе распределения энергии в спектре чёрного тела», которая стала предтечей квантовой теории Макса Планка.

Источники

• Рэлей, Джон Уильям Стретт // Большая советская энциклопедия: в 30 т. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.
• Strutt, R. J. (1924). Life of John William Strutt, Third Baron Rayleigh. — London: Edward Arnold & Co.
• Rayleigh, J. W. S. (1877). The Theory of Sound. — London: Macmillan and Co.
• Rayleigh, J. W. S. (1899). Scientific Papers. — Cambridge: Cambridge University Press.