На частоте световых волн: как Джон Уильям Стретт открыл закон рассеяния света

Джон Уильям Стретт — а именно так звали лорда Рэлея на самом деле — сегодня известен благодаря работам в теории молекулярного рассеяния света. Однако это открытие не было единственным в его жизни: физик также обнаружил газ аргон, работал с частотами колебаний и даже изучал динамику полета морских птиц.

Ранние годы и образование

Джон Уильям Стретт родился в 1842 году в Лэнгфорд-Гров, графство Эссекс, Англия. С юных лет он постоянно болел, из-за чего его детство прошло «взаперти». Он лишь изредка посещал школу и был вынужден брать уроки на дому. Это нисколько ему не помешало: в 1861 году Джон поступил в Тринити-колледж при Кембриджском университете.

Стретт полностью посвятил себя математике. Его учителями стали создатель теории устойчивости Эдвард Раус и автор уравнения вязкости жидкостей Джордж Габриэль Стокс. В 1865 году Джон получил степень гуманитарных наук, а в 1868 году — степень магистра.

Он начал преподавать в колледже, пока не женился на Эвелин Бальфур через несколько лет. После смерти отца — второго барона Рэлея — в 1873 году Джон Уильям Стретт получил титул лорда и стал членом Королевского общества.

Научная деятельность лорда Рэлея в области физики

В это время лорд Рэлей начал изучать колебания струн и пластин разной формы. Ученый сформулировал теорему линейной теории колебаний и обнаружил метод нахождения собственных частот колебательной системы. Стретт также рассчитал формулу случайных колебаний, которая впоследствии получила название распределение Рэлея.

В 1879 году лорд Рэлей стал вторым профессором Кембриджского университета. Он также получил должность директора Кавендишской лаборатории — все последующие эксперименты он проводил именно там.

Занимали его, как ни странно, совсем полярные вещи. Так, Стретт описал критерии разрешающей способности для оптики, нашел различия между групповой и фазовой скоростями и изучил планирование птиц над морем.

Почему небо голубое: как лорд Рэлей открыл когерентное рассеяние света

Но прежде чем углубиться в механику, Джон Уильям Стретт сделал очень важное для всей современной науки открытие. Для этого вернемся немного назад.

В 1871 году лорд Рэлей впервые заметил, что когда свет проходит через воздух, его волны сталкиваются с маленькими частицами — молекулами газа и пылью. Эти частицы не поглощают свет. Вместо этого луч отклоняется в разные стороны, то есть рассеивается.

Стретт определил, что степень рассеяния зависела от длины волны. Это значило, что чем короче она была, тем сильнее оказывалось рассеяние. Именно поэтому синий свет рассеивался сильнее красного и преобладал в рассеянном свете — в течение дня небо приобретало голубой оттенок. А вот когда солнце спускалось к горизонту, становилось больше длинных, то есть красных волн.

Изучение газов и нобелевское знакомство

Вскоре Джон Уильям Стретт покинул Кавендишскую лабораторию и вернулся в родной городок. Он начал изучать структуру молекул, экспериментируя с каплями оливкового масла.

В 1892 году Стретт впервые прочел статью химика Уильяма Праута, в которой ученый высказал предположение о существовании более легких газов, служащих «кирпичиками» для других элементов. Тогда лорд Рэлей полностью погрузился в изучение их плотности.

Физик проверял гипотезу Праута на молекуле кислорода и не замечал ничего необычного. Но как только он стал изучать азот, оказалось, что продукт разложения аммиака был менее плотным, чем «чистый» газ. Все показывало на то, что в его составе находилось что-то еще.

В 1894 году Джон провел лекцию, на которой рассказал о своих наблюдениях. В тот день в зале сидел химик Уильям Рамзай. После лекции он подошел к лорду Рэлею и рассказал о собственных экспериментах.

Оказывается, ученые пришли к схожим открытиям! Они решили продолжить изучать азот совместными усилиями. Позже Стретт и Рамзай действительно обнаружили новый газ — аргон. В 1904 году лорд Рэлей и Рамзай получили Нобелевскую премию за открытие аргона.

Вскоре Стретт был приглашен на пост президента Королевского общества и занимал его до 1908 года. Во время Первой мировой войны он стал президентом Консультативного комитета по воздухоплаванию при правительстве. Он всегда оставался независимым от политики, несмотря на давление со стороны.

За всю жизнь лорд Рэлей он опубликовал 90 работ. Его преемником и четвертым лордом Рэйли стал сын Роберт Джон Стратт, который также последовал в мир физики по следам отца. Джон Уильям Стратт скончался в 1919 году в возрасте 76 лет.