СТРЕТТ ДЖОН УИЛЬЯМ, ЛОРД РЭЛЕЙ (1842 г. – 1919 г.)

СТРЕТТ ДЖОН УИЛЬЯМ, ЛОРД РЭЛЕЙ

(1842 г. – 1919 г.)

Знаменитый английский физик Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, родился 12 ноября 1842 года в Ленгфорд-Гроув (Мелдон, графство Эссекс, Англия) в знатной семье английских аристократов. Его отец был вторым бароном Рэлей. Мать будущего ученого была старшей дочерью известного капитана Ричарда Викерса.

Джон Уильям Стретт стал первым представителем высшего английского дворянства, прославившимся как выдающийся ученый, получивший Нобелевскую премию по физике.

В детстве мальчик был физически очень слаб. Из-за преследовавших его многочисленных болезней обучение Джона Уильяма часто прерывалось. В возрасте десяти лет мальчик поступил в Итон-колледж, но большую часть времени в Итоне он провел в санатории колледжа. После этого будущий ученый три года проучился в частной школе в Уимблдоне, а потом недолгое время посещал школу в Харроу. Следующие четыре года Джон Уильям занимался у Джорджа Уорнера, который преподавал в Торки (графство Девоншир).

В 1861 году Джон Уильям Стретт поступил в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и физику. Одним из преподавателей Джона Уильяма был известный математик Э. Дж. Роус, прививший мальчику любовь к точным наукам. Через некоторое время открылись блестящие математические способности Стретта, и будущий лорд Рэлей стал одним из лучших учеников колледжа. В 1865 году он с отличием сдал типичный кембриджский экзамен по математике и занял первое место по его результатам. Также Джон Уильям был награжден премией Смита.

В 1866 году Рэлей вошел в научный совет Тринити-колледжа, членом которого был вплоть до своей женитьбы в 1871 году.

В 1867 году Джон Уильям Стретт начал работы по созданию лаборатории в своем родовом особняке в Терлинг-Плейсе в Уитхеме. Когда в следующем году лаборатория была готова, ученый сразу же приступил к опытам в области оптики и акустики.

Уже самые ранние исследования Рэлея в этих направлениях физики принесли ему всемирное признание авторитетного ученого и прекрасного специалиста. В 1871 году Рэлей объявил о своем открытии причин проявления синего цвета неба, красного заката и т. д. Долгое время никто из ученых не мог добиться внятного объяснения цвета неба. Этой проблемой интересовался даже великий Ньютон, но не нашел ответов на свои вопросы. Рэлей вывел знаменитое соотношение между интенсивностью рассеяния света очень малыми частицами и длиной его волны, известное теперь как закон рассеяния света Рэлея.

Ученый выяснил, что мелкие пылинки, размеры которых меньше, чем длина волны света, рассеивают солнечный свет, причем чем короче длина световой волны, тем сильнее происходит процесс рассеивания. Поскольку в видимом солнечном спектре синие и фиолетовые лучи имеют наименьшую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно. Таким образом, цвет неба получает голубую окраску.

Теория Рэлея идеально объяснила цвет Солнца, звезд, рассвета и заката, снежных вершин и т. д. Но через некоторое время английский ученый пересмотрел свое открытие. Во-первых, пылинки, которые присутствовали в воздухе, были гораздо больше длины световой волны, а во-вторых, их скопление, наоборот, ослабляло голубизну неба. В 1899 году ученый нашел в себе силы опубликовать статью, в которой признавал ошибочность своей теории. Однако он решил не сдаваться и продолжал свои исследования.

Через некоторое время Джон Уильям Стретт предложил новую оригинальную модель, объясняющую рассеивание света молекулами воздуха. В 1906 году ученый провел ряд исследований вместе с американским астрофизиком Абботом, в результате которых указал правильное объяснение цвета неба и других атмосферных явлений. Кроме того, ученый вывел закон, согласно которому интенсивность рассеянного средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины его волны (закон Рэлея).

Из-за частых и сильных приступов ревматизма в 1872 году Рэлей провел зиму 1873 года в Египте, где совершил круиз по Нилу, и в Греции. В это время он заинтересовался акустикой и начал работать над своей фундаментальной работой по теории звука.

Вскоре после возвращения ученого в Англию умер его отец. После этого печального события Джон Уильям Стретт стал третьим бароном Рэлеем, а также получил во владение фамильную усадьбу в Терлинг-Плейсе в графстве Эссекс (Англия). Кроме того, он стал владельцем фамильного имения в 7 тысяч акров земли.

Соединив изобретательность ученого и полученные сельскохозяйственные знания, Джон Уильям стал одним из самых прогрессивных и успешных землевладельцев, но в 1876 году он полностью передал управление фамильным участком своему младшему брату.

С этого времени лорд Рэлей все свое свободное время посвящал науке. Первые научные исследования Джона Уильяма Стретта касались таких областей физики, как оптика, вибрация и теория колебаний.

В начале 70-х годов XIX столетия ученый провел ряд исследований упругих тел (струн, стержней, пластинок). По результатам опытов он сформулировал основные теоремы линейной теории колебаний. Кроме того, Рэлей проанализировал особые свойства нелинейных систем, способных совершать незатухающие колебания без внешнего периодического воздействия (так называемые автоколебания) и ввел понятия фазовой и групповой скорости. Для групповой скорости английский ученый вывел формулу, известную теперь как формула Рэлея. Также знаменитый ученый нашел решение задачи сложения колебаний со случайными фазами и вывел функцию распределения для результирующей амплитуды (распределение Рэлея).

Свои работы по теории колебаний ученый систематизировал и представил в знаменитом двухтомнике «Теория звука». Его идеи лежат в основе современной теории колебаний.

В 1879 году лорд Рэлей разработал теорию разрешающей способности оптических приборов. Он определил разрешающую способность дифракционной решетки, а также детально проанализировал оптические свойства спектроскопов.

В 1885 году ученый предсказал существование особого вида поверхностных волн – «волн Рэлея».

В 1879 году он стал преемником Джеймса Клерка Максвелла на посту профессора экспериментальной физики и должности директора Кавендишской лаборатории в Кембридже. Рэлей стал вторым директором знаменитой лаборатории.

Его настойчивые и изысканные опыты принесли ему славу великого экспериментатора. Рэлей тщательно и терпеливо в течение пяти лет осуществлял эксперименты и переопределял стандарты различных электрических единиц сопротивления, электродвижущей силы и т. д. На момент ухода знаменитого ученого из Кембриджа были определены стандарты вольта, ома, ампера и других электрических единиц.

В Кембридже лорд Рэлей показал себя прекрасным преподавателем и руководителем. Под его активным контролем была разработана система лабораторных работ по элементарной физике, которая используется до сих пор в Кембридже. В ту пору это был революционный шаг в методике обучения. Через некоторое время изобретением Рэлея начали пользоваться почти все университеты Великобритании.

После пяти лет напряженной работы в 1874 году Джон Уильям Стретт оставил Кембридж и продолжил научные исследования в своем имении в Терлинг-Плейсе, где он оборудовал высококлассную лабораторию. В этой лаборатории ученый совершал свои грандиозные открытия до самой смерти.

С 1887 по 1905 год Стретт работал профессором физики (натурфилософии) в основанной еще в 1799 году Королевской ассоциации Великобритании, став на этом посту преемником Тиндалла.

Знаменитый ученый всегда занимался одновременно несколькими научными исследованиями. Сфера его научных интересов включала целый ряд областей физики, включая акустику, волновую теорию, цветовое изображение, электродинамику, электромагнетизм, рассеяние света, механику, термодинамику, гидродинамику, плотность газов, вязкость, капиллярность, вибрацию пластичных сред и фотографию.

Джон Уильям был идеологом и конструктором различных приборов и инструментов. Он создал рефрактометр, дифференциальный манометр, прибор для измерения громкости звука и т. д. Имя знаменитого ученого носят различные физические законы, понятия, явления, приборы, среди которых диск Рэлея, интерферометр Рэлея, рэлеевское рассеяние света, волны Рэлея, закон намагничивания Рэлея и др.

В 1877–1878 годах была напечатана фундаментальная двухтомная монография ученого «Теория звука», ставшая впоследствии классическим руководством для студентов, инженеров-акустиков и ученых.

Множество его научных работ было напечатано в «Научных статьях» – шеститомном фундаментальном издании 1889–1920 годов. В своих более поздних работах Джон Уильям сосредоточился на электрических и магнитных проблемах, но главную популярность и Нобелевскую премию Рэлею принесла работа совсем в другой области физики.

В то время ученые полагали, что природа воздуха им полностью известна. Еще в 1775 году Генри Кавендиш провел ряд исследований структуры воздуха. Знаменитый ученый окислял азот в воздухе с помощью электрического разряда и в результате обнаружил, что оставалось небольшое количество газа, которое не поддавалось окислению. Гениальный физик предположил, что кроме азота и кислорода в воздухе находится еще какой-то инертный, бесцветный, нерастворимый газ без запаха, но ученый мир не обратил внимания на его исследования.

В начале 90-х годов XIX века Рэлей заинтересовался плотностями основных газов атмосферы. Он провел свои собственные исследования в данной области и заметил разницу в плотностях азота, получаемого в результате химического синтеза, и азота, выделенного из воздуха путем удаления других известных его компонентов. Плотность азота из воздуха неизменно превышала на одну и ту же величину (1/230) плотность азота, выделенного из аммиака (вес 1 литра азота из аммиака был 1,2505 г, а вес азота из воздуха равнялся 1,2572 г).

Рэлей выдвинул гипотезу, что разницу в плотностях можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного науке газа и что полученный из воздуха азот не является чистым. В своей статье 1892 года в журнале «Природа» он поведал о результатах своих опытов и попросил читателей предложить объяснение полученным данным, но никто так и не смог ответить на вопрос Рэлея.

19 апреля 1894 года знаменитый физик читал лекцию в Королевском обществе, которую посетил Уильям Рамзай. Рамзая заинтересовали опыты лорда Рэлея, и в результате ученые договорились продолжить исследования в данном направлении.

Рамзай провел серию эффективных крупномасштабных экспериментов, во время которых удалял из воздуха кислород, а оставшийся атмосферный азот пропускал несколько раз через нагретый магний. В результате этих экспериментов получался твердый нитрид магния и небольшое количество (около 1/80) инертного газа. При спектроскопическом анализе кроме линий азота наблюдались линии неизвестного газа.

В начале августа 1894 года Рамзай поделился результатами исследований с Рэлеем, сообщив, что ему удалось изолировать тяжелый компонент воздуха, неизвестный науке. Лорд Рэлей повторил эксперименты Рамзая, и они также подтвердили присутствие в воздухе неизвестного газа (1/107 первоначального объема).

После этого открытия ученые начали работать вместе и обменивались письмами почти каждый день. Они предложили место в периодической таблице для газообразных элементов.

13 августа 1894 года ученые совместно объявили об открытии нового элемента в атмосфере – первого инертного газа. По предложению председателя Британской ассоциации Мэдена газ назвали аргоном (от греческого «ленивый») из-за его инертности. После этого Рамзай продолжил свои опыты и идентифицировал другие инертные газы – неон, криптон, ксенон и гелий.

В течение периода, когда ученые исследовали аргон, Рэлей не изменил своим принципам и параллельно занимался другими научными исследованиями. В это время он опубликовал несколько важных работ по рассеиванию и интерференции света, телефонной связи, акустическим измерениям.

В 1900 году Джон Уильям Стретт получил зависимость распределения энергии в спектре абсолютно черного тела от температуры и вывел закон излучения абсолютно черного тела (закон Рэлея-Джинса). Хотя работа Рэлея распространялась только на длинные волны, она имела большое значение для возникновения теории квантов. Всего через несколько месяцев Планк сообщил о решении проблемы черного тела, предложив революционный квантовый подход к решению физической задачи.

В 1904 году Джон Уильям Рэлей был удостоен Нобелевской премии по физике «за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». Его сотрудник и коллега Уильям Рамзай в этом же году получил Нобелевскую премию по химии.

В своей презентационной речи 10 декабря 1904 года профессор Дж. Е. Цедерблом, президент Шведской королевской академии наук, акцентировал внимание присутствующих на том, что открытия Рэлея стали продолжением исследований ученых, проводившихся с XVII века. Открытие Рэлеем аргона способствовало серии открытий новых химических элементов – благородных газов. Исследования Джона Уильяма Стретта Цедерблом назвал «бриллиантовыми».

Свою нобелевскую лекцию, прочитанную 12 декабря 1904 года, лорд Рэлей озаглавил «Сосредоточенность газов в воздухе и открытие аргона». В ней знаменитый ученый подробно проанализировал историю своего величайшего открытия.

Джон Уильям был одним из наиболее плодовитых физиков за всю историю науки. Его перу принадлежат 448 научных трудов, что отчетливо свидетельствует о глубине понимания Рэлеем различных областей физики. Абсолютно все работы знаменитого физика отличаются ясным и чистым литературным стилем.

За свою более чем пятидесятилетнюю научную карьеру ученый занимал различные должности. Лорд Рэлей работал в шести научных и правительственных организациях. В течение шести лет он был президентом Правительственного комитета по взрывчатым веществам. С 1896 по 1919 год был научным руководителем «Тринити Хаус».

В 1883 году ученый стал членом Лондонского королевского общества. С 1885 по 1901 год он состоял его секретарем, а с 1905 по 1908 год был его президентом. С 1908 года и до конца жизни ученый был номинальным президентом Кембриджского университета.

Кроме того, лорд Рэлей являлся президентом Британской ассоциации фундаментальных наук, президентом Консультативного комитета по аэронавтике, главным контролером за снабжением Лондона натуральным газом, активно сотрудничал с Энциклопедией Британника.

С 1892 по 1901 год Джон Уильям Стретт был генерал-губернатором Эссекса. Будучи членом Палаты лордов, Рэлей редко вступал в политические дебаты, хотя и не позволял политикам мешать научному прогрессу.

В свободное время Джон Уильям любил путешествовать, увлекался теннисом, фотографией и музыкой.

Будучи от природы заядлым консерватором, Джон Уильям так и не принял теорию относительности Альберта Эйнштейна, хоть и внимательно следил за развитием науки в целом и квантовой теории в частности.

В 1871 году Джон Уильям Рэлей женился на Эвелин Бальфур, сестре будущего премьер-министра Великобритании – графа Артура Джеймса Бальфура – и дочери знатных английских аристократов. Супруги имели трех сыновей, старший из которых стал профессором физики в Королевском колледже, входящем в состав Лондонского университета, и был главным биографом своего отца.

Кроме Нобелевской премии Джон Уильям Стретт был награжден различными медалями и премиями, среди которых можно выделить медали Лондонского королевского общества – Королевскую медаль (1882), медаль Копли (1899) и медаль Румфорда (1914), а также золотую медаль Маттеучи Итальянской национальной академии наук (1895), медаль Фарадея Британского химического общества (1895), медаль Альберта Королевского общества искусств (1905) и медаль Эллиота Крессона Франклиновского института (1914). В 1902 году ученый был награжден орденом «За заслуги», а в 1905 году стал членом тайного совета Великобритании.

Знаменитый ученый состоял членом более 50 академий и научных обществ. Ему было присвоено более десятка почетных ученых степеней лучших университетов мира.

Джон Уильям продолжал работать в своей лаборатории в Терлинг-Плейсе до самой смерти. До последнего своего часа он публиковал глубокие и одновременно ясные для понимания научные работы. Лорд Рэлей умер в Терлинг-Плейсе 30 июня 1919 года.

Джона Уильяма Стретта, лорда Рэлея по праву считают последним из ряда великих британских классических физиков.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.