Рассеяние света

12 ноября 1842 г. в Лэнгфорд-Грове (графство Эссекс) родился лорд Джон Уильям Рэлей (John William Rayleigh), английский физик, нобелевский лауреат. Получил домашнее образование. Окончил Тринити-колледж Кембриджского университета, работал там же до 1871 г. В 1873 г. создал лабораторию в родовом имении Терлин-Плейс. В 1879 г. стал профессором экспериментальной физики Кембриджского университета, в 1884 г. – секретарем Лондонского королевского общества. В 1887-1905 гг. – профессор Королевской ассоциации, с 1905 г. – президент Лондонского королевского общества, с 1908 г. – президент Кембриджского университета.

Будучи всесторонне эрудированным естествоиспытателем, он отметился во многих отраслях науки: теория колебаний, оптика, акустика, теория теплового излучения, молекулярная физика, гидродинамика, электричество и другие области физики. Исследуя акустические колебания (колебания струн, стержней, пластинок и др.), он сформулировал ряд фундаментальных теорем линейной теории колебаний (1873), позволяющих делать качественные заключения о собственных частотах колебательных систем, и разработал количественный метод возмущений для нахождения собственных частот колебательной системы. Рэлей впервые указал на специфичность нелинейных систем, способных совершать незатухающие колебания без периодического воздействия извне, и на особый характер этих колебаний, которые впоследствии были названы автоколебаниями.

Существенный вклад внес Рэлей в создание теории молекулярного рассеяния света. В 1871 г. он сформулировал закон, согласно которому интенсивность рассеянного воздухом света обратно пропорциональна 4-й степени длины волны (закон Рэлея), объяснил на основе рассеяния причину голубого цвета неба. Закон и сам эффект настолько красивы, что автомобилисты до сих пор пытаются приспособить его к распространению света в тумане, где он не действует.

Чтобы будущим автомобилистам было не так обидно, в 1896 г. Рэлей разработал так называемый Критерий Рэлея – угловое оптическое разрешение человеческого глаза и оптических приборов. Согласно этому критерию, две фары встречного автомобиля можно отдельно различить только на расстоянии примерно в 1 километр. На большем расстоянии они видны как один источник света.

Рэлей объяснил различие групповой и фазовой скоростей света и получил формулу для групповой скорости (формула Рэлея). Он рассмотрел также задачу сложения многих колебаний со случайными фазами и вывел функцию распределения для результирующей амплитуды, позднее получившего его имя (распределение Рэлея). Метод, разработанный при этом, в значительной мере определил дальнейшее развитие теории случайных процессов.

В теории упругих волн Рэлей рассмотрел вопросы дифракции, рассеяния и поглощения волн, давление звука, исследовал волны конечной амплитуды и особый вид поверхностных волн (Волны Рэлея). Работы Рэлея по теории колебаний были систематизированы им в фундаментальном двухтомном труде «Теория звука», впервые изданном в 1877-78 гг., в котором впервые был проявлен единый подход к изучению колебательных и волновых процессов, имеющих самую различную природу.

Независимо от О.Хевисайда, Рэлей построил теорию скин-эффекта, в 1887 г. открыл закон намагничивания, обнаружил явление магнитной вязкости.

В 1894 г. Рэлей совместно с У.Рамзаем открыл новый химический элемент - аргон, и определил его свойства и место в периодический системе элементов. За эту работу лорд Рэлей был удостоен Нобелевской премии по физике 1904 г. – «За исследование плотности газообразных элементов и открытие в связи с этим аргона».

В 1900 г. Рэлей вывел закон распределения энергии излучения в спектре абсолютно черного тела в зависимости от температуры (закон Рэлея-Джинса), что имело большое значение для возникновения теории квантов.

Помимо открытий в различных областях фундаментальной физики, лорд Рэлей оставил после себя целый ряд изобретений. Его имя получили многие не только многие физические понятия и законы, но и приборы, например, изобретенные им дифференциальный манометр (манометр Рэлея), рефрактометр Рэлея, прибор для измерения силы звука (диск Рэлея). В 1879 году он создал теорию разрешающей способности оптических приборов.

Умер лорд Рэлей 30 июня 1919 г., оставив миру столь обширное научное наследие, что трудно представить, как смогла вместить такое количество открытий и изобретений одна единственная человеческая жизнь.