Джон Стретт

Биография

Английский физик Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, родился в Ленгфорд-Гроув, Мелдон (Эссекс); сын Джона Джеймса Стретта (второго барона Рэлея) и Клары Элизабет (в девичестве Викерс) Стретт. Мальчиком страдал от множества изнурительных болезней, и его обучение часто прерывалось. Он недолго посещал в десятилетнем возрасте Итон-колледж, провел три года в частном школе в Уимблдоне, недолго учился в Харроу-скул и четыре года брал уроки частным образом. В 1861 г. С. поступил в Тринити-колледж в Кембридже, где изучал математику и физику у Э. Дж. Роуса, известного математика, и окончил его с отличием в 1865 г. Год спустя ему предложили стать членом ученого совета Тринити-колледжа. Этот пост он занимал до 1871 г.

В 1868 г. С. создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе в Терлинг-Плейс, Уитхем (Эссекс), где занялся интересующими его явлениями излучения. В результате этих исследований он опубликовал статьи по акустике и оптике, завоевав репутацию авторитетного специалиста в этих областях науки. В 1871 г

. он вывел соотношение, известное как закон рассеяния света Рэлея, между интенсивностью рассеяния света очень малыми частицами и длиной его волны, которое объясняет, почему небо голубое, а закат красный. Поскольку более короткие длины волн (голубые) преимущественно рассеиваются мелкими частицами в а

тмосфере под большими углами, голубой цвет доминирует в рассеянном свете, падающем сверху. Свет же заходящего солнца, если смотреть прямо на него, теряет голубизну из-за бокового рассеяния, и в нем доминируют более длинные волны (красные). В 1871 г. С. совершил путешествие по Нилу, чтобы поправить з

доровье после обострения ревматизма. Во время этого путешествия он начал труд, которому суждено было стать фундаментальным исследованием по теории звука.

Когда в 1873 г. умер его отец, С. стал третьим бароном Рэлеем и владельцем фамильного имения в 7 тыс. акров земли. Однако три года спустя он по

просил своего младшего брата взять на себя эти обязанности, и с этого момента С. (известный как лорд Рэлей) почти полностью посвятил себя науке, работая в своей домашней лаборатории. Среди проведенных им исследований мы встречаем экспериментальные и теоретические работы по оптическим приборам, в рез

ультате которых впервые была определена разрешающая способность дифракционной решетки, а также был сделан фундаментальный анализ оптических свойств спектроскопов. Дифракционные решетки представляют собой пластинки, на которых проделаны тонкие, близко друг к другу расположенные бороздки, позволяющие

разделить проходящий через них свет на составляющие его цвета, выдерживая соотношения между длинами волн и расстояниями между бороздками. В спектроскопе с их помощью получаются серии линий или полосок разных цветов (спектральные линии), положение которых соответствует длине волны. Спектроскоп в конц

е 1870-х годов становился все более важным прибором при исследованиях солнечного света и излучении атомов и молекул.

Хотя С. был рад остаться в собственной лаборатории, он в 1879 г. неохотно принял предложение стать профессором экспериментальной физики (пост, учрежденный в 1871 г.) и директором К

авендишской лаборатории (открытой в 1874 г.) в связи со смертью Джеймса Клерка Максвелла, первого директора лаборатории. В Кембридже С. начал осуществлять программу точного переопределения электрических единиц: вольта, ома и ампера. Программа выполнялась с присущими ему тщательностью и терпением, с

использованием тонких инструментов, и ее результаты, полученные к 1884 г., в дальнейшем почти не требовали исправлений. Он также ввел для студентов лабораторную работу по элементарной физике, что было совершенно новым видом обучения для Англии того времени, охватившим затем университеты всей страны.

После пяти лет работы в Кембридже С. оставил свой пост и вернулся в Терлинг-Плейс, где продолжал исследования до конца жизни. Он всегда занимался одновременно несколькими проектами, уделяя внимание как экспериментам в лаборатории, так и теоретической работе в своем кабинете. Им опубликованы труд

ы по исключительно широкому кругу вопросов, в том числе по световым и звуковым волнам, электромагнетизму, теоремам механики, вибрации пластичных сред, капиллярности и термодинамике. Его ставшая классической двухтомная монография «Теория звука» ("The Theory of Sound") была опубликована в 1877...1878

гг. и до сих пор остается неизменным руководством для современных ученых и инженеров.

В 1892 г. С. начал серию измерений плотностей газов в соотношении с их атомными весами, что было связано с тем интересом, который он проявлял к гипотезе Праута. В 1815 г. английский химик Уильям Праут обратил вн

имание на то, что плотности газов имеют тенденцию выражаться целочисленными кратными плотности водорода, легчайшего среди всех газов. Он выдвинул предположение, что все элементы составлены из водородных строительных кирпичиков. Когда С. начал свою работу, наиболее точное значение плотности кислорода

в 15,96 раз превышало плотность водорода, что было достаточно близко к целому числу 16 и, казалось, подтверждало гипотезу Праута. С. сделал более тщательное измерение, исправив ошибки других экспериментаторов, и пришел к значению 15,88, что бросало тень сомнения на справедливость гипотезы Праута.

Когда же С. обратил внимание на азот, то обнаружил, к своему удивлению, что азот, получавшийся при разложении аммиака, менее плотен, чем азот, взятый из воздуха. Проведя тщательные измерения, дабы исключить ошибки и сомнения, он нашел ключ к этому явлению в статье, написанной в 1795 г. Генри Кавен

дишем, английским химиком и физиком, в честь которого была названа лаборатория. Кавендиш окислял азот в воздухе с помощью электрического разряда и обнаружил, что независимо от того, как долго длится разряд, оставалось небольшое количество газа, которое не поддавалось окислению. Отсюда С. сделал выво

д, что полученный из воздуха азот не является чистым и содержит небольшое количество другого неизвестного газа или газов. Азот, который получается из аммиака, чище, поскольку аммиак состоит из водорода и азота и при его образовании водород выборочно вступает в реакцию с азотом, а не с примесями.

Повторяя утомительные опыты Кавендиша, С. удалял азот окислением с помощью электрического разряда и медленно накапливал неизвестный остаточный газ. Тем временем Уильям Рамзай, шотландский химик, узнал об исследованиях С. и применил более эффективные химические методы, чтобы получить нужный газ. Двое

ученых скоординировали свои усилия и в 1895 г. объявили, что неуловимый газ открыт. Поскольку он был химически инертным (причина, по которой он не окислялся вместе с азотом), они назвали его аргоном, что по-гречески и означает «инертный». Они обнаружили, что аргон составляет около 1 процента всего

объема атмосферы, а его плотность более чем вдвое превышает плотность азота. Они установили также, что выделенный ими газ не был чистым аргоном, а содержал и другие идентифицированные позднее Рамзаем инертные газы, включая неон, криптон, ксенон и гелий. Вся эта группа носит собирательное название бл

агородных газов из-за их сопротивляемости химическим реакциям.

В течение трех лет, пока длились исследования аргона, С. опубликовал десяток работ по таким вопросам, как интерференция и рассеяние света, телефонная связь, звуковые измерения. В 1900 г. он опубликовал вывод о соотношении между темпер

атурой и длиной волны в спектре абсолютно черного тела, основанный на существующих физических законах. После так как английский физик Джеймс Джине предложил небольшую модификацию вывода С., он стал известен как закон излучения Рэлея-Джинса. Однако этот закон распространялся только на длинные волны,

а его опубликование опередило всего лишь на несколько месяцев сообщение Макса Планка о радикальном решении проблемы черного тела и о рождении квантовой теории. Хотя С. внимательно следил за развитием современной квантовой физики и теории относительности Альберта Эйнштейна, он был слишком консерватив

ен, чтобы принять их.

В 1904 г. С. был награжден Нобелевской премией по физике «за исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований». (Рамзай получил Нобелевскую премию 1904 г. по химии.) При презентации лауреата Дж. Е. Седерблом, член Шведской

королевской академии наук, заявил, что, хотя методы выделения нового газа «в принципе были известны... проблема состояла в том... чтобы получить новый газ не только в наиболее чистом виде, но и в достаточном количестве, чтобы появилась возможность провести тщательные исследования их существенных св

ойств». Открытие аргона, сказал Седерблом, способствовало открытию Рамзаем гелия и других благородных газов.

Будучи весьма плодовитым автором, С. опубликовал свыше 400 работ за более чем пятьдесят лет своей исследовательской деятельности. Хотя людям, не занимающимся наукой профессионально, он бол

ьше известен в связи с открытием аргона, его работы затрагивают буквально каждую область классической физики. Кроме того, часть его времени занимали преподавательская деятельность (в течение нескольких лет), а также работа в шести научных и правительственных организациях, занимавшихся вопросами обра

зования. Он был секретарем (1885...1896) и президентом (1905...1908) Лондонского королевского общества. В число прочих его многочисленных обязанностей входили обязанности президента Консультативного комитета по аэронавтике, президента Британской ассоциации фундаментальных наук, председателя комитета

по взрывчатым веществам военного министерства и главного контролера за снабжением Лондона натуральным газом. С 1908 г. до самой смерти он был номинальным президентом Кембриджского университета.

В 1871 г. С. женился на Эвелин Бальфур, сестре Артура Джеймса Бальфура, ставшего премьер-министром Вел

икобритании в 1902 г. У них было трое сыновей, старший из которых, Роберт, стал физиком и биографом своего отца. С. продолжал работать фактически до самой своей смерти в Терлинг-Плейс, опубликовав около 90 работ в последние 15 лет и оставив 3 работы законченными, но не опубликованными. Его называли

последним из великих британских классических физиков.

Кроме Нобелевской премии, С. был награжден Королевской медалью (1882), медалью Копли (1899) и медалью Румфорда (1914) Лондонского королевского общества; золотой медалью Маттеучи Итальянской национальной академии наук (1895); медалью Фарадея Бр