Джон Уи́льям Стретт, третий барон Рэле́й ( англ. John Strutt, 3rd Baron Rayleigh ; 12 ноября 1842 — 30 июня 1919 ), более известный как лорд Рэйли ( Рэлей ) — британский физик и механик , открывший (с Уильямом Рамзаем ) газ аргон и получивший за это Нобелевскую премию по физике в 1904 году . Открыл также явление, ныне называемое рассеянием Рэлея , и предсказал существование поверхностных волн, которые также называются волнами Рэлея .

Член Лондонского королевского общества (1873), его президент в 1905—1908 годах . Иностранный член Французской академии наук (1910; член-корреспондент с 1890) .

Биография

Стретт родился в 1842 году в городке Лэнгфорд-Гров ( англ. Langford Grove ) близ Тирлинга ( англ. Terling ), графство Эссекс . С малых лет он отличался хрупким здоровьем.

В 1861 году он поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета , где изучал математику. Его учителями были Эдвард Джон Раус и Джордж Габриэль Стокс . В 1865 году он получил степень бакалавра, а в 1868 году — магистра. После этого он был принят на работу сотрудником Тринити-колледжа и работал там до своей женитьбы в 1871 году .

Титул лорда Стретт унаследовал в 1873 году после смерти его отца — Джона Стретта, второго барона Рэлея .

После смерти Джеймса Максвелла в 1879 году Рэлей стал вторым Кавендишским профессором Кембриджского университета и директором Кавендишской лаборатории ; последний пост он занимал до 1884 года. С 1887 г. Рэлей — профессор Королевского института Великобритании (Лондон). В 1885—1896 гг. — секретарь Лондонского королевского общества .

С 1908 по 1919 годы был президентом Кембриджского университета .

Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей умер 30 июня 1919 года в городке Уитэм ( англ. Witham ), графство Эссекс .

Научная деятельность

Основные работы Рэлея по механике и физике относятся к теории колебаний , одним из основоположников которой он является. Приложения данной теории он находил в самых разных областях — в теории упругости , акустике , оптике , электричестве и других .

В акустике Рэлей исследовал колебания струн , стержней , пластинок и др.; исследовал колебания цилиндрической, конической и сферической оболочек . В 1873 году он сформулировал ряд фундаментальных теорем , позволяющих делать качественные заключения о собственных частотах колебательных систем, и разработал количественный метод возмущений для нахождения собственных частот колебательной системы, мало отличающейся от простой системы с известными собственными частотами .

Рэлей впервые указал на специфичность нелинейных систем , способных совершать незатухающие колебания без периодического воздействия извне, и на особый характер этих колебаний (названных впоследствии автоколебаниями ) .

Он рассмотрел также задачу сложения многих колебаний со случайными фазами и получил функцию распределения для результирующей амплитуды — так называемое распределение Рэлея . Метод, разработанный при этом Рэлеем, надолго определил дальнейшее развитие теории случайных процессов .

В 1878 году Рэлей ввёл в механику понятие о функции рассеяния ( диссипативная функция Рэлея ); данная величина характеризует скорость рассеяния механической энергии .

Рэлей внёс значительный вклад в развитие теории упругости . В его труде «Теория звука» (2 тт., 1877—78 гг.; 2-е издание — 1894—96 гг.) приведены и систематизированы полученные им фундаментальные результаты по теории колебаний упругих систем . Для нахождения периода колебаний упругих систем он применил приближённый метод, основанный на использовании потенциальной энергии упругой системы .

Крупным открытием Рэлея явилась его имеющая важное значение для сейсмологии теория поверхностных упругих волн ( волны Рэлея , 1885—1887 гг.) — упругих возмущений, распространяющихся в твёрдом теле вдоль его свободной границы и затухающих с глубиной. В теории упругих волн Рэлей рассмотрел также вопросы дифракции , рассеяния и поглощения волн, давление звука , исследовал волны конечной амплитуды .

В «Теория звука» Рэлея впервые отчётливо проявился единый подход к изучению колебательных и волновых процессов, имеющих различную физическую природу. Эти идеи Рэлея легли в основу современной теории колебаний .

Рэлей объяснил различие между групповой и фазовой скоростям, установил соотношения между ними, получил формулу для групповой скорости ( ) .

В 1883 году Рэлей опубликовал в журнале Nature статью, посвящённую динамическому планированию морских птиц, которые для своего полёта используют разность скорости ветра на разных высотах.

В 1890 году Рэлей произвёл грубую оценку размеров молекул, используя метод масляных плёнок.

В опыте Рэлея использовалась капля оливкового масла, растекавшаяся по поверхности воды. Интересно, что липиды — молекулы жиров, в частности, масла — имеют амфимильную структуру. Это означает, что одна из частей молекулы смачивается водой (т.е. ее контакт с водой является энергетически выгодным), а другая — не смачивается. Молекулы масла имеют вид голов с двумя или тремя хвостами.

Растекание продолжается до тех пор, пока поверхность воды не останется покрытой всего лишь одним слоем молекул масла, направленных «головами вниз». В этом случае линейный размер молекул можно оценить как отношение объема исходной капли  к предельной площади масляной пленки . Здесь, конечно, неявно использовано предположение о том, что каждая молекула в жидкости занимает определенный удельный объем  ( — число молекул), не зависящий от формы, которую приняла жидкость. Хотя в случае мономолекулярного масляного слоя это предположение теряет физический смысл, оно применимо в широком диапазоне условий и, в частности, отражается в несжимаемости жидкости (т.е. независимости ее удельного объема от давления, температуры и формы), имеющей место с высокой точностью.

В опыте Рэлея использовалась капля объёмом 0,9 мм3 , которая была помещена в большой таз с водой и растеклась до пленки площадью 0,55м2.

Рэлей заложил основы теории молекулярного рассеяния света (в частности, ввёл понятие о так называемом рэлеевском рассеянии света). Установив обратную пропорциональность интенсивности рассеянного средой света четвёртой степени длины волны возбуждающего света ( закон Рэлея ), он объяснил голубой цвет неба. В 1879 году он создал теорию разрешающей способности оптических приборов на основе критерия Рэлея . В 1900 году Рэлей открыл закон распределения энергии излучения в спектре абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры (см. Закон Рэлея — Джинса ) . Эта работа имела большое значение для возникновения теории квантов .

Также примерно в это время Рэлей построил теорию локализации человеком направления на источник звука с использованием разности времени прихода звука в правое и левое ухо .

В 1894 году вместе с У. Рамзаем открыл новый химический элемент — аргон и определил его свойства и место в Периодической системе элементов (Нобелевская премия по физике 1904 г. с формулировкой: «за исследование плотности газообразных элементов и открытие в связи с этим аргона») .

С именем Рэлея связаны многие физические понятия, законы и приборы:

• волны Рэлея ;
• диск Рэлея ;
• интерферометр Рэлея ;
• ;
• манометр Рэлея ;
• распределение Рэлея ;
• критерий Рэлея ;
• рэлеевское рассеяние ;
• закон Рэлея — Джинса .

Память

В 1964 году Международный астрономический союз присвоил имя Рэлея кратеру на видимой стороне Луны .

Научные работы

• «О свете от неба, его поляризации и цвете» 1899 г.
• (London : Macmillan, 1877, 1894). Русский перевод: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей). . — М. : ГИТТЛ, 1955. — Т. 1. — 503 с.
• (London : Macmillan, 1878, 1896). Русский перевод: Стретт Дж. В. (лорд Рэлей). . — М. : ГИТТЛ, 1955. — Т. 2. — 474 с.

Примечания

Литература

• Боголюбов А. Н. Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1983. — 639 с.
• Моисеев Н. Д. Очерки истории развития механики. — М. : Изд-во Моск. ун-та, 1961. — 478 с.
• Храмов Ю. А. Рэлей (Стретт) Джон Уильям (Rayleigh (Strutt) John William) // Физики : Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера . — Изд. 2-е, испр. и доп. — М. : Наука , 1983. — С. 239. — 400 с. — 200 000 экз.

Ссылки

• Российская Информационная Сеть
• (англ.)
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.