Нобелевские лауреаты: лорд Рэлей

Как вы помните, выпуск нашей рубрики «Как получить Нобелевку», посвященный премии по физике 1903 года, растянулся на полторы недели: впервые премия была поделена сразу между тремя учеными. А в 1904 году случилось совсем необыкновенное: за одно и то же открытие, выполненное двумя учеными, один получил премию по физике, а другой – по химии. Начнем мы в хронологическом порядке, с физики. Этот человек, конечно же, был физиком до мозга костей, и много явлений и законов в современной физике названы… А вот сказать, что его именем, нельзя. Да и в списке лауреатов мы не увидим то имя собственное, которым названо рассеяние или закон. Там мы найдем Джона Уильяма Стретта, что может многим не говорить ничего, ибо знаем мы этого великого человека не по имени-фамилии, а по титулу. Так что встречайте, нобелевский лауреат, английский лорд, третий барон Рэлей.

Джон Уильям Стретт, третий барон Рэлей, Лорд Рэлей.

Родился 12 ноября 1842 года, Лэнгфорд-Гров, Эссекс, Великобритания

Умер 30 июня 1919 года, Терлинг-Плейс, Эссекс, Великобритания

Нобелевская премия по физике 1904 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований» (for his investigations of the densities of the most important gases and for his discovery of argon in connection with these studies).

Наш герой родился, как можно догадаться, в весьма не бедной и очень знатной семье. Его отец, Джон Стретт, второй барон Рэлей был достаточно состоятельным и знатным человеком, однако это никак не гарантировало здоровья: все детство будущий нобелевский лауреат проболел. И поэтому самый длительный период его образования — это домашние уроки (целых четыре года). Гораздо дольше, чем Итон или частная школа в Уимблдоне. Тем не менее к 19 годам его здоровье более-менее наладилось, хотя, судя по всему, Джон за время болезней стал истинным британцем-домоседом. В любом случае, в 19 лет пришлось из дома уехать и поступить в хорошее учебное заведение. Им стал знаменитый Тринити-колледж в Кембридже. Главный упор Стретт сделал на математику, что неудивительно, когда у тебя преподают Эдвард Раус, создатель теории устойчивости, и сэр Джордж Габриэль Стокс, написавший уравнения вязкости жидкостей.

В 1865 году он уже стал бакалавром (с отличием, разумеется), в 1868 году — магистром, которого незамедлительно ввели в состав Ученого совета колледжа. Именно тогда он занялся наукой, но не в Кембридже: он создал научную лабораторию в своей родовой усадьбе в Терлинг-Плейс, Уитхем (Эссекс), где занялся интересующими его явлениями излучения и звука. Впрочем, и в Тринити-колледже он пробыл всего три года, до 1871 года, когда он женился на Эвелин Балфор, дочери крупного шотландского землевладельца.

Вообще, 1871 год для Рэлея стал очень важным как в личной жизни, так и в научной карьере. Про брак мы уже сказали. И именно в 1871 году Стретт вывел соотношение между интенсивностью рассеяния света очень малыми частицами и длиной его волны (известное как закон рассеяния света Рэлея), которое объясняет, почему небо голубое, а закат красный. Поскольку более короткие длины волн (голубые) преимущественно рассеиваются мелкими частицами в атмосфере 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). Так появилось понятие рэлеевского рассеяния света.

В 1871 году нашему герою, кроме всего вышеописанного, пришлось еще и отправиться в путешествие, которое, как известно, лечит истинного британца: нужно было оправиться от приступа ревматизма. Рэлей отправляется в путешествие по Нилу и именно там начинает свой капитальный труд по акустике, вылившийся в двухтомник «Теория звука». Кстати, эта книга до сих пор остается рекомендованным учебником для инженеров-акустиков.

В 1873 году умер Джон Стретт, второй барон Рэлей. Титул третьего барона Рэлея отошел к нашему герою. К титулу прилагалось крупное имение в семь тысяч акров, которым нужно было управлять. Впрочем, барон Рэлей уже через три года передал управление младшему брату и полностью погрузился в домашнюю науку.

Впрочем, в 1879 году он неохотно принял предложение уехать из домашней лаборатории. Но место, в которое звали, обязывало: после смерти Джеймса Клерка Максвелла Рэлей стал вторым директором Кавендишевской лаборатории Кембриджского университета (официальное наименование должности — Кавендишевский профессор физики), давшей миру больше всех нобелевских лауреатов. После него ею руководили и Джозеф Томсон, и сэр Эрнест Резерфорд, именно в ней работал наш Петр Леонидович Капица. Обо всех этих людях мы поговорим в свое время.

Пять лет Рэлей находился на этом посту и занимался в эти годы самыми разными вещами. Например, именно тогда он написал труд о физике парения птиц, опубликованный в 1883 году в Nature, сформулировал критерии разрешающей способности для оптики (критерий Рэлея), начал осуществлять программу точного переопределения электрических единиц: вольта, ома и ампера. Скрупулезность и тщательность Стретта пошли на пользу: результаты, полученные к 1884 году, в дальнейшем почти не требовали исправлений. Именно Рэлей совершил революцию в физическом образовании Великобритании: он ввел для студентов лабораторную работу по элементарной физике, что было совершенно новым видом обучения для Британской империи, и именно из Кембриджа это перешло в университеты всей страны.

Но в 1884 году он сдал пост Томсону и вернулся домой, в созданную своими руками лабораторию.

В 1892 году Рэлей заинтересовался так называемой гипотезой Праута. В 1815 году английский химик Уильям Праут обратил внимание на то, что плотности газов можно выразить кратно (без остатка) в плотностях водорода, легчайшего среди всех газов. Он выдвинул предположение, что все элементы составлены из «водородных строительных элементов».

Рэлей начал кропотливое измерение плотностей газов. Когда он начинал свои опыты, наиболее точное значение плотности кислорода в 15,96 раз превышало плотность водорода, и это вроде бы подтверждало гипотезу Праута. Но более тщательное выполнение опыта, с исправлением недочетов предшественников, давало показатель 15,88.

Отложив на какое-то время кислород, Рэлей обратился к азоту и сильно удивился. Оказалось, что азот, получавшийся химическим путем, при разложении аммиака, менее плотен, чем азот, выделенный из воздуха. Он даже опубликовал в Nature письмо с просьбой к коллегам написать ему, в чем тут дело.

Но недаром Рэлей пять лет провел на посту директора Кавендишевской лаборатории, и не зря его предшественник Максвелл потратил уйму времени на издание трудов Генри Кавендиша.

Рэлей нашел ключ к этому явлению в статье Кавендиша 1795 года (правда, не сам, ему показал эту статью Джеймс Дьюар). Кавендиш окислял азот в воздухе электрическим разрядом и обнаружил, что независимо от того, как долго длится разряд, оставалось небольшое количество газа, которое вообще не окислялось.

Физик сделал логичный вывод: в азоте, который добыт из атмосферного воздуха, есть примесь другого неизвестного газа или нескольких газов. Стало понятно, как его (или их) добыть: удалять азот из воздуха разрядом и смотреть, что останется. Повторяя утомительные опыты Кавендиша, Рэлей удалял азот окислением с помощью электрического разряда и медленно накапливал неизвестный остаточный газ. 19 апреля 1894 года на лекцию Рэлея о проблемах с плотностями газов пришел шотландец Уильям Рамзай. Он подошел после лекции к профессору и предложил скоординировать усилия. Поскольку Рамзай был химиком, ему оказалось проще выделить новый газ в нужных количествах (он воспользовался способностью нагретого магния поглощать азот).

7 августа 1894 года в Оксфорде на собрании Британской ассоциации физиков, химиков и естествоиспытателей Рэлей и Рамзай сообщили о поразительном факте, в который ученым того времени было сложно поверить: каждый кубометр воздуха содержит примерно 15 граммов неизвестного газа, который к тому же ни с чем не вступает в реакции. Конечно, можно было бы отрицать, но аргументы были весомее некуда: Уильям Крукс даже снял спектр нового вещества. Сенсация! Председатель заседания, доктор Медан, предложил назвать новый газ аргоном: ἀργός — «не» + «активный».

Потом Рамзай выяснит, что на самом деле они с Рэлеем открыли не один газ, а смесь инертных газов, и выделит неон, гелий, криптон и ксенон. Но об этом в следующую среду.

А пока что триумф отгремел, и Рэлей занялся снова разнообразной физикой. В 1900 году, например, открыл закон распределения энергии излучения в спектре абсолютно черного тела в зависимости от температуры. Сейчас это закон Рэлея – Джинса. Тогда же он построил теорию локализации человеком направления на источник звука с использованием разности времени прихода звука в правое и левое ухо.

А в 1904 году пришла Нобелевская премия. Рэлею — по физике, Рамзаю — по химии. Как говорится, физику — физиково, химику — химиково.

Представляя лауреата по физике, профессор Дж. Седерблом, президент Шведской Королевской академии наук, сказал, что открытие аргона способствовало открытию Рамзаем гелия и других благородных газов. И добавил, возможно предвосхищая обвинения в прикладном и не очень значительном характере именно этой работы Стретта: «Мы действительно утверждаем, что работа лорда Рэлея фундаментального характера, и что номинации его на Нобелевскую премию по физике должны быть встречены с искренним и полностью обоснованным удовлетворением, тем более что данная его работа только одно звено в длинной цепи замечательных исследований, которые с разных точек обогащают физическую науку и которые обеспечили ему видное место в истории науки всех времен».

Лорд Рэлей прожил еще 15 лет после премии, усердно работая и публикуясь из своей домашней лаборатории. За это время он опубликовал 90 работ и три успел закончить, но не успел опубликовать. Неудивительно, что после смерти его назвали последним из великих британских классических физиков.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram.