瑞利

瑞利原名约翰·威廉·斯特拉特（John William Strutt），尊称瑞利男爵三世（Third Baron Rayleigh），1842年11月12日出生于英国埃塞克斯郡莫尔登（Malden）的朗弗德林园。他的父亲是第二世男爵约翰·詹姆斯·斯特拉特，母亲叫克拉腊·伊丽莎白·拉图哲，是理查德·维卡斯海军上校的小女儿。瑞利以严谨、广博、精深著称，并善于用简单的设备作实验而能获得十分精确的数据。他是在19世纪末年达到经典物理学颠峰的少数学者之一，在众多学科中都有成果，其中尤以光学中的瑞利散射和瑞利判据、物性学中的气体密度测量几方面影响最为深远。

主要成就

自从门捷列夫周期表提出以后，科学家对寻找新的元素以填补周期表上的空缺，表现出了很大的积极性。但是，人们没有想到，竟然在周期表上遗漏了整整一族性质特殊的惰性气体。1882年，瑞利为了证实普劳特假说，曾经测过氢和氧的密度。经过十年长期的测定，他宣布氢和氧的原子量之比实际上不是1：16，而是1：15.882。他还测定了氮的密度，他发现从液态空气中分馏出来的氮，跟从亚硝酸铵中分离出来的氮，密度有微小的但却是不可忽略的偏差。从液态空气中分馏出来的氮，密度为1.2572 g/cm3，而用化学方法从亚硝酸铵直接得到的氮，密度却为 1.2505 g/cm3。两者数值相差千分之几，在小数点后第三位不相同。他认为，这一差异远远超出了实验误差范围，一定有尚未查清的因素在起作用。为此他先后提出过几种假说来解释造成这种不一致的原因。其中有一种是认为在大气中的氮还含有一种同素异形体，就像氧和臭氧那样，这种同素异形体混杂在大气氮之中，而从化学方法所得应该就是纯净的氮。两者密度之差说明这种未知的成分具有更大的密度。于是，瑞利仿照臭氧的化学符号O3，称之为N3。可是论文发表后没有引起人们的普遍注意，只有化学家拉姆赛（W.Ramsay）表示有兴趣和他合作进一步研究这一问题。拉姆赛重复了瑞利的实验，宣布证实了瑞利的结果，肯定有N3的存在。两位科学家在经过严密的研究后，于1894年确定所谓的N3并不是氮的同素异形体，而是一种特殊的，从未观察到的不活泼的单原子气体，其原子量为39.95，在大气中约含0.93%。他们取名为氩，其希腊文的原意是“不活泼”的意思。第一个惰性气体就这样被发现了。这种普遍存在的大气成分，存在于人类身边，多少科学家在分析空气时，都错过了发现的机会。瑞利之所以抓住了这个机会，应该说是他严谨的科学态度、认真的周密研究的结果，假如他把千分之几的偏差简单地归于实验误差，就会轻易地失之交臂。瑞利和拉姆赛发现氩的过程，历经了10年之久的平凡琐碎的化学实验工作，他们不惜付出巨大劳动，亲自动手，一丝不苟，才终于取得有历史意义的重大成果。在发现氩之后，拉姆赛在瑞利的协助下又发现了氦，氪和氖。据说，拉姆赛在研究其它惰性气体时，曾将百余升的液态空气慢慢蒸发，逐步检查，才得以对空气的组成作出明确的判定。科学界对瑞利和拉姆赛的功绩作了充分的肯定，因此瑞利和拉姆赛在1904年分别被授予诺贝尔物理学奖和化学奖。

瑞利勋爵的最初研究工作主要是光学和振动系统的数学研究，后来的研究几乎涉及物理学的各个方面，如声学、波的理论、彩色视觉、电动力学、电磁学、光的散射、液体的流动、流体动力学、气体的密度、粘滞性、毛细作用、弹性和照相术。他的坚持不懈和精密的实验导致建立了电阻标准、电流标准和电动势标准，后来的工作集中在电学和磁学问题。

瑞利在力学上有多方面的成就。他在弹性振动理论方面得到许多重要结果，其中包括对系统固有频率的性质进行估值和计算。他利用在埃及休养时写成了两卷著名的《声学理论》（Theory of Sound, 1877～1878年），系统总结了他研究弹性振动的成果。1887年，他首先指出弹性波中存在表面被，这对认识地震的机理有重要作用。他还分析过流体由于上下温度差度引起的对流，引进了有关的无量纲数（后称为瑞利数），这个结果可以用来解释由于地面大气对流而引起的某些气象现象。此外，他研究过有限幅度波的传播和气体对运动物体的阻力等。 

为了解释“天空为什么呈现蓝色”这个长期令人不解的问题，他导出了分子散射公式，这个公式被称为瑞利散射定律。在实验方面，他进行了光栅分辨率和衍射的研究，第一个对光学仪器的分辨率给出明确的定义；这项工作导致后来关于光谱仪的光学性质等一系列基础性的研究，对光谱学的发展起了重要作用。绝对黑体辐射和频率的关系是19世纪后半叶受到物理学界普遍关注的问 题。瑞利在1900年从统计物理学的角度提出一个关于热辐射的公式，即后来所谓的瑞利-金斯公式，内容是说在长波区域，辐射的能量密度应正比于绝对温度。这一结果与实验符合得很好，为量子论的出现准备了条件。瑞利密切注意量子论和相对论的出现和发展。他对声光相互作用、机械运动模式、非线性振动等项目的研究，对整个物理学的发展都具有深远影响。瑞利在晚年依然积极致力于研究工作。1905年以后发表的论文就有90篇，并且一直在修订出版《声学原理》，这部著作至今不仅为研究机械振动的声学工作者当做经典巨著，而且也是对其他物理学者很有助益的参考文献。瑞利把诺贝尔奖金捐赠给卡文迪什实验室和剑桥大学图书馆。晚年还以很大兴趣研究教育问题。人们把瑞利作为经典物理学领域中最后一个伟大的多面手，是很适当的。