瑞利

瑞利原名斯特拉特（R.J.Strutt），因為他祖父被英國皇室封為瑞利男爵（Baron Rayleigh），他是第三世，故稱瑞利勛爵三世。其父輩在科學上都沒有什麼聲望，到瑞利男爵三世（Baron是英國爵位制度中的一種，譯為男爵。伯、子、男爵又可稱為Lord，即“勛爵”。因為瑞利聲望比較高，所以又特意稱他為Lord Rayleigh，瑞利勛爵），成了科學巨人，所以科學史上，不稱他為斯特拉特，而稱瑞利。

1842年11月12日，瑞利生於英國的特倫，由於出身貴族，所以從小受到良好的教育。他在中小學時代，頭腦聰敏，才氣初露。1860年，以優異的成績考入劍橋大學，1865年大學畢業時，列最優等。當時劍橋的主試人指出：“瑞利的畢業論文極好，不用修改就可以直接付印。”瑞利畢業后，在劍橋任教職，他對教學盡心儘力。1879年，劍橋大學著名物理教授麥克斯韋去世，空缺的劍橋大學卡文迪許實驗室主任職位，由瑞利繼任。瑞利對科研事業熱情極高，投入了全部身心。他擔任著名科研機構——卡文迪許實驗室主任之後，擴大了招生人數，把革吞學院和紐那姆學院加以整頓，並批准招收女學生，使婦女和男子一樣，享有同等的受教育的權力。瑞利在擔任主任期間，自己帶頭捐出500英鎊，同時還向友人募集了1500英鎊，為實驗室添置了大批的新儀器，從而使實驗室的科學研究設備得到充實。瑞利在卡文迪許實驗室，精確地進行了銀的電化當量研究，從而為電化學的發展作出了貢獻。同時，他還對氣體的化合體積及壓縮性做了精密的定量研究。此外，他對光化學的研究也很有成就。瑞利是注重嚴格定量研究的化學家之一，他的作風極為嚴謹，對研究給果要求極為準確，這一點，成了他在科學上作出傑出貢獻的重要基礎。出身名望貴族的瑞利以嚴謹、廣博、精深著稱，並善於用簡單的設備作實驗而能獲得十分精確的數據。氣體密度測量本來是實驗室中的一件常規工作，但是瑞利不放過常人不當回事的實驗差異，終於作出了驚人的重大發現。這就是1892年瑞利從密度的測量中發現了第一個惰性氣體——氬。1919年6月30日，瑞利逝世於英國埃塞克斯郡的威瑟姆。

自從門捷列夫周期表提出以後，科學家對尋找新的元素以填補周期表上的空缺，表現出了很大的積極性。但是，人們沒有想到，竟然在周期表上遺漏了整整一族性質特殊的惰性氣體。1882年，瑞利為了證實普勞特假說，曾經測過氫和氧的密度。經過十年長期的測定，他宣布氫和氧的原子量之比實際上不是1：16，而是1：15.882。他還測定了氮的密度，他發現從液態空氣中分餾出來的氮，跟從亞硝酸銨中分離出來的氮，密度有微小的但卻是不可忽略的偏差。從液態空氣中分餾出來的氮，密度為1.2572 g/cm3，而用化學方法從亞硝酸銨直接得到的氮，密度卻為 1.2505 g/cm3。兩者數值相差千分之幾，在小數點后第三位不相同。他認為，這一差異遠遠超出了實驗誤差範圍，一定有尚未查清的因素在起作用。為此他先後提出過幾種假說來解釋造成這種不一致的原因。其中有一種是認為在大氣中的氮還含有一種同素異形體，就像氧和臭氧那樣，這種同素異形體混雜在大氣氮之中，而從化學方法所得應該就是純凈的氮。兩者密度之差說明這種未知的成分具有更大的密度。於是，瑞利仿照臭氧的化學符號O3，稱之為N3。可是論文發表后沒有引起人們的普遍注意，只有化學家拉姆賽（W.Ramsay）表示有興趣和他合作進一步研究這一問題。拉姆賽重複了瑞利的實驗，宣布證實了瑞利的結果，肯定有N3的存在。兩位科學家在經過嚴密的研究后，於1894年確定所謂的N3並不是氮的同素異形體，而是一種特殊的，從未觀察到的不活潑的單原子氣體，其原子量為39.95，在大氣中約含0.93%。他們取名為氬，其希臘文的原意是“不活潑”的意思。第一個惰性氣體就這樣被發現了。這種普遍存在的大氣成分，存在於人類身邊，多少科學家在分析空氣時，都錯過了發現的機會。瑞利之所以抓住了這個機會，應該說是他嚴謹的科學態度、認真的周密研究的結果，假如他把千分之幾的偏差簡單地歸於實驗誤差，就會輕易地失之交臂。瑞利和拉姆賽發現氬的過程，歷經了10年之久的平凡瑣碎的化學實驗工作，他們不惜付出巨大勞動，親自動手，一絲不苟，才終於取得有歷史意義的重大成果。在發現氬之後，拉姆賽在瑞利的協助下又發現了氦，氪和氖。據說，拉姆賽在研究其它惰性氣體時，曾將百餘升的液態空氣慢慢蒸發，逐步檢查，才得以對空氣的組成作出明確的判定。科學界對瑞利和拉姆賽的功績作了充分的肯定，因此瑞利和拉姆賽在1904年分別被授予諾貝爾物理學獎和化學獎。

瑞利勛爵的最初研究工作主要是光學和振動系統的數學研究，後來的研究幾乎涉及物理學的各個方面，如聲學、波的理論、彩色視覺、電動力學、電磁學、光的散射、液體的流動、流體動力學、氣體的密度、粘滯性、毛細作用、彈性和照相術。他的堅持不懈和精密的實驗導致建立了電阻標準、電流標準和電動勢標準，後來的工作集中在電學和磁學問題。

瑞利在力學上有多方面的成就。他在彈性振動理論方面得到許多重要結果，其中包括對系統固有頻率的性質進行估值和計算。他利用在埃及休養時寫成了兩卷著名的《聲學理論》（Theory of Sound, 1877～1878年），系統總結了他研究彈性振動的成果。1887年，他首先指出彈性波中存在表面被，這對認識地震的機理有重要作用。他還分析過流體由於上下溫度差度引起的對流，引進了有關的無量綱數（后稱為瑞利數），這個結果可以用來解釋由於地面大氣對流而引起的某些氣象現象。此外，他研究過有限幅度波的傳播和氣體對運動物體的阻力等。

為了解釋“天空為什麼呈現藍色”這個長期令人不解的問題，他導出了分子散射公式，這個公式被稱為瑞利散射定律。在實驗方面，他進行了光柵解析度和衍射的研究，第一個對光學儀器的解析度給出明確的定義；這項工作導致後來關於光譜儀的光學性質等一系列基礎性的研究，對光譜學的發展起了重要作用。絕對黑體輻射和頻率的關係是19世紀後半葉受到物理學界普遍關注的問 題。瑞利在1900年從統計物理學的角度提出一個關於熱輻射的公式，即後來所謂的瑞利-金斯公式，內容是說在長波區域，輻射的能量密度應正比於絕對溫度。這一結果與實驗符合得很好，為量子論的出現準備了條件。瑞利密切注意量子論和相對論的出現和發展。他對聲光相互作用、機械運動模式、非線性振動等項目的研究，對整個物理學的發展都具有深遠影響。瑞利在晚年依然積極致力於研究工作。1905年以後發表的論文就有90篇，並且一直在修訂出版《聲學原理》，這部著作至今不僅為研究機械振動的聲學工作者當做經典巨著，而且也是對其他物理學者很有助益的參考文獻。瑞利把諾貝爾獎金捐贈給卡文迪什實驗室和劍橋大學圖書館。晚年還以很大興趣研究教育問題。人們把瑞利作為經典物理學領域中最後一個偉大的多面手，是很適當的。

瑞利的一項重要研究是從空氣和氮的化合物中製取純凈的氮。他經深入研究，1882年，向英國科學協會提出一份報告，精確地指出，氫和氧的密度比不是1：16，正確的比例應為1：15.882。從這件事可以看出他那極為嚴謹的工作態度。他還從事氣體的化合體積及壓縮性的精密測量，計算出許多氣體在極限情況下的摩爾體積，並嚴格測定了氮的密度。瑞利在製取氧和氮的過程中發現，用三種不同的方法製取的氧，密度完全相等，而用不同的方法製取的氮，密度則有微小的差異。如由氨製得的氮，與由空氣製得的氮密度就不同，前者要小5/1000左右。對此，他自己反覆驗證了多次。儘管從實驗的角度來看，這個微小的差別是在允許範圍內，但瑞利發現，這個“誤差”總是表現為由空氣除去氧、二氧化碳、水以後獲得的氮，比由氮的化合物獲得的氮重，誤差雖小，但是不對稱，這是用傳統的說法無法解釋的。因而，他將這一實驗給果刊登在英國的《自然界》周刊。尋求讀者的解答，但他一直沒有收到答覆。瑞利認為，之所以由空氣製得的氮比重大一些，可能有四種解釋：（1）由大氣中所得的氮，可能還含有少量的氧。（2）由氨製得的氮，可能混雜了微量的氫。（3）由大氣製得的氮，或許有類似臭氧的N分子存在。（4）由氨製得的氮，可能有若干分子已經分解，固而把氮氣的密度降低了。第一個假設是不可能的，因為氧和氨的密度相差極微，必須雜有大量的氧、才有可能出現5/1000的差異。與此同時，瑞利又用實驗證明；他由氨製得的氮，其中絕不含氫。第三個解釋也不足置信，因為他採用無聲放電使可能混雜N3的氮氣變化，並沒發現氮的密度有所變化，即不存在N3。第四種假設幾乎是不可能的，因為如果存在遊離的氮原子，必然會彼此給合為分子，不可能在正常條件下長期遊離。正當瑞利困惑不解時，拉姆塞向瑞利提出，他要用新方法研究大氣中的氮，瑞利對此慨然允許，並與拉姆塞精誠合作，這種研究導致了驚人的重大成果，發現了氦、氖、氬、氪、氙等整個一族的惰性氣體元素。1894年5月24日，拉姆塞給瑞利寫信，提出了整個惰性氣體族的設想。同年8月7日，以他們兩個人的名義宣布了一種惰性氣體元素的發現，英國科學協會主席馬登提議，把這種氣體命名為氬（Argon）。瑞利一生髮表了許多學術論文，他文筆清雅暢達，所寫文章大多有嚴格的數學證明，定量十分準確。後來，他把自己的論文整理為一部五卷本的論文集。論文集的開頭，他寫下了這樣的言詞：偉大精深啊，上帝造物之奇妙！研究探索吧，求得世界的奧秘，樂在其中矣！瑞利於1919年去世，比他的精誠合作者拉姆塞晚逝3年，享年77歲。據拉姆塞的學生特拉弗斯說，瑞利與拉姆塞之間往返信件極多，彼此關係十分融洽，“絕少猜疑，也無不正當的行為”，共同為科學而努力，毫無名利之爭。瑞利逝世后，他的實驗室曾供科學界參觀，凡是來訪問的科學家，對瑞利所用儀器的簡單莫不驚異。瑞利實驗室中的一切重要設備雖外形粗糙，但都製造得十分精密。瑞利就是用這些儀器做了極為出色的定量分析。後人經常記起這位偉大科學家的名言：一切科學上的最偉大的發現，幾乎都來自精確的量度。

入射光在線度小於光波長的微粒上散射后散射光和入射光波長相同的現象。由英國物理學家瑞利提出而得名。瑞利，十九世紀最著名的物理學家之一，1842年11月12日出生於英國的莫爾登。據說，瑞利剛開始上學時並不用功，他雖然人很聰明，可卻十分貪玩，學習成績一直平平。10歲那年曾連續兩次逃學，為此，他的爸爸媽媽很替他著急，為了孩子的前途，他們決定遷居倫敦。環境的改變，對瑞利的成長起到了良好的作用。另外，瑞利的父母還特地為他聘了一名家庭女教師，從此瑞利一改以前貪玩的習性，一心埋進書本中。瑞利對物理學曾出了很大的貢獻，他在聲學、波的理論、光學、光的散射、電力學、電磁學、水力學、液體流動理論方面都做出了不可磨滅的貢獻，1904年，他因和拉姆塞同時發現了惰性元素氬（Ar）而榮獲了該年度的諾貝爾物理學獎。1871年，瑞利在經過反覆研究，反覆計算的基礎上，提出了著名的瑞利散射公式，當光線入射到不均勻的介質中，如乳狀液、膠體溶液等，介質就因折射率不均勻而產生散射光。瑞利研究表明，即使均勻介質，由於介質中分子質點不停的熱運動，破壞了分子間固定的位置關係，從而也產生一種分子散射，這就是瑞利散射。瑞利經過計算認為，分子散射光的強度與入射光的頻率（或波長）有關，即四次冪的瑞利定律。正午時，太陽直射地球表面，太陽光在穿過大氣層時，各種波長的光都要受到空氣的散射，其中波長較長的波散射較小，大部分傳播到地面上。而波長較短的藍、綠光，受到空氣散射較強，天空中的藍色正是這些散射光的顏色，因此天空會呈現藍色。正是由於波長較短的光易被散射掉，而波長較長的紅光不易被散射，它的穿透能力也比波長短的藍、綠光強，因此用紅光作指示燈，可以讓司機在大霧迷漫的天氣里容易看清指示燈，防止交通事故的發生。當前對海洋水色遙感精確瑞利散射的計算均採用查找表方式進行，但由於這些查找表是針對特定遙感器生成的，無法直接應用於新的水色遙感器，給實際應用帶來一定程度的麻煩，為此提出了一種通用的海洋水色遙感精確瑞利散射查找表．首先，詳細地推導了加倍法解大氣矢量輻射傳輸方程的基本關係式和實際的計算原理。通過與MODIS精確瑞利散射查找表計算結果比較，證明利用加倍法計算瑞利散射的精度優於0．25%，完全能夠滿足當前海洋水色遙感大氣校正對瑞利散射計算精度的要求，並可以用來生成精確瑞利散射查找表。其次，利用加倍法解大氣矢量輻射傳輸方程，生成了一個通用的海洋水色遙感精確瑞利散射查找表，驗證結果表明該查找表可用於所有水色遙感器的精確瑞利散射計算，且計算精度優於0．5%。這就是瑞利散射表在現代科學當中的重要應用。

瑞利-瑞利原理瑞利原理用以計算振動系統固有頻率的近似值，特別是最小固有頻率（即基頻）的上界的一個原理，是英國的瑞利於1873年提出的。它是振動理論中的一些極值原理以及計算固有頻率和振型的瑞利－里茲法的理論基礎。對於一個在穩定平衡位置附近振動的保守系統，假設它以某一滿足變形連續條件和位移邊界條件的可能位移為振型作簡諧振動，它的角頻率為[kg]。由於機械能守恆,[kg]系統最大勢能[y1]等於最大動能[y1][kg]。[y1]可寫成[y1]=[y1],式中[y1]為最大動能係數。最大勢能和最大動能係數之比[412-50]稱為瑞利商，它是可能位移的泛函。瑞利原理可表述為：當可能位移取某階固有振型時，瑞利商取駐值，且該值就是對應階固有角頻率的平方。特別地，當可能位移取對應於基頻的振型時，瑞利商取最小值，其值就是基頻的平方。將瑞利原理應用於固有頻率和振型的近似計算，就得到著名的瑞利－里茲法。它將可能位移表達成若干個給定的可能位移的線性組合，從而使瑞利商成為這個線性組合的係數的函數。利用瑞利商的駐值條件將問題化為以這些係數為未知量的代數特徵值問題，而特徵值就是固有頻率近似值的平方，它們可以很容易地求出。其中，最小特徵值是基頻平方的偏大的近似值。再求出特徵矢量就得到振型。作為特殊情形，若可能位移只用一個給定函數近似表達，就得到瑞利法，用它計算基頻的上界非常簡便有效。若可能位移和振型的差為一級小量，則用瑞利法求出的頻率的誤差為二級小量。例如，對一根兩端固定且長為的均勻弦，可能位移可以取[412-05] ≥0；當[412-01a]。與此對應的瑞利商為： [412-12]，式中[kg2][kg2]為弦中的張力；為單位弦長的質量。由此得到的基頻[kg]的近似值為 /2[kg]。若分別取 =1[kg2]2[kg2]和對應於[kg][kg]取極小時的[412-1]，則 對應的近似值分別為[412-2]、 [412-3]以及[412-07]。而兩端固定的均勻弦的基頻的準確值為(1/2)[412-06]。所以基頻的上述三個近似值和準確值的相對誤差為 0.1、0.007和0.001。隨著科學的發展，瑞利商和瑞利原理的應用遠遠超出了原來的範圍，它在許多物理和數學領域的理論分析和數值計算技術中起著重要的作用。