Lordi Rayleigh

John William Strutt, 3. paroni Rayleigh (12. marraskuuta 1842 – 30. kesäkuuta 1919), oli brittiläinen fyysikko, joka tunnetaan nimellä lordi Rayleigh.  Hän oli Cambridgen yliopiston kokeellisen fysiikan professori ja Lontoon Royal Societyn puheenjohtaja. Rayleigh oli yksi ensimmäisiä fysiikan Nobel-palkinnon voittajia tunnustuksena jalokaasu argonin löytämisestä. Hän keksi myös ilmiön, jota nykyisin kutsutaan Rayleigh’n siroamiseksi ja jonka avulla hän selitti taivaan sinisen värin. Hän ennusti pinta-aallon, joka tunnetaan nykyisin Rayleigh’n aaltoina. Rayleigh kirjoitti laajan kaksiosaisen teoksen The Theory of Sound (1877–1888) ja on siksi yksi historian tärkeimpiä akustiikan tutkijoita.

Elämäkerta

Nuoruus 
Strutt syntyi Maldonissassa, Essexissä. Struttin vanhemmat olivat John James Strutt, 2. paroni Rayleigh, ja tämän vaimo Clara Elizabeth La Touche, kapteeni Richard Vicarsin vanhin tytär. Koko lapsuuden ja nuoruuden ajan hänen terveytensä oli heikko, jonka takia hän joutui toistuvasti lopettamaan koulunkäynnin kesken. Hänen selviytymisensä aikuisikään asti heikkeni jatkuvasti. Strutt aloitti kymmenenvuotiaana opinnot wimbledonilaisessa yksityiskoulussa, ennen tätä hän opiskeli lyhyen aikaa Eton Collegessa, tosin hän vietti suurimman osan ajasta koulun parantolassa. Struttin opinnot Wimbledonissa kesti yhteensä kolme vuotta. Wimbledonissa opiskelun jälkeen hän opiskeli lyhyen aikaa Harrow Schoolissa ja jatkoi edelleen opintojaan pastori George Townsend Warnerin sisäoppilaitoksessa, jossa hän kävi koulua neljän vuoden ajan.

Opiskeluvuodet 
Strutt aloitti matematiikan opinnot Cambridgen yliopiston Trinity Collegessa lokakuussa vuonna 1861. Hänen saavutuksensa eivät aluksi olleet kovinkaan mairittelevia, mutta pian hänen taitonsa olivat jo paremmat kuin muiden hänen ikätovereiden, hänestä tuli muun muassa Senior Wrangler, joka on arvonimi parhaimmalle Mathematical Tripos -kurssin opiskelijalle. Edward Routhin, väitöstyön ohjaajan, ja samaan aikaan Lucas-professorina toimineen Stokesin tieteellinen vaikutus Struttiin oli merkittävä. Routhilta hän oppi muun muassa sen, kuinka matemaattisia ongelmia kannattaa lähestyä, ja Stokes taas sai Strutt'n kiinnostumaan kokeellisten demonstraatioiden kautta. Oppilaat itse eivät saaneet suorittaa kokeita. Strutt puhui myöhemmin kuinka tärkeä rooli Stokesilla oli hänen kehittymisessään tieteilijäksi, mutta viitteitä siitä, että Stokes olisi suoraan rohkaissut oppilastaan valitsemaan tieteellisen uran, ei ole. Strutt sai kandidaatin tutkintonsa päätökseen vuonna 1865 ja kolme vuotta myöhemmin maisterin tutkinnon.

Valmistumisensa jälkeen Struttia kohtasi suuri ongelma. Tieteellinen ura ei olisi yksiselitteisesti hyväksyttävää hänen asemassaan, hänestä tulisi myöhemmin Rayleighin kolmas paroni. Monet hänen sukunsa edustajat vastustivat tieteellisen uran valintaa. Strutt oli kuitenkin päättänyt omistautua työlle tieteen hyväksi. Vuonna 1866 hänestä tuli opettaja Trinity Collegeen. Hän pysyi virassa vuoteen 1871 asti, jolloin hän solmi avioliiton Evelyn Balfourin kanssa ja heille syntyi kolme poikaa. Evelyn Balfour oli Arthur James Balfourin, konservatiivipuolueen jäsenen ja Britannian pääministerin vuosina 1902–1905, tytär.

Aikuisikä 
Jonkinlaiseksi tavaksi oli muodostunut, että nuoret yläluokan edustavat miehet kiertelivät Euroopassa. Strutt teki poikkeavan valinnan ja päätti suunnata matkansa Atlantin yli Yhdysvaltoihin. Hyvänä puolena hänen yhteiskunnallisessa asemassaan oli se, ettei hän tarvinnut vakinaista työtä elääkseen. Palattuaan matkalta hän osti joukon tieteellisiä välineitä ja pystytti oman laboratorion perhetilalleen Terlingiin. Hän teki kokeita muun muassa galvanometrillä ja esitteli tuloksiaan British Association for the Advancement of Sciencen kokouksessa Norwichissä vuonna 1868.

Pian avioliiton solmimisen jälkeen Strutt sairastui reumakuumeeseen, joka oli lähellä lopettaa hänen tieteellisen uransa ennenaikaisesti. Struttia neuvottiin matkustamaan Egyptiin hoitamaan sairautta. Strutt totteli neuvoa, hän ja hänen vaimonsa matkustivat Egyptiin ja purjehtivat vuoden 1872 loppukuukaudet ja vuoden 1873 ensimmäiset kuukaudet Niilillä. Matkan aikana he kävivät myös Kreikassa. Niilin risteilyllä Strutt aloitti kirjansa The Theory of Sound ensimmäisen osan kirjoittamisen.  Takaisin Britanniaan he palasivat keväällä vuonna 1873. Matkan jälkeen hänen isänsä John Strutt, toinen paroni Rayleigh, kuoli ja hän peri paronin arvon.

Cavendish professuuri ja myöhemmät vuodet 
Rayleigh seurasi Cambridgen yliopiston fysiikan Cavedish-professorina skotlantilaista James Maxwellia. Hän oli virassa vuosina 1879–1884. Virka oli perustettu viisi vuotta aikaisemmin. Rayleigh’n valinta virkaan oli melko selvää, koska muita hänen tasoisiaan vaihtoehtoja ei juuri ollut. Vaikka Rayleigh hyväksyi viran, hän olisi mieluummin työskennellyt omassa laboratoriossaan Terlingissä. Britannian maatalouden taloudelliset ongelmien vaikutukset kuitenkin heijastuivat myös Rayleigh’hin, ja hänen oli pakko ottaa virka vastaan pystyäkseen turvaamaan toimeentulonsa. Rayleigh oli virassa vain rahan takia, mutta hän otti työnsä kuitenkin vakavasti ja teki merkittäviä parannuksia Cambridgen yliopiston fysiikan opetukseen. Yksi muutos oli se, että hän tarjosi laboratoriokursseja, joissa tarjottiin mahdollisuus tehdä kokeita.

Rayleigh erosi virastaan vuonna 1884 aloittaakseen työskentelyn omassa laboratoriossaan. Hänellä oli nyt tarpeeksi rahaa ja hän pystyi keskittymään paremmin tieteeseen, kun hänen ei tarvitsisi huolehtia aikaa vievistä yliopistoviran velvollisuuksista. Monet Rayleigh’n työtovereista yrittivät puhua häntä ympäri, mutta hän tiesi mitä tahtoi. Rayleigh ei eristäytynyt täysin ulkopuoliselta maailmalta, vaan teki säännöllisiä vierailuja tiedeseuroihin Lontoossa. Rayleigh oli valittu Royal Societyn jäseneksi vuonna 1873. Hänelle myönnettiin Royal Societyn mitali vuonna 1882 ja kolme vuotta myöhemmin hänet valittiin seuran sihteeriksi. Vuonna 1905 Rayleigh’stä tuli kolmeksi vuodeksi Royal Societyn puheenjohtaja. Vuosi ennen vuosisadan vaihtumista Royal Society myönsi hänelle arvostetun Copley-mitalin. Hän oli hyvin aktiivinen myös Royal Societyn ulkopuolisissa tiedeseuroissa.

Rayleigh kuoli 30. heinäkuuta 1919 Withamissa.

Tieteellinen ura 
Rayleigh’n tieteelliset työt olivat hyvin monialaisia. Hän keskittyi alkuvaiheessa matematiikan tutkimukseen, mutta hänen tutkimuskohteinaan olivat myös optiikka ja värähtely. Myöhemmin hänen tutkimuskohteidensa kirjo laajeni huomattavasti, ja siihen kuuluivat useimmat sen ajan fysiikan tutkimusalueet; akustiikka, äänieristys, aaltoteoria, värinäkö, sähköoppi, sähkömagnetismi, valon siroaminen, nesteiden virtaaminen, hydrodynamiikka, kaasujen tiheys, viskositeetti, kapillaari-ilmiö, elastiikka ja valokuvaus. Elämänsä aikana hän julkaisi 446 julkaisua. Rayleigh osallistui myös Encyclopaedia Britannica -tietosanakirjan kirjoittamiseen. Rayleigh’lle oli ominaista se, että hän ei halunnut politiikan sekaantuvan tieteen kehitykseen.

Fysiikan tutkimus

Siroaminen 

Rayleigh’n teoria valon siroamisesta oli ensimmäinen oikea selitys kysymykseen ”Miksi taivas on sininen?” Rayleigh julkaisi siroamista koskevan tutkimuksensa vuonna 1871. Teoriassa oletetaan, että sirottavan partikkelin koko on paljon pienempi kuin säteilyn aallonpituus. Rayleigh’n sironnan perusajatuksena on hiukkasen varausjakauman oskillointi siihen vaikuttavan sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän vaikutuksesta.

Rayleigh’n mukaan sironta on kääntäen verrannollinen säteilyn aallonpituuden neljänteen potenssiin. Tämä tarkoittaa sitä, että sironta on sitä voimakkaampaa mitä lyhyempi aallonpituus säteilyllä on. Ultraviolettisäteily siroaa siis ilman molekyyleistä enemmän kuin näkyvä valo. Koska suuri osa ultraviolettisäteilyä kuitenkin absorboituu ilmakehän ylemmissä kerroksissa, sen osuus siroavasta säteilystä on suhteellisen pieni. Näkyvästä valosta violetilla värillä on pienin aallonpituus, joten violettia valoa siroaa kaikkein eniten. Silmä näkee kuitenkin sinisen värin herkemmin kuin violetin. Tästä johtuu se, että taivas näyttää päivällä siniseltä eikä violetilta. Auringon noustessa tai laskiessa taivas näyttää kuitenkin punertavalta. Tämä johtuu siitä, että valo joutuu kulkemaan ilmakehässä pitemmän matkan, jolloin lyhyet aallonpituudet siroavat pois. Seurauksena on punertava valo.

Kun siroavan hiukkasen koko kasvaa, muuttuu myös riippuvuus aallonpituudesta ja Rayleigh’n sironta ei enää päde tarpeeksi tarkasti. Tätä varten on kehitetty monimutkaisempia teorioita.

Mustan kappaleen säteily 

Wilhelm Wien esitti vuonna 1896 Wienin säteilylain, joka pyrkii kuvaamaan mustan kappaleen säteilyn spektriä. Rayleigh kuitenkin havaitsi laissa ongelman vuonna 1900 ja ehdotti korjausta, joka toimi hyvin säteilyn suurilla aallonpituuksilla. Laki ei kuitenkaan toiminut yhtä hyvin pienillä aallonpituuksilla, vaan tällä alueella Wienin laki oli mittaustulosten kanssa paremmin sopusoinnussa. James Jeans teki Rayleigh’n kaavaan pienen korjauksen, minkä takia kaava kutsutaan nykyään Rayleigh’n–Jeansin kaavaksi.

Rayleigh’n–Jeansin laki johtaa siihen, että pienillä aallonpituuksilla säteilyn energia näyttää olevan ääretön. Tätä kutsutaan usein ultraviolettikatastrofiksi. Max Planck yritti korjata tämän ongelman, ja päätyi lopulta tulokseen, että energian pitäisi olla kvantittunutta. Tämän takia Wienin ja Rayleigh’n–Jeansin kaavoilla on erityinen asema kvanttimekaniikan synnyssä.

Argonin löytäminen 
Rayleigh huomasi vuonna 1892, että ilmasta eristetyn typen tiheys oli suurempi kuin ammoniakista hapettamalla valmistetun typen tiheys. Tästä hän päätteli, että ilmassa täytyy olla jotakin typpeä raskaampaa alkuainetta. Rayleigh ja skotlantilainen Sir William Ramsay ryhtyivät tutkimaan ilmaa tarkemmin ja havaitsivat kaasun spektristä uuden alkuaineen, jalokaasun, jolle he antoivat nimeksi argon. Rayleigh sai havainnostaan vuonna 1904 Nobelin fysiikanpalkinnon ja Ramsay taas Nobelin kemianpalkinnon. Myöhemmin he erottivat nesteytetystä ilmasta myös kolme muuta jalokaasua.

Huomionosoitukset 
Rayleigh’n mukaan on nimetty Kuussa sijaitseva Rayleigh-kraatteri ja Marsissa sijaitseva samanniminen kraatteri. Hänen mukaansa on nimetty myös asteroidi 22740 Rayleigh. Rayleigh-niminen valovirran yksikkö taas on nimetty Rayleigh'n pojan, Robert Struttin, mukaan. (Katso lisää Rayleigh-nimisiä asioita)

Rayleigh’lle myönnettyjä tieteen alan palkintoja:
Royal Society Royal Medal (1882)
De Morgan -mitali (1890)
Copley-mitali (1899)
Nobelin fysiikanpalkinto (1904)
Rumford-mitali (1914)

Lähteet

Aiheesta muualla 

John William Struttista 
Rayleigh Instability of Nanowires – a kinetic Monte Carlo simulation 
Biografia St. Andrewsin yliopiston sivuilla 
Biografia Encyclopaedia Britannicassa 

Fyysikot
Brittiläiset fyysikot
Nobelin fysiikanpalkinnon saajat
Cambridgen yliopiston kanslerit
Copley-mitalin saajat
Ranskan tiedeakatemian jäsenet
Brittiläiset paronit
Vuonna 1842 syntyneet
Vuonna 1919 kuolleet