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近代聲學之奠基者——瑞利

已有 4741 次阅读 2011-11-30 20:19 |个人分类:人物|系统分类:人物纪事| 物理, 声学

近代聲學之奠基者——瑞利
王新龍


諸多事例表明,實驗者若非藉數學之助,而圖解釋其實驗結果,何其難哉!——瑞利

瑞利勳爵(Lord Rayleigh,原名John William Strutt), 系出英倫名門,1842年11月生,少時體弱多病,被迫從伊頓輟學。其後,在入劍橋深造(1861)前,在脫奎(Torquay)的一所私立預科學校才得以完成其學業。在劍橋三一學院,主修數學,1865年以甲等獲理學學士,1868年獲理學碩士。 在劍橋求學期間,創建位於埃塞克斯郡特林園的家庭實驗室。1871年成為劍橋三一學院研究員。1873年,被選為皇家學會會員;同年,其父過世,瑞利以長子承襲父位,是為瑞利男爵三世。1979 年,首任卡文迪許實驗室主任麥克斯韋過世,瑞利繼後掌舵該實驗室,凡五年。1884年,回特林園(Terling Place)的實驗室,其後大部分研究在此完成;同年,任大不列顛科學促進會會長。1904年,因發現惰性氣體氬,榮獲諾貝爾物理學桂冠。自1885年始,擔任了為期十一年的皇家學會秘書。1882至1905年間,受聘為倫敦皇家研究院哲學教授。1905至08年間,榮任皇家學會會長。從1908年起, 担任剑桥大学的校长(chancellor),直至1919年與世長辭。


瑞利勳爵,1842-1919

瑞利勳爵堪稱通才物理學家,涉足力電聲光熱及流體力學等,幾及當時物理學之所有領域,但其最輝煌的成就當在聲學,一生計發表128篇聲學論文。早期論文中有1971年發表的論文『共振理論』【1】,是聲學的;最後一篇論文是1920年發表的『穿孔牆的聲共振反射』【2】,也是聲學的。今世之聲學大師,孰堪與比?

1977-78年,瑞利兩卷本煌煌巨著《聲學原理》相繼面世【3】。上冊集中於振動理論,包括弦棒膜板振動。此類問題關乎聲之產生。瑞利在書中不但注重一般原理之建立,也十分強調實際應用特例。因其精深的數學造詣,瑞利發展了諸多求解振動問題的技術和方法,如瑞利-里茲方法。下冊重在氣體振動和流體聲傳播及與物質之相互作用,如輻射、散射、衍射等。該書集經典之大成,是近代聲學奠基之作,堪稱聲學聖經。迄今,該書仍是聲學工作者必讀之經典,也是其他物理學家常備之主要參考書。今人往往自以為找到解決某問題之答案,不料瑞利早在《聲學原理》中解析之!該書寫於瑞利尼羅河之旅。之前,瑞利幾因患重病而死去,而尼羅河之遠足,或為恢復健康。瑞利之不幸,何嘗非世界之大幸耶!一般認為,《聲學原理》之出版,標誌經典聲學由此結束,近代聲學拉開序幕。瑞利學術生涯五十載,著作等身,發表論文近五百篇,大多陸續收錄在其六卷本的《科學文集》中【4】。

瑞利勳爵之為學也,嚴謹,求實,廣博,精深。其之於物理學,理論大師也,實驗巨擘也。其理論與實驗結合之巧之妙,匠心獨具,爐火純青。最為人叫絕者,莫過於他善用極簡單的實驗獲取精確的科學數據。要測量聲強?用一個懸掛的光盤即可以。在聲輻照下,光盤將趨向與垂直於入射方向之平面,而光盤受到的力矩正比於聲強。此即迄今仍在使用的瑞利盤!瑞利晚年,經典物理學達到前所未有的高度,他是該時代少有的百科全書式的物理學家。他關於黑體輻射的瑞利-金斯定律加之維恩定律,觸發了奠定現代物理學基礎的普朗克量子論的誕生。瑞利盤,瑞利波,瑞利散射,瑞利判據,瑞利-金斯定律,瑞利原理,瑞利流,瑞利分佈,瑞利不穩定,瑞利-泰勒不穩定,瑞利數,瑞利無量綱分析法,瑞利商,等等,這個與如此眾多科學思想、概念和技術聯繫在一起的名字,如日如月,萬古光輝。

【1】J. W. S. Baron Rayleigh, ‘‘On the theory of resonance,’’ Philos. Trans., 161, 77–118 (1871).
【2】J. W. S. Baron Rayleigh, ‘‘On resonant reflection of sound from a perforated wall,’’ Philos. Mag., 39, 225–233 (1920).
【3】J. W. S. Baron Rayleigh, The Theory of Sound (Macmillan, London, 1877–1878); 2nd ed. (1894); repr. (Dover, New York, 1945).
【4】J. W. S. Baron Rayleigh, Scientific Papers, 6 vol. (Cambridge University Press, Cambridge, 1899–1920); repr. (Dover, New York, 1964).


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