瑞利对人类最大的贡献是什么？
瑞利在科学史上距离牛爱麦等伟人有不少差距，也没有划时代的发现发明，但作为剑桥大学卡文迪许实验室主任、诺奖获得者，他还是有很多干货的！我们以下列举一些最有名的：一、瑞利散射天空为什么是蓝色的？自古以来有很多解释，比较有名的是大海的蓝色映射到了天空。这显然不可信，内陆地区天空的蓝色并不因为距离海洋太远而比海岸边少一点的。
到了瑞利这里，他发现由于介质中分子质点不停的热运动，从而产生一种分子散射，这被叫做“瑞利散射”。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生，但以气体最为显著。瑞利更是指出：瑞利散射光的强度和入射光波长λ的四次方成反比。显然，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易产生瑞利散射。人类终于知道蓝天的奥秘了！二、瑞利波瑞利还预言了“瑞利波”的存在，这个比较专业，原理是在地表和浅层，粒子运动是逆行的。
在地震中，“瑞利波”的摧毁力相当巨大，因此是地震学中的主要研究对象。三、瑞利金斯线为了解释黑体辐射，瑞利和金斯从经典物理学的能量均分定理，推导出了一个瑞利-金斯定律。当这张图画到纸面上，发现它与实验数据不相符，在高频波段，能量会趋向无穷大，这被称作“紫外灾难”。开尔文勋爵也指出：完美的物理大厦已经建成，除了两朵小乌云，“紫外灾难”就是其中之一。
后来，普朗克用神奇的量子论解决了这个灾难，量子力学诞生了！在这个过程中，瑞利的贡献是通过自己的努力发现了问题在哪。四、发现新元素以上都是前戏，瑞利获得诺奖的贡献乃是因为他发现了新元素。关于这一点，我们在下面大书特书一下：话说19世纪初，在苏格兰化学家汤姆逊主编的《哲学年鉴》上发表了一篇文章，出自一位年轻的英国化学家普劳特。
文章指出：各种气体的密度精确地是氢气密度的整数倍，他推测氢原子可能是各种元素的“元粒子”。这被称为“普劳特假说”，也被作为原子论的基础之一。瑞典大牛贝采尼乌斯举出氯气的例子，表示反对。在当时，英国科学界相信“普劳特假说”，而欧洲大陆则拒绝接受。1879年，电磁学大师麦克斯韦去世，剑桥大学卡文迪许实验室主任职位空缺，接替的是37岁的瑞利。
这个人非常严谨，非常重视定量研究。他首先想，如果连“普劳特假说”都证实不了，那化学家们使用的原子量都不能说是准确的，定量分析还有什么意义呢？因此，他决定从称量各种气体的密度开始，验证“普劳特假说”。【第二任卡文迪许实验室主任：瑞利。】瑞利先称最轻的气体：氢，然后是氧气。他通过加热高锰酸钾、氯酸钾和电解水三种方法得到氧气，互相验证。
经过十年的测定，他宣布氢和氧的原子量之比实际上不是1：16，而是1：15.882，为“普劳特假说”提供了反例。接下来，他要去称量氮气的质量，那个时代的化学家都知道，空气里除了氧气和极微量的水蒸气、二氧化碳，剩下的就是氮气。所以瑞利先让空气通过红热的铁屑或者铜片，去除氧气，再通过碱溶液，去除二氧化碳，最后通过浓硫酸，吸收水蒸气。
瑞利称量了剩下的气体，密度为1.2572克/立方厘米，是氢气的13.984倍。【瑞利和开尔文在一起。】很简单是吗？是的。完了吗？没有。瑞利是一个特别严谨的人，和小学生做数学题要验算一样，他还得通过另一种方法来制取氮气，验证一下之前的结果。他选择让氨气和氧气通过红热的铜丝，生成水蒸气和氮气，再用浓硫酸吸收剩余的氨和水蒸气，也可以得到纯净的氮气。
结果很快也出来了，这种方法得到的氮气密度是1.2505克/立方厘米，跟之前的方法相差千分之五左右。你也许会想：“千分之五？这也许是实验误差吧，我们在学校做滴定的时候误差比这大多了。”可是瑞利不这么想，对于严谨的他来说，千分位上出现误差是不能容忍的，足以让他认为这是两种物质：“重氮”和“轻氮”。他又采用其他物质来制取氮气，笑气、一氧化氮甚至尿。
他发现这些氮气都和从氨气里得到的“轻氮”一样重。而无论如何处理空气，最终留下的“重氮”仍旧比较重。从1892年到1894年，这些工作让他花费了整整两年时间去跟这些气体搏斗。人生中能有多少个两年？瑞利很清楚，在他前面还有几十种有趣的物理问题在等待着他，可他却在提纯氮气这个最基本的实验上陷入泥沼，他从一个物理学家——至少是一个实验室主任——变成了一个化学实验员。
【瑞利的祖上是男爵，因此后来瑞利被称为瑞利勋爵。】1894年春天，瑞利在英国皇家学会上宣读了他的报告，提出了“轻氮”和“重氮”的问题。报告结束，苏格兰化学家拉姆塞找到瑞利，表示有兴趣跟他合作：“不管是什么原因，一定是因为空气中提取的氮气混入了其他气体，我们要做的就是把杂质给找出来。如果您同意，我愿意把您的实验继续做下去。
”走投无路的瑞利当然同意了他，会议结束之后，他们两人经常通信，没有任何隐瞒和保密，成为莫逆之交。【拉姆塞（左）和瑞利（右）。】还有一位科学家迪瓦尔也找到瑞利：“去看看卡文迪许的手稿吧，我记得他曾经提到过氮气的质量问题。”“卡文迪许？100多年前的那一位？”瑞利想到自己身为卡文迪许实验室主任，却没有对卡文迪许的手稿加以研究，不禁脸红，“自己竟然落后了100多年！”回去以后，瑞利立马走进图书馆，翻找卡文迪许的手稿和18世纪的科学年报，终于在1785年科学年报上找到了那位大隐士的实验记录。
原来，卡文迪许写稿的时候已经发现了燃素化气体（氮气）和脱燃素气体（氧气），他发现用一个起电盘不断制造出电火花，就可以让这两种气体化合，并被氢氧化钾溶液吸收掉。他让空气和一些氧气混合，跟他的仆人就这么用手一直摇了三个礼拜，终于发现管里的气体不再反应了，再用一种“硫肝液”（硫化钾和多硫化钾的混合液）吸收掉未反应完的氧气，结果最后还是有一个小气泡，不参与任何反应。
卡文迪许写到：“根据这个实验，我得出了一条结论：空气里的燃素化气体（氮气）不是单一的，其中约有1/120，跟主要部分性质绝不相同。可见燃素化气体（氮气）并不是单质，而是两种物质的混合物。”【卡文迪许真算得上超越时代，给人惊喜。】在瑞利翻找文献的时候，拉姆塞已经回到实验室，开始做实验了。几年前，很偶然的机会，他发现用灼热的镁粉可以有效的吸收氮气。
于是事情变得简单了，只要用灼热的镁粉将“重氮”中的氮气吸收掉，剩下的隐藏者就不得不现形了。果然，每经过一次灼热的镁粉，剩下的“重氮”都会更重，当这些“重氮”被镁粉处理过足够多次以后，它的比重达到了氢气的20倍，就再也不会变重了。很明显，“重氮”里所有的氮气已经都和镁粉反应了，剩下的是一种未知的物质。【拉姆塞在讲课。
】他花费了整整一个夏天，终于收集到了100立方厘米的新气体。而瑞利重复卡文迪许的实验，速度就慢了许多，只得到0.5立方厘米。这已经不重要了，两位科学家殊途同归，得到了相同的结果。这种新气体究竟是什么物质？是新元素还是我们的老朋友组成的化合物？分光镜将给出答案。他们将气体放进分光镜，通电之后，管里发出一阵冷光。
他们恨不能把眼睛塞进窥镜，窥镜里出现了红线、绿线和更多颜色的谱线，这些谱线的位置跟之前任何元素的都无法对应。看来，新气体里有一种新元素是妥妥的。严谨的他俩还想到，氩会不会是氮和镁高温之后生成的呢？为了排除这种可能性，他们又使用物理的方法，通过不同分子量气体的扩散速度不同，也得到了新气体。【瑞利模仿卡文迪许实验，发现氩气的仪器。
】1894年8月13日，两位科学家来到牛津，在英国科学协会的年会上宣读了一份报告：“我们发现了一种新元素，这种元素到处都有，空气里就有。”这份报告不啻于在牛津、乃至欧洲上空扔下了一颗大炸弹，科学界一下子炸开了锅。“什么？在空气里还有新元素？”“100升空气里面就有一升新元素，这怎么可能？”“是啊，平时我们每天吸入又呼出这种新元素，可是却从来没有感觉。
”“要知道，空气的分析不说做过一万次，一千次也肯定有了，无数学校里的学生、工厂里的实验员都做过精确的定量分析，他们为什么没发现呢？”最终，正是因为这种气体如此平常，就存在于空气里，而又如此神秘，隐身了许多年，英国科学协会主席马登提议，用希腊文中的“慵懒”、“不活跃”将其命名，翻译成英语就是“Argon”，这就是“氩”的由来。
【在氩气管通电之后发出的冷光，一些霓虹灯里也有氩气的身影。】这真是令人意外的发现，更让人惊讶的还在后面。拉姆塞试图了解氩的化学性质，尝试让氩跟最活跃的物质化合，氯气、白磷、强酸、强碱，甚至用了电流、王水，但一切都是徒劳，氩好像一位最坚贞的烈女，面对“满清十大酷刑”，总是不肯屈服。拉姆塞真是不服气，作为一名化学家，看物质之间的反应——化合、分解、置换、复分解——是自己的天职，也是化学的乐趣所在。
就算是冷艳高傲的贵金属——黄金、白金——碰到王水也会溶解。氩气，这空气中的隐士看起来只是最普通的一团气体，却比世界上所有的物质都更高贵吗？【冷冻成固体的氩。】科学是要用事实来验证的，拉姆塞也好，瑞利也好，世界上所有的化学家也好，都没找到一种办法能让氩和其他物质化合。（事实上，到现在为止，也只发现了氩和氟、氢的化合物：氟氩化氢。
）这真算的上一个大发现，可是门捷列夫的元素周期律却因此而摇晃起来，氩和拉姆塞后来发现的太阳元素“氦”在元素周期律里找不到自己的位置，没有什么元素跟他俩这么高傲，化学性质如此懒惰。拉姆塞认为：“一定还有一些元素，跟氦和氩相似，我们应该把它们一一找出来，这些元素可以组成一个新的家庭。它们不是破坏周期律，而是周期律的补充。
”果然，没过多久，拉姆塞和助手特拉弗斯又在空气里又找到了三种新元素：氖、氪、氙，它们和氦、氩一起组成了新的一族，它们的性质很类似，都很“懒惰”，不愿意和其他元素化合，因此被称为“惰性元素”。【惰性元素在元素周期表上自成一族。它们现在大多数作为保护气，出现在工厂里，尤其是氩气，是液化氮气、氧气之后的主要副产物。
19年4月10日之前黑洞图片是真实的黑洞照片还是想象图？
2019年4月10日，世界上第一张黑洞照片诞生了。这个工程称为“事件视界望远镜EHT”，它凝聚了无数科学家的心血。拍摄过程中，人们调集了世界上八台射电望远镜，数据处理经过两年之久。这当然是一张真实的照片。黑洞连光都能吸进去，为什么还能拍照片呢？拍一张照片为什么要花费2年的时间呢？读一读本文，你将会了解这些内容。
瑞利判据首先，需要给大家介绍一下望远镜的基本原理。要看清远处的物体发出的光需要两个条件：足够的光强和足够大的角度。物体发出的光线经过眼角膜和晶状体折射后，会在视网膜上成像。如果光强太弱，进入眼睛的光子不够，就不足以使视神经产生反应，所以我们首先需要将遥远物体发出的光进行收集和加强，这就需要望远镜。其次，物体不同部位发出的光会彼此成一定角度，在视网膜上成像也不是两个点，而是两个光斑，称为爱里斑，这是由于衍射原因造成的。
假如两条光线的夹角太小，光斑距离就会特别近，如果它们的圆心距离小于半径，我们的眼睛就无法区分它们了。看起来两条光纤重合，发光物体就变成了一个点。英国卡文迪许实验室主任、第三代瑞利男爵仔细研究了这个问题。他指出：只有两条光线之间的夹角θ与衍射孔径D和光的波长λ满足入下关系时，光线才是可分辨的这个关系称为瑞利判据。
例如：人的眼睛对550nm的绿光最为敏感，虹膜直径大约5mm，这样一来人的眼睛最小可分辨角为如果光线夹角小于这个值，我们就无法分辨它们。遥远的星星不同部位发出的光进入眼睛时夹角太小，所以大部分的星星看起来都是一个点。为了增大这个角度从而看清远处物体的结构，我们也需要望远镜。望远镜几百年前，人类就开始制作望远镜了。
比如，伽利略就制作了一台可以放大33倍的望远镜，并用它观察到了月球表面的环形山和木星的卫星。伽利略的望远镜使用了一个凸透镜和一个凹透镜。凸透镜的焦距长，凹透镜的焦距短，并让二者共焦点。平行光线进入物镜后向焦点汇聚，但是到达焦点之前被凹透镜恢复成平行光，实现了宽平行光变为窄平行光，光线被加强了。同时，如果入射光原本相对于眼睛的夹角比较小，经过望远镜后角度会被放大，于是人的眼睛就可以分辨了。
天文学家开普勒也发明了自己的望远镜，开普勒式望远镜使用的是两个凸透镜，也让他们共焦点，它也能够实现光线的加强和角度的放大。所不同的是，开普勒式望远镜所成的是倒像，但是这对于天文观测来讲并没有带来太大的麻烦。折射式望远镜的缺点在于存在视差，有时候会模糊不清。为了克服这个缺点，牛顿发明了反射式望远镜。它通过一个凹形反光面收集光线，再利用平面镜反射和凸透镜会聚实现光强和角度的放大。
不过，无论是折射式望远镜，还是反射式望远镜，都存在一个问题：它的观察通过肉眼和可见光进行，可见光的波长短，容易被大气散射，到达地面上的光微弱而不稳定。如何解决这个问题呢？人们有两种方法：第一，既然大气散射造成了这个问题，那么就到大气外面装一个望远镜好了。于是哈勃望远镜问世了。人们躲开了大气的散射，看到了许多从未见到的景象。
第二，既然可见光会被大气散射，我们还可以使用波长较长的红外线或微波进行观测，它们更容易穿透大气层。于是，人们就发明了射电望远镜，它的基本原理与牛顿的反射式望远镜类似，只不过使用的电磁波是红外或微波。宇宙中许多物质发光并不是可见光，只有通过射电望远镜才能观察到它们。甚长基线干涉技术VLBI无论是眼睛、光学望远镜还是射电望远镜，都要满足瑞利判据。
而且，根据瑞利判据，最小分辨角θ=1.22λ/D，射电望远镜使用的电磁波波长λ比可见光更大，此时必须增大它的口径D，才能分辨出很小的角度。所以世界各国都在争向建设大口径的射电望远镜。例如中国贵州建设的500米口径球面射电望远镜（FAST），工作波长在0.1m左右，口径达到了500米。这么大面积的射电望远镜可以汇聚宇宙中微弱的电磁波，同时也可以分辨更小的角度。
如果用FAST观察黑洞，能不能做到呢？比如，我们这次拍照片的黑洞是室女座的M87中心黑洞，它的直径大约1000亿公里，距离我们5500万光年。经过计算我们可以得出肉眼观察时黑洞张角显然，这么小的角度用肉眼是肯定分辨不开了。观察黑洞的射电望远镜工作波长大约λ=1.3mm，我们将角度和波长代入瑞利判据，可以得到望远镜口径的最小值：也就是说，这个望远镜的口径至少要8000公里！地球的半径只有6400公里，怎么去建设这么大的望远镜呢？科学家总有办法。
既然一个望远镜达不到这么大口径，我们可不可以使用多个望远镜达到这个目的呢？比如，一个望远镜口径不够，我们可以用两个相距一定距离的射电望远镜组成网络，它就相当于一个“镂空”的反射式望远镜。这样二者之间的距离就相当于“镂空”望远镜的口径了。按照这个思路，人们组织世界各地的射电望远镜组成了“甚长基线干涉望远镜网络”VLBI，把地球变成了一个巨大的反射式望远镜。
不仅如此，科学家们还设想：如果伴随着地球围绕太阳的公转，这个VLBI的虚拟望远镜口径甚至可以达到地球的公转轨道那么大，我们终于能够看到更加遥远的宇宙了。第一张黑洞照片1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，用以解释宇宙。很快，科学家史瓦西就根据爱因斯坦的相对论计算出了一个特殊的解，这就是假如天体的质量足够大，就连光都无法逃脱，就会形成黑洞。
爱因斯坦的结论到底对不对呢？一百年来，人们验证了爱因斯坦的质能方程、狭义相对论和弱引力场中的广义相对论，发现爱因斯坦总是对的。可是在黑洞这种强引力场中，广义相对论正确不正确，还没有证实。人们迫切需要一张黑洞的照片，去进一步证实爱因斯坦的结论。在这样的背景下，2012年，天文学家们在美国亚利桑那州开会，决定组织一批世界不同地区的射电望远镜，使用VLBI技术对银河系中心黑洞和室女座M87中心黑洞进行观测，这里面甚至包含了南极洲的望远镜。
人们把这个项目命名为事件视界望远镜EHT。2017年4月，EHT项目对两个目标进行了持续十天的观测。为了保证同步，每一个射电望远镜都配备了精密的原子钟。数据记录下来的数据有10PB那么大，大约相当于一万块1T硬盘的容量。许多天文台并没有网络，这些数据被装在特制的硬盘里，送到了美国的麻省理工学院和德国的马克思普朗克射电所。
值得一提的是，由于南极洲有禁飞期，这些数据等了好几个月才从南极运出来。处理这些数据花了两年的时间。因为原本人们并不知道黑洞是什么样子的，需要通过海量的数据通过一些方法还原到图像。这就好像公安局的画手通过受害者的描述给罪犯画像一样，如果一个画手画，他可能会往自己心中罪犯的形象倾斜，不能保证客观。于是，世界上多个小组针对数据开展了自己的还原计划，直到所有人的结果都一致了，黑洞照片才能真正与大家见面。
（微波是肉眼不可见的，这张照片的颜色是人工渲染的。）还有一个小问题要解释一下。黑洞连光斗吸引的进去，我们是如何看到它的呢？实际上，所有有质量的物体，都会造成一个引力势阱，地球就是在这个引力势阱周围运动。因为太阳的质量不够大，所以引力势阱不够深，只要物体以光速运动，就一定能脱离太阳的引力。但是，黑洞的质量太大了，它的引力势阱也非常深。
在它附近有一个范围称为视界，世界外面的光还是可以逃脱黑洞的引力，而世界里面的任何物体都无法逃脱，只能向着中心点——奇点运动。在黑洞附近的恒星由于受到黑洞巨大的引力作用，有些物质会被黑洞吸引。这些物质会围绕着黑洞运动，称为吸积盘。而且，在它们向着黑洞运动的过程中，速度越来越快，温度约来越高，就会发出电磁波，这就是我们拍摄到的黑洞照片：视界外面的吸积盘。
有些黑洞由于磁场的影响会将等离子体向着垂直吸积盘的方向喷射出去，就形成了喷流。M87的喷流有几千光年之远，非常壮观，这在之前就已经被哈勃望远镜拍摄到了。一张模糊的黑洞照片，凝聚了成千上万科学家的心血。人们通过数年时间，在高科技设备的帮助下，再次印证了爱因斯坦的广义相对论。一百年前，在没有哈勃望远镜和射电望远镜的时候，爱因斯坦就知道答案了。
哈勃望远镜既然能观测几百亿光年外的宇宙，为何不能直接显微镜般地观测最近的太阳等星球？
哈勃望远镜能够观测到几百亿光年以外的宇宙，为何不能直接显微镜般地观测最近的太阳等星球？要解释这个问题，得首先看一下哈勃望远镜的工作原理。哈勃望远镜是于1990年由美国的航天飞机送上太空的，镜长13.3米，直径4.3米，镜面口径2.4米，在地球外太空以时速2.8万公里绕地球轨道运行。哈勃望远镜是一种反射式望远镜，也就是说捕捉宇宙空间中光线的反射，通过望远镜的开口把光线收集到“镜子上”，然后传输到各种仪器的焦点上，每种仪器都是用电荷耦合器件捕捉光线，继而把这些光线转换为数字信号传回到地球，地球接收端通过解译就把宇宙空间的图像再现出来。
从工作原理看，哈勃望远镜在捕捉宇宙深处的光线的前半段，它和一般望远镜是一样的，必须要依赖于光线，只是它处于地球大气层以外，没有大气湍流的干扰，可以长时间曝光，所获得的图像和光谱，较地面的大部分望远镜具有极高的稳定性和可重复性。我们的宇宙在奇点大爆炸以后，每时每刻都在发生着膨胀，目前哈勃望远镜的观测范围为137亿光年，之外的宇宙空间由于累积的膨胀速度大于光线传播到地球的速度，哈勃望远镜也无能为力观测了，因此，哈勃望远镜观测到137亿光年的影像，实际上137亿年之前那个位置发出的光线。
由于哈勃望远镜是利用光线反射观测的，它就有个分辨率的问题，能够看很远，不代表能够它能看清，目前后期解译出来的宇宙深空图像，那是哈勃望远镜在朝着一个方向，长期曝光很长时间，才捕捉到的背景光线，这和我们眼睛看到星星是一个原理。实际上，哈勃望远镜的角分辨率为0.06角秒，也就是说如果在它离地面550千米的近地轨道上，对地球表面进行观测的话，仅能分辨出25厘米左右的物体。
