Человеку, впервые входящему в оптическую лабораторию, прежде всего бросаются в глаза пучки света, вырывающиеся из приборов. Эти пучки четко видны в окружающей тьме. Они наглядно подтверждают, что свет распространяется прямолинейно.

Однако для того чтобы убедиться в прямолинейности распространения света, не обязательно заходить в оптическую лабораторию. То же самое можно увидеть в солнечный день в любой затемненной комнате. Через щели ставней или занавесей пробиваются яркие солнечные лучи, пересекающие комнату и падающие на стены или на пол.

Прямолинейность распространения света стала известной людям в глубокой древности именно из таких простейших наблюдений. Можно считать твердо установленным, что свет в пустоте распространяется по прямой линии.

Но как согласовать с прямолинейным распространением света тот факт, что мы видим световые лучи, глядя на них сбоку? Ведь солнечный свет в темной комнате идет от щели в ставне к полу. Наш глаз расположен в стороне от его пути, и, тем не менее мы видим этот свет. Мы видим и столб света от прожектора, направленного в небо. Значит, часть света отклоняется от прямолинейного пути и распространяется в стороны, попадая в наши глаза.

Присмотревшись, легко обнаружить множество пылинок, непрерывно кружащихся на пути световых лучей. Некоторые из них сравнительно велики. Большинство же имеет очень малые размеры. Все они ярко освещены и поэтому выделяются на темном фоне. В наш глаз попадают лучи, рассеиваемые пылинками, лучи, которые, встречая препятствия, поворачивают свой путь и распространяются по прямой от рассеивающей пылинки к нашему глазу. Возможно, что вид пылинок, танцующих в световом луче, послужил Релею исходной точкой для построения новой теории происхождения окраски неба.

В 1871 году Релей высказал предположение, что голубой цвет неба вызван рассеянием солнечных лучей на малых частицах, плавающих в воздухе. Рассеяние света малыми частицами было открыто еще в 1851 году физиком-экспериментатором Е. Брюкке. Математический расчет показал Релею, что маленькие частицы, плотность которых отличается от плотности воздуха, рассеивают свет тем сильнее, чем короче длина волны света. Поэтому интенсивность рассеянного света чрезвычайно быстро возрастает с уменьшением длины волны. Если размеры пылинки меньше, чем длина световой волны, то при уменьшении длины волны света в 2 раза интенсивность рассеянного света возрастает в 16 раз.

Длина волны фиолетового света примерно вдвое меньше, чем длина волны красного света, — значит, фиолетовые лучи рассеиваются в 16 раз сильнее, чем красные. Вот объяснение голубого цвета неба, красных зорь и голубой дымки!

На восходе и закате, когда солнечные лучи проходят через наибольшую толщу воздуха, фиолетовые и синие лучи, говорит теория Релея, рассеиваются наиболее сильно. При этом они отклоняются от прямого пути и не попадают в глаза наблюдателю. Наблюдатель видит главным образом красные лучи, которые рассеиваются гораздо слабее. Поэтому на восходе и закате Солнце кажется нам красным. По этой же причине кажутся розовыми и вершины отдаленных снежных гор. Глядя на чистое небо, мы видим сине-голубые лучи — коротковолновую часть солнечного света, — отклоняющиеся от прямолинейного пути вследствие рассеяния и попадающие в наши глаза. Голубая дымка, которую мы иногда видим у горизонта, тоже является результатом преимущественного рассеяния коротковолнового света.

Релей показал, что появление в воздухе частиц, размеры которых превосходят длину волны света, ослабляет голубой цвет неба. Рассеяние света на крупных частицах слабее зависит от длины волны и поэтому не вызывает изменения его окраски. При рассеянии света на крупных частицах как рассеянный, так и прошедший свет остается белым. Поэтому появление в воздухе крупных частиц сообщает небу белесый цвет, а скопление большого количества мелких капелек обусловливает белый цвет облаков и тумана.

Мельчайшие частицы дыма, поднимающиеся над концом горящей папиросы, имеют размеры меньшие, чем длина световой волны, и, в соответствии с теорией Релея, рассеивают преимущественно фиолетовый и синий свет. Но при прохождении через узкие каналы в толще табака частицы дыма склеиваются между собой (коагулируют), объединяясь в более крупные комочки. Размеры многих из них становятся больше, чем длина волны видимого света, и они рассеивают все волны света примерно одинаково. Именно поэтому дым, выходящий из мундштука папиросы, Кажется белесым.

Первоначальная теория Релея еще основывалась на отвергнутом впоследствии представлении об упругом светоносном эфире. В 1899 году он сформулировал задачу о голубом цвете неба применительно к электромагнитной теории света и решил ее с такой полнотой, что она лежит в основе всех современных представлений о рассеянии света малыми частицами.

Но, зная из опыта, что голубой цвет неба тем более чист и ярок, чем чище атмосфера, Релей пришел к заключению, что окраска неба обусловлена не загрязнениями, а самими молекулами воздуха. Молекулы воздуха — вот те мельчайшие неоднородности, которые рассеивают свет Солнца. А так как молекулы очень малы, то они рассеивают волны фиолетового и голубого света гораздо сильнее, чем все остальные. Эта теория, построенная для одиночных молекул, могла быть применена к газу, только если он очень разрежен, то есть его молекулы расположены так далеко одна от другой, что они рассеивают свет совершенно независимо. Но в действительности в каждом кубическом сантиметре воздуха так много молекул и они расположены так близко одна к другой, что световые волны, рассеянные в стороны отдельными молекулами, должны полностью гасить друг друга. В соответствии с расчетом должна оставаться только волна, бегущая вперед без всякого рассеяния. Но этот расчет, опровергающий теорию Релея, в свою очередь имел слабое место: он был проведен лишь для неподвижных молекул. В случае движущихся молекул, как казалось Релею, все должно быть иначе. Он был убежден, что неизбежные тепловые движения молекул препятствуют взаимному гашению рассеянных волн. Поэтому Релей думал, что голубой цвет неба все же может быть объяснен рассеянием света на молекулах.

Впоследствии мы еще вернемся к этому вопросу. Сейчас для нас важно лишь то, что релеевская теория рассеяния света молекулами связала яркость свечения неба с числом молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре воздуха. Это дало возможность проверить правильность теории на опыте. Впервые такой опыт выполнил в 1906 году американский астрофизик Аббо, изучавший голубое свечение неба в обсерватории на горе Маунт-Вильсон. Обработка результатов измерения яркости свечения неба показала, что в каждом кубическом сантиметре содержится огромное количество молекул. Полученное число обычно записывают так: 27 1018 (после числа 27 следует приписать 18 нулей). Это значит, что в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 27 миллиардов раз по миллиарду молекул. Если раздать молекулы, содержащиеся в одном кубическом сантиметре воздуха, всем людям, населяющим земной шар, то каждому достанется по 5 с лишним миллиардов этих молекул.

Впоследствии аналогичные измерения неоднократно с успехом повторялись другими учеными. Полученный результат был чрезвычайно важным. Дело в том, что количество молекул в кубическом сантиметре газа можно измерять по крайней мере двумя десятками разных способов на основе совершенно различных и независимых между собой явлений. Все они приводят к близко совпадающим результатам и дают число, называемое числом Лошмидта. Оно с большой точностью совпадает с числом, полученным при измерении свечения неба. Таким образом, измерения показали, что молекулярное рассеяние света действительно существует.

Казалось, теория Релея была надежно подтверждена опытом; все ученые считали ее безупречной. Она стала общепризнанной и вошла во все учебники оптики.

Тем более удивительно, что в 1907 году на страницах известного научного журнала вновь был поставлен вопрос: почему же небо голубое?

Человеком, указавшим на недостаточность общепризнанной теории, был замечательный русский ученый Леонид Исаакович Мандельштам.