Ученый выяснил, что мелкие пылинки, размеры которых меньше, чем длина волны света, рассеивают солнечный свет, причем чем короче длина световой волны, тем сильнее происходит процесс рассеивания. Поскольку в видимом солнечном спектре синие и фиолетовые лучи имеют наименьшую длину волны, то они рассеиваются наиболее сильно. Таким образом, цвет неба получает голубую окраску.

Теория Рэлея идеально объяснила цвет Солнца, звезд, рассвета и заката, снежных вершин и т. д. Но через некоторое время английский ученый пересмотрел свое открытие. Во-первых, пылинки, которые присутствовали в воздухе, были гораздо больше длины световой волны, а во-вторых, их скопление, наоборот, ослабляло голубизну неба. В 1899 году ученый нашел в себе силы опубликовать статью, в которой признавал ошибочность своей теории. Однако он решил не сдаваться и продолжал свои исследования.

Через некоторое время Джон Уильям Стретт предложил новую оригинальную модель, объясняющую рассеивание света молекулами воздуха. В 1906 году ученый провел ряд исследований вместе с американским астрофизиком Абботом, в результате которых указал правильное объяснение цвета неба и других атмосферных явлений. Кроме того, ученый вывел закон, согласно которому интенсивность рассеянного средой света обратно пропорциональна 4-й степени длины его волны (закон Рэлея).

Из-за частых и сильных приступов ревматизма в 1872 году Рэлей провел зиму 1873 года в Египте, где совершил круиз по Нилу, и в Греции. В это время он заинтересовался акустикой и начал работать над своей фундаментальной работой по теории звука.

Вскоре после возвращения ученого в Англию умер его отец. После этого печального события Джон Уильям Стретт стал третьим бароном Рэлеем, а также получил во владение фамильную усадьбу в Терлинг-Плейсе в графстве Эссекс (Англия). Кроме того, он стал владельцем фамильного имения в 7 тысяч акров земли.

Соединив изобретательность ученого и полученные сельскохозяйственные знания, Джон Уильям стал одним из самых прогрессивных и успешных землевладельцев, но в 1876 году он полностью передал управление фамильным участком своему младшему брату.

С этого времени лорд Рэлей все свое свободное время посвящал науке. Первые научные исследования Джона Уильяма Стретта касались таких областей физики, как оптика, вибрация и теория колебаний.

В начале 70-х годов XIX столетия ученый провел ряд исследований упругих тел (струн, стержней, пластинок). По результатам опытов он сформулировал основные теоремы линейной теории колебаний. Кроме того, Рэлей проанализировал особые свойства нелинейных систем, способных совершать незатухающие колебания без внешнего периодического воздействия (так называемые автоколебания) и ввел понятия фазовой и групповой скорости. Для групповой скорости английский ученый вывел формулу, известную теперь как формула Рэлея. Также знаменитый ученый нашел решение задачи сложения колебаний со случайными фазами и вывел функцию распределения для результирующей амплитуды (распределение Рэлея).

Свои работы по теории колебаний ученый систематизировал и представил в знаменитом двухтомнике «Теория звука». Его идеи лежат в основе современной теории колебаний.

В 1879 году лорд Рэлей разработал теорию разрешающей способности оптических приборов. Он определил разрешающую способность дифракционной решетки, а также детально проанализировал оптические свойства спектроскопов.

В 1885 году ученый предсказал существование особого вида поверхностных волн – «волн Рэлея».

В 1879 году он стал преемником Джеймса Клерка Максвелла на посту профессора экспериментальной физики и должности директора Кавендишской лаборатории в Кембридже. Рэлей стал вторым директором знаменитой лаборатории.

Его настойчивые и изысканные опыты принесли ему славу великого экспериментатора. Рэлей тщательно и терпеливо в течение пяти лет осуществлял эксперименты и переопределял стандарты различных электрических единиц сопротивления, электродвижущей силы и т. д. На момент ухода знаменитого ученого из Кембриджа были определены стандарты вольта, ома, ампера и других электрических единиц.

В Кембридже лорд Рэлей показал себя прекрасным преподавателем и руководителем. Под его активным контролем была разработана система лабораторных работ по элементарной физике, которая используется до сих пор в Кембридже. В ту пору это был революционный шаг в методике обучения. Через некоторое время изобретением Рэлея начали пользоваться почти все университеты Великобритании.

После пяти лет напряженной работы в 1874 году Джон Уильям Стретт оставил Кембридж и продолжил научные исследования в своем имении в Терлинг-Плейсе, где он оборудовал высококлассную лабораторию. В этой лаборатории ученый совершал свои грандиозные открытия до самой смерти.

С 1887 по 1905 год Стретт работал профессором физики (натурфилософии) в основанной еще в 1799 году Королевской ассоциации Великобритании, став на этом посту преемником Тиндалла.

Знаменитый ученый всегда занимался одновременно несколькими научными исследованиями. Сфера его научных интересов включала целый ряд областей физики, включая акустику, волновую теорию, цветовое изображение, электродинамику, электромагнетизм, рассеяние света, механику, термодинамику, гидродинамику, плотность газов, вязкость, капиллярность, вибрацию пластичных сред и фотографию.

Джон Уильям был идеологом и конструктором различных приборов и инструментов. Он создал рефрактометр, дифференциальный манометр, прибор для измерения громкости звука и т. д. Имя знаменитого ученого носят различные физические законы, понятия, явления, приборы, среди которых диск Рэлея, интерферометр Рэлея, рэлеевское рассеяние света, волны Рэлея, закон намагничивания Рэлея и др.

В 1877–1878 годах была напечатана фундаментальная двухтомная монография ученого «Теория звука», ставшая впоследствии классическим руководством для студентов, инженеров-акустиков и ученых.

Множество его научных работ было напечатано в «Научных статьях» – шеститомном фундаментальном издании 1889–1920 годов. В своих более поздних работах Джон Уильям сосредоточился на электрических и магнитных проблемах, но главную популярность и Нобелевскую премию Рэлею принесла работа совсем в другой области физики.

В то время ученые полагали, что природа воздуха им полностью известна. Еще в 1775 году Генри Кавендиш провел ряд исследований структуры воздуха. Знаменитый ученый окислял азот в воздухе с помощью электрического разряда и в результате обнаружил, что оставалось небольшое количество газа, которое не поддавалось окислению. Гениальный физик предположил, что кроме азота и кислорода в воздухе находится еще какой-то инертный, бесцветный, нерастворимый газ без запаха, но ученый мир не обратил внимания на его исследования.

В начале 90-х годов XIX века Рэлей заинтересовался плотностями основных газов атмосферы. Он провел свои собственные исследования в данной области и заметил разницу в плотностях азота, получаемого в результате химического синтеза, и азота, выделенного из воздуха путем удаления других известных его компонентов. Плотность азота из воздуха неизменно превышала на одну и ту же величину (1/230) плотность азота, выделенного из аммиака (вес 1 литра азота из аммиака был 1,2505 г, а вес азота из воздуха равнялся 1,2572 г).

Рэлей выдвинул гипотезу, что разницу в плотностях можно объяснить присутствием в воздухе неизвестного науке газа и что полученный из воздуха азот не является чистым. В своей статье 1892 года в журнале «Природа» он поведал о результатах своих опытов и попросил читателей предложить объяснение полученным данным, но никто так и не смог ответить на вопрос Рэлея.

19 апреля 1894 года знаменитый физик читал лекцию в Королевском обществе, которую посетил Уильям Рамзай. Рамзая заинтересовали опыты лорда Рэлея, и в результате ученые договорились продолжить исследования в данном направлении.

Рамзай провел серию эффективных крупномасштабных экспериментов, во время которых удалял из воздуха кислород, а оставшийся атмосферный азот пропускал несколько раз через нагретый магний. В результате этих экспериментов получался твердый нитрид магния и небольшое количество (около 1/80) инертного газа. При спектроскопическом анализе кроме линий азота наблюдались линии неизвестного газа.