Вопрос о цвете неба был привлекателен для многих физиков. Ученый Брюкке написал работу «Моделирование голубого цвета неба», у Д. Тиндаля есть работа «О голубом цвете неба, поляризации света облачным веществом вообще». Но первым, кто создал стройную и строгую математическую теорию молекулярного рассеяния света в атмосфере, был английский ученый Рэлей.
Он считал, что рассеяние света происходит не на примесях, как это думали его предшественники, а на молекулах воздуха. Первая работа Рэлея была опубликована в 1871 г. В окончательном варианте его теория рассеяния, основанная на электромагнитной природе света, была изложена в 1899 г. в работе «О свете от неба, его поляризации и цвете». Интересно, что полное имя Рэлея — Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей III, но его иногда в шутку называли Рэлеем Рассеивающим, а его сын — лорд Рэлей IV — также занимался физикой световых явлений, но он получил другое прозвище — Рэлей Атмосферный.
Вывод теории Рэлея был таков: яркость, или интенсивность рассеянного света, изменяется обратно пропорционально четвертой степени длины волны света, падающего на рассеивающую частицу. Таким образом, молекулярное рассеяние чрезвычайно чувствительно к малейшему изменению длины волны света. Например, длина волны фиолетовых лучей (0,4 мкм) примерно в два раза меньше длины волны красных (0,8 мкм). Поэтому фиолетовые лучи будут рассеиваться в 16 раз сильнее, чем красные, и при равной интенсивности падающих лучей их в рассеянном свете будет в 16 раз больше. Все остальные цветные лучи видимого спектра (синие, голубые, зеленые, желтые, оранжевые) войдут в состав рассеянного света в количествах, обратно пропорциональных четвертой степени длины волны каждого из них. Если теперь все цветные рассеянные лучи смешать в таком соотношении, то цвет смеси рассеянных лучей будет голубым.
Прямой солнечный свет, то есть свет, исходящий непосредственно от солнечного диска, теряет за счет рассеяния в основном синие и фиолетовые лучи. Им приобретается слабый желтоватый оттенок, который усиливается при приближении диска Солнца к горизонту. Но вблизи горизонта лучам приходится проходить все больший и больший путь. На длинном пути потери коротковолновых (то есть фиолетовых, синих, голубых) лучей становятся все более заметными, и в прямом свете Солнца или Луны до поверхности Земли доходят преимущественно длинноволновые лучи — красные, оранжевые, желтые. Поэтому цвет Солнца и Луны становится сначала желтым, затем оранжевым и красным. Красный цвет Солнца и голубой цвет неба — это два следствия одного и того же процесса рассеяния. Так теория Рэлея очень наглядно и убедительно объяснила вековую загадку небесных красок.