印度天才被政策逼迫棄理學商,卻捧回亞洲首個物理諾獎_風聞
SME科技故事-发掘你不知道的科技故事(公众号id:SME)2018-09-28 09:25
印度,這片神奇的土地上總是發生一些讓我們難以置信的事情。
比如他們的如廁工具一直是左手、骯髒的水也能飲用自如等等。
這些總會讓我們誤以為印度是一個貧窮落後,缺乏一定科學素養的國度。
所以,我們恐怕很難想象:印度是第一個獲得諾貝爾科學獎項的亞洲國家。
這位印度人就是錢德拉塞卡拉·拉曼,於1930年獲得諾貝爾物理學獎。
名字太長可能沒印象,但小學課本早就給我們分享過他的經歷了。
一艘航行在地中海海面的輪船上,小男孩突然問母親海水為什麼是藍色的呀?
母親回答不上來只好向剛好在一旁的拉曼求助。
拉曼緩緩蹲下身來告訴小男孩,那是因為它反映了天空的顏色。
回答完之後,拉曼對這個解釋產生了懷疑,回去研究後發現了拉曼效應。
結果是小男孩一個天真無邪的問題,竟幫拉曼問鼎了諾貝爾物理獎。
課文最後告訴我們無論任何時候,永遠都不要因為“已知”而喪失好奇心。
很遺憾,這一經典的勵志故事至今尚無資料證實小男孩是否真實存在。
可這不要緊,現實中的拉曼確實是一個對科學充滿好奇,並勇於探索的科學家。
不只如此,在當時英國殖民統治成長的他一直不卑不亢。
就算被迫轉行做了十餘年財政工作,他也自始至終沒有放棄過自己的科研。
誠然,他的個人經歷比課文精彩多了,成就也遠不止發現海水奧秘那麼簡單。
圖:53年後拉曼的侄子錢德拉塞卡也獲得了諾貝爾物理學獎
拉曼,一個從小就天資聰明,物理才能出眾的印度男孩。
他16歲從大學畢業,18歲在英國權威雜誌《自然》發表物理論文,19歲則就獲得碩士學位了。
好巧不巧,一次偶然的生病竟讓他喪失了前往英國讀博的機會。
似乎像他這樣天才來説,這並不是沒什麼大不了的事兒。
畢竟重新再考或是直接找份科研工作大展抱負,他應該都能輕易辦到。
可當時印度正處在英國殖民下,他作為被統治的一員基本沒有過多的選擇權。
當時就有一項規定:沒有去過英國受訓,就沒有資格在科學文化界任職。
換句話説,只拿着印度本地學校的學歷,儘管你是天才也別想有容身之地。
拉曼對此憤懣不平,暗自下定決心日後做出比歐洲人更大的成就。
無奈之下,他也只好選擇暫時放棄科研,轉而投考國家財政部。
圖:殖民統治時的印度
原來當時只有進入財政行業是可以不用前往英國接受教育的。
半路出家的他竟輕鬆地考取了第一名,還被授予了總會計助理的職務。
自此之後,拉曼乖乖幹着財務工作,不久就當上了重要的財政官員。
但他一有空閒時間,就馬不停蹄地前往實驗室開展他物理方面的研究。
接下來的十多年間,他也獲得了成果,屢屢發表了與物理相關的論文。
加爾各答大學的校長對他的科研決心深感敬佩,並於1917年破例邀請他擔任物理學教授。
拉曼也毅然辭掉高位,全身心地投入到科學事業當中了。
他心裏也明白光靠一己之力是很難振興整個印度科學的。
除了上課和搞研究之外,他還定期集結各方學者進行討論,並形成了以自己為核心的印度科學研究中心。
著名的物理學家沙哈(M.N.Saha)和玻色(S.N.Bose)就位列其中。
經過十餘年的努力,拉曼在國際科學界建立了名望。
圖:印度重要的科學家,拉曼居首位
1921年那一年,年僅33歲的拉曼代表加爾各答大學前往英國講學了。
周圍人認為他既為年少的自己出了口氣,也證明了印度人不必非得去英國才能做出成就。
但在當時的拉曼看來,他在科學上的貢獻還遠遠不夠,要做出比歐洲人高的成就才行。
恰好在前往英國的途中,拉曼被地中海深邃的藍色所吸引了。
並非小學課本上描繪的那般生動,但這次航行確實讓拉曼想要徹底地搞清楚海水顏色的成因。
原來他年少去海邊玩耍時,就發現到了這個獨特又好像理所當然的現象。
明明海水眼中是藍色的,為何偏偏舀起它來卻像白開水一樣透明無色呢?
拉曼為此查閲了大量資料,才算找到一個由英國物理學家瑞利提出的,大家公認的解釋。
瑞利是一位以發現惰性氣體舉世聞名的大科學家,也發現了著名的瑞利散射。
圖:英國物理學家瑞利
我們中學時就學過太陽光是在可見光波長範圍內均勻分佈的光,具有“紅橙黃綠藍靛紫”七種顏色。
但天空本身也是不會發光,透明無色的。
之所以看到有顏色的天空,是大氣層中的氣體分子將太陽光散射到了我們的眼中。
這些分子的直徑遠小於我們可見光的波長,並且在散射陽光時是有選擇性的。
圖:該圖顯示在大氣中,相比於紅光,藍光散射的比例較大
一般而言,它們的散射強度通常與入射光的波長的四次方成反比。
波長較長的紅光,被散射的紅光強度就較弱。而波長較短的藍、紫光,散射強度就強。
由於我們人類的眼睛對紫色光很不敏感,所以我們大多數看到的天空就是藍色的。
在這基礎上,瑞利推斷海水的藍色是反射了天空的顏色導致的。
散射的藍光是偏振的。右邊的圖像是通過偏振濾光鏡拍攝的:偏振器透射在特定方向上線性偏振的光。
可拉曼分明發現,很多時候海水的藍甚至比天空的藍色更深,又怎能説是反射導致的呢?
瑞利的解釋顯然證據不足,不足以使人信服。所以,這次拉曼決定從零開始進行研究。
他用尼科爾稜鏡、光柵等進行分析海水後,結果證明海水的顏色並不是天空反射的,而是海水本身的一種性質。
他將這些成果於撰寫成一篇論文,於1922年《英國皇家學會會報》上發表。
論文最後寫道,瑞利關於藍色天空的結論是正確的,但對藍色海水的解釋不合理。
同時,拉曼發現光的散射遠不止那麼簡單,有必要好好研究一番。
可在不少英國科學家看來,拉曼更像是做不出成就還故意挑刺的科學家。
但拉曼堅信自己的直覺是對的,全力研究光經過固體、液體和氣體等物質時發生的散射現象。
他們反覆改變光源、透鏡、檢測器等來對實驗結果進行驗證。
只是他們的實驗條件實在簡陋,不外乎就是使用簡單水銀燈、聚光透鏡、分光計、濾色鏡等。
但就是這些加起來價值只有幾十美元的器材,便做出一種重大的科學發現。
1928年的一天,拉曼終於做出了一個在光學上具有重要意義的實驗。
他們發現分光鏡裏看到在藍光和綠光的區域裏,有兩根以上的尖鋭亮線;這兩根線的波長比入射光頻率更低。
綜合長期以來的實驗,他得出一個結論:光線照射到樣品表面時,物質中的分子吸收了部分能量,發生不同方式和程度的振動,然後散射出較低頻率的光。
之後,拉曼在印度科學協會成立大會上,作了以《一種新的輻射》為題的報告。
報告中詳細介紹了發現及理論解釋。
除了描述新輻射的特點外,拉曼還採用了量子理論對其進行準確説明。
20世紀初,伴隨着普朗克光量子假設的出現,牛頓的光粒子性學説又開始復甦。
自1924年康普頓效應發現後,海森堡就曾於1925年預言在可見光中可能也有類似的效應存在。
而拉曼居然在這個預言之前早就已開始了關於光散射的研究,並得到了確鑿的結論。
圖:當高能光子(如伽馬或X射線光子)像電子一樣撞擊帶電粒子時,由於非彈性碰撞,光子會失去一些能量而電子會散射。這種由光子引起的電子非彈性散射過程稱為康普頓散射,這種現象稱為康普頓效應
作為量子理論最有力的證據之一,拉曼的新發現很快就被各國科學家接受。
不久之後,英國物理學家普林賽姆提議將這一發現稱為“拉曼效應”。
簡單地來説,拉曼效應講了一種現象:假如有一束頻率為u的光線入射到某種介質。除了部分被吸收之外,其他的光線將被介質的分子散射。
而這種散射線一般分為兩種情況:一種是散射後頻率保持不變,仍為u,因而光線的顏色也保持不變,即是瑞利散射。
但還有另外一種情況是是散射線的頻率變化為v,顏色也有了一定的改變,這也就是所謂的拉曼散射。
此後,拉曼效應傳遍全世界,引起國際科學界極大關注和高度評價。
當然,這也讓當時的英國政府對印度的科研水平刮目相看,英國皇家學會將之稱為“(十九世紀)二十年代實驗物理學最卓越的三四個發現之一(《今日科學》雜誌)”。
在之後的10年中,與拉曼效應相關的論文總數超過了2000篇,所研究的各種化合物達到了2500種以上。
可以發現,拉曼效應在研究分子結構和化學成分方面的重大作用。
在此之前,分子振動能譜和轉動能譜的測量是採用紅外區的吸收來進行的。
但這種測量是異常困難的,只有屈指可數的頂級實驗室才能開展這方面的研究。
當時大多數光譜學家亟需新方法來打開這一領域的大門。
而利用拉曼光譜,能將紅外區的分子能譜移到可見光區進行觀測。
自此之後,普通級別的實驗室也有能力開展分子光譜的研究了。
不光如此,它還廣泛適用於礦物質,聚合物、陶瓷、細胞,蛋白質等物質的研究。
有人統計,在1977到1982這短短的五年中,光是《化學文摘》上標有拉曼一詞的論文就高達10384篇*。其研究的重要性和廣泛性可見一斑。
注:數據來源《震驚世界的100個科學發現》
圖:當年諾獎典禮
拉曼的發現不僅為研究物理結構提供了有效的手段,也為打開了新世界的大門。
正因如此,一直是印度籍的****拉曼也於1930年被授予諾貝爾物理學獎,成為第一個榮獲諾貝爾科學獎項的亞洲人。
據説,當時得知獲獎消息後,正在專心工作的拉曼只是平淡地問了一句話:“是我獨享,還是必須與其他人分享?”
當然,拉曼是當年唯一的獲獎人。
*參考資料
Sir Chandrasekhara Raman.wikipedia. 26 September 2018, at 02:02 (UTC).
Raman effect.wikipedia. 12 September 2018, at 20:30 (UTC).
The Nobel Prize in Physics 1930 Sir Venkata Raman, Official Nobel prize biography, y, nobelprize.org
Smekal, A. (1923). “Zur Quantentheorie der Dispersion”. Naturwissenschaften.
書籍:《震驚世界的科學發現》
《拉曼,土生土長的科學家》,王大明、郭振華編。
