历史编译稿:本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists;具名作者及译者未能从导出稿中核实,原发表日期待核实。
为什么海水是深蓝色的?
英国物理学家瑞利(Lord Rayleigh)曾对此做出解释:深海的蓝色并不是海水的颜色,只不过是天空蓝色被海水反射所致。这个说法曾被科学界的大多数人接受,成为默认的真理。
可是一位印度学者却对此提出质疑,他在前往英国的客轮上通过一套简便的光学仪器对海面进行观测,发现海水的蓝色比天空更深。经过一系列的观察和研究,他向权威真理提出了挑战:海水的颜色并非由天空颜色引起的,而是海水本身的一种性质。
这位印度学者就是拉曼(Chandrasekhara Venkata Raman),出身于印度,科研生涯坎坷波折的拉曼,克服了重重阻碍,怀揣着对科学探索无尽的热忱之心,成为了亚洲首位诺贝尔物理学奖获得者!

天赋异禀的物理天才
钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼于1888年11月7日出生在英属印度马德拉斯管辖区的特里奇诺波利市(今蒂鲁吉拉帕利),位于印度的泰米尔纳德邦。
拉曼的父亲是一名数学和物理学教师。在拉曼出生的时候,这个家庭的收入很低,拉曼是八个孩子中的第二个。
拉曼的家庭是婆罗门:印度教中祭司和学者的种姓。拉曼四岁时,他的父亲找到了一份更好的工作,成为一名大学讲师,全家搬到了瓦尔特尔(今维沙卡帕特南)。
从很小的时候起,拉曼就对科学感兴趣,经常阅读他父亲在学生时代使用过的书籍。随着年龄的增长,他开始从父亲工作的大学图书馆借阅数学和物理书籍。进入青少年时期后,他开始阅读父亲在曾打算攻读物理学硕士学位时购买的书籍。

1903年,年仅14岁的拉曼前往更大的城市马德拉斯(现在的金奈)求学,住在宿舍里,并在加尔各答大学总统学院攻读本科学位。
1904年,拉曼获得本科学位,并在物理学和英文学科表现优异。他的英国讲师鼓励他去英国攻读硕士学位。但是,马德拉斯的医生告诉拉曼,他的健康状况不足以承受英国的气候,建议拉曼留在印度。
这可能是一个很好的建议。因为印度数学家斯里尼瓦瑟·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)就曾在1914年从马德拉斯前往剑桥大学工作,虽然这个选择帮助他在数学方面取得了杰出的成就,但也对拉马努金的健康产生了严重影响。

拉曼选择继续留在加尔各答大学总统学院攻读硕士学位。他出色的潜力得到了认可,被允许不受限制地进入实验室,在那里进行他自己的实验设计。
1906年11月,18岁的拉曼发表了他的第一篇学术论文。他最初将论文交给了一位教授阅读,但那位教授并不理会。于是拉曼把他的论文直接寄给了《哲学杂志》,它被接收了。论文的标题是《矩形孔径引起的不对称衍射带》。
当他的第二篇论文在《哲学杂志》上发表后,拉曼收到了著名英国物理学家瑞利勋爵的一封信。瑞利不知道拉曼只是一个十几岁的学生,写信时将他称为"拉曼教授"。
1907年,19岁的拉曼获得了物理学硕士学位,被授予最高荣誉。

弃理从政,不忘科研初心
虽然拉曼一心想从事科学事业,但他的哥哥却劝他参加公务员考试。印度公务员的工资很高,而拉曼的家庭却深陷债务。
拉曼在加尔各答的印度财政部当了10年的公务员,很快就升到了一个高级职位。他把业余时间全部用于研究声学和乐器理论。加尔各答有一所学术机构,叫印度科学教育协会(IACS),拉曼就在这里的实验室开展他的研究。
IACS之前一直处于空闲状态,直到拉曼偶然发现并着手恢复它。除了研究工作之外,拉曼还在加尔各答举办公开讲座,普及科学知识。

拉曼的兼职研究工作和演讲令人印象深刻,帮助他建立了一个非常有才华的物理学家的良好声誉。1917年,加尔各答大学邀请他担任物理学教员。尽管这意味着工资的大幅削减,但现年28岁的拉曼还是接受了。对他来说,能将所有时间投入到科学中的前景比金钱更有价值。
虽然是研究型教授职位,但拉曼也选择了讲课:他是一个令人兴奋的讲师,他激励着他的学生。

蓝色大海的科学奥秘
1921年夏天的一天,拉曼在地中海的客轮甲板上,准备前往牛津参加英联邦大学会议。他看着地中海美丽的蓝色,开始怀疑起瑞利对大海颜色的解释。
瑞利勋爵曾相信少年拉曼的论文是一位教授的作品,他是那个时代伟大的物理学家之一,曾获得1904年诺贝尔物理学奖。
瑞利曾正确地解释说,天空看起来是蓝色的,是瑞利散射作用下的结果。
如果地球没有大气层,在这种情况下,任何碰巧在周围的人都会看到一个白色的太阳和一个黑色的天空。然而这不是我们所看到的,因为太阳光与地球大气层中的气体产生了相互作用。
阳光不是从太阳直射到我们的眼睛,而是被大气层散射到各个方向。蓝光被散射得最多,这意味着它从天空的各个角落来到我们眼前,因此天空看起来是蓝色的。黄光和红光的散射最少,所以我们会看到有时太阳是黄色的,有时太阳是红色的。
瑞利散射是弹性的,这就意味着:光子与气体分子相互作用时不会失去能量。因此,光线会保持相同的颜色。

1921年9月,乘船返回印度的途中,拉曼,这位不屈不挠的科学家,带着一些简单的物理仪器:一个棱镜、一个微型分光镜和一个衍射光栅。他用这些仪器观测了天空和大海,并得出结论:大海在散射光线。
因此,瑞利所说的大海的颜色只是天空颜色的反射并不完全正确。拉曼在给《自然》杂志的一封信中报告了他的发现。
回到自己的实验室后,拉曼和他的学生开始了对光散射的详尽研究。

拉曼效应的成功发现
1923年,美国圣路易斯的阿瑟·康普顿发表了令人兴奋的新发现:X射线在与电子相互作用时可以失去能量。X射线会将其部分能量捐献给电子,然后携带较少的能量继续前进。换句话说,康普顿证明非弹性散射是可能的。
康普顿因这一发现获得了1927年诺贝尔物理学奖,该发现也被称为康普顿效应。

而拉曼和他的学生仍在继续研究气体、液体和固体中的光散射。
他们使用单色光(经过过滤只留下单一颜色的阳光),并发现各种不同的液体(其中有60种)确实改变了光的颜色。他们在1923年4月首次观察到这一点,但非常微弱。
1928年,他们发现甘油散射的光线有特别强烈的颜色变化:“非常有趣的结果是,散射在高度纯化的甘油样品中的太阳光颜色是一种明亮的绿色,而不是通常的蓝色。”——C.V.拉曼。
拉曼的团队在气体、晶体和玻璃中都观察到了这种效应。这种效应最初被怀疑是荧光(另一种光改变颜色的现象);散射光的偏振提供了重要线索,随后对光谱中移频谱线的观察帮助他们识别出新的散射效应。
这个后来被称为拉曼效应的发现(伴随着偏振的颜色变化)以前从未被观测到。其核心的非弹性散射是对量子理论的进一步、非常有力的确认。

与瑞利散射相比,拉曼效应是一个非常小的效应。一千万个光子中可能只有一个会发生非弹性散射。
拉曼和他的同事K.S. Krishnan于1928年3月在《自然》上报告了他们的发现。
1930年,拉曼因"在光的散射方面的工作和发现以他名字命名的效应"而被授予诺贝尔物理学奖。
"在我看来,在拉曼对光散射现象的长期和耐心研究下产生的这一非常美丽的发现,是量子理论的最佳说服力证明之一。"——罗伯特·威廉姆斯·伍德
"拉曼效应,其解释与量子理论如此吻合,无疑将成为增长我们对原子或分子在转变中的状态认知的重要来源,它们的特征光谱是在这些转变之间发出的。"——尼尔斯-玻尔

加冕殊荣,报效祖国
拉曼还发现:非弹性散射光子的能量可以作为光所散射的物质的"指纹"。因此,拉曼光谱现在在世界各地的化学实验室中被普遍用于识别物质。它也被用于医学研究,以检测活体细胞和组织,并探索癌症识别;是否造成光损伤取决于实验条件,不能笼统保证无害。
1929年,拉曼因发现拉曼效应而被授予爵士称号,成为钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼爵士。

拉曼对自己的能力有极大的信心。他非常确信自己会赢得1930年的诺贝尔奖,以至于在宣布获奖者的前四个月就订好了去瑞典的机票。
1933年,拉曼成为班加罗尔印度科学研究所的第一位印度籍主任。1947年,他成为印度独立后的第一位国家教授。1948年,他在班加罗尔成立了拉曼研究所,在那里一直工作到他生命的最后一刻。
拉曼对政府在基础科学中扮演的角色保持质疑,拒绝政府为他的工作提供资金:"我坚信,基础科学不能被教学、工业和政府或军事压力所驱动。这就是我决定尽可能不接受政府资金的原因。"

爱因斯坦曾这么形容自己:我没有特别的才能,只有强烈的好奇心。永远保持好奇心的人是永远进步的人。
出生于独立前的印度,少年天才,却一度被迫放弃物理的拉曼,依靠着简单的实验设备,和对科学无尽的探索之心,不盲从权威,不气馁妥协,最终成就了科学史上的一大奇迹,成为了亚洲首位获得诺贝尔物理学奖的科学家。
加冕殊荣的拉曼,仍然选择回到祖国,为科学事业奋斗终生!一个传奇,在这里诞生,也在这里落幕!
原文链接:
https://www.famousscientists.org/c-v-raman/
资料来源:《Famous Scientists》
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编辑说明
编辑说明:保留拉曼海色研究的历史叙事;海洋颜色还取决于水对不同波长的吸收及水中物质的散射,不应简化为单一散射机制。将强甘油观察按研究所历史更正为1928年,澄清偏振本身不能单独排除荧光,并将医学应用与“无害”表述限定为需考虑实验条件的研究用途。原稿引述的科学家评论及强度比例保留其原语境。
补充参考资料
Raman Research Institute:拉曼生平与工作
来源与编辑记录
根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。
校订说明:编辑说明:保留拉曼海色研究的历史叙事;海洋颜色还取决于水对不同波长的吸收及水中物质的散射,不应简化为单一散射机制。将强甘油观察按研究所历史更正为1928年,澄清偏振本身不能单独排除荧光,并将医学应用与“无害”表述限定为需考虑实验条件的研究用途。原稿引述的科学家评论及强度比例保留其原语境。