印度天才被政策逼迫弃理学商，却捧回亚洲首个物理诺奖
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发掘你不知道的科技故事（公众号id：SME）2018-09-28 09:25
印度，这片神奇的土地上总是发生一些让我们难以置信的事情。
比如他们的如厕工具一直是左手、肮脏的水也能饮用自如等等。
这些总会让我们误以为印度是一个贫穷落后，缺乏一定科学素养的国度。
所以，我们恐怕很难想象：印度是第一个获得诺贝尔科学奖项的亚洲国家。
这位印度人就是钱德拉塞卡拉·拉曼，于1930年获得诺贝尔物理学奖。
名字太长可能没印象，但小学课本早就给我们分享过他的经历了。
一艘航行在地中海海面的轮船上，小男孩突然问母亲海水为什么是蓝色的呀？
母亲回答不上来只好向刚好在一旁的拉曼求助。
拉曼缓缓蹲下身来告诉小男孩，那是因为它反映了天空的颜色。
回答完之后，拉曼对这个解释产生了怀疑，回去研究后发现了拉曼效应。
结果是小男孩一个天真无邪的问题，竟帮拉曼问鼎了诺贝尔物理奖。
课文最后告诉我们无论任何时候，永远都不要因为“已知”而丧失好奇心。
很遗憾，这一经典的励志故事至今尚无资料证实小男孩是否真实存在。
可这不要紧，现实中的拉曼确实是一个对科学充满好奇，并勇于探索的科学家。
不只如此，在当时英国殖民统治成长的他一直不卑不亢。
就算被迫转行做了十余年财政工作，他也自始至终没有放弃过自己的科研。
诚然，他的个人经历比课文精彩多了，成就也远不止发现海水奥秘那么简单。
图：53年后拉曼的侄子钱德拉塞卡也获得了诺贝尔物理学奖
拉曼，一个从小就天资聪明，物理才能出众的印度男孩。
他16岁从大学毕业，18岁在英国权威杂志《自然》发表物理论文，19岁则就获得硕士学位了。
好巧不巧，一次偶然的生病竟让他丧失了前往英国读博的机会。
似乎像他这样天才来说，这并不是没什么大不了的事儿。
毕竟重新再考或是直接找份科研工作大展抱负，他应该都能轻易办到。
可当时印度正处在英国殖民下，他作为被统治的一员基本没有过多的选择权。
当时就有一项规定：没有去过英国受训，就没有资格在科学文化界任职。
换句话说，只拿着印度本地学校的学历，尽管你是天才也别想有容身之地。
拉曼对此愤懑不平，暗自下定决心日后做出比欧洲人更大的成就。
无奈之下，他也只好选择暂时放弃科研，转而投考国家财政部。
图：殖民统治时的印度
原来当时只有进入财政行业是可以不用前往英国接受教育的。
半路出家的他竟轻松地考取了第一名，还被授予了总会计助理的职务。
自此之后，拉曼乖乖干着财务工作，不久就当上了重要的财政官员。
但他一有空闲时间，就马不停蹄地前往实验室开展他物理方面的研究。
接下来的十多年间，他也获得了成果，屡屡发表了与物理相关的论文。
加尔各答大学的校长对他的科研决心深感敬佩，并于1917年破例邀请他担任物理学教授。
拉曼也毅然辞掉高位，全身心地投入到科学事业当中了。
他心里也明白光靠一己之力是很难振兴整个印度科学的。
除了上课和搞研究之外，他还定期集结各方学者进行讨论，并形成了以自己为核心的印度科学研究中心。
著名的物理学家沙哈（M.N.Saha）和玻色（S.N.Bose）就位列其中。
经过十余年的努力，拉曼在国际科学界建立了名望。
图：印度重要的科学家，拉曼居首位
1921年那一年，年仅33岁的拉曼代表加尔各答大学前往英国讲学了。
周围人认为他既为年少的自己出了口气，也证明了印度人不必非得去英国才能做出成就。
但在当时的拉曼看来，他在科学上的贡献还远远不够，要做出比欧洲人高的成就才行。
恰好在前往英国的途中，拉曼被地中海深邃的蓝色所吸引了。
并非小学课本上描绘的那般生动，但这次航行确实让拉曼想要彻底地搞清楚海水颜色的成因。
原来他年少去海边玩耍时，就发现到了这个独特又好像理所当然的现象。
明明海水眼中是蓝色的，为何偏偏舀起它来却像白开水一样透明无色呢？
拉曼为此查阅了大量资料，才算找到一个由英国物理学家瑞利提出的，大家公认的解释。
瑞利是一位以发现惰性气体举世闻名的大科学家，也发现了著名的瑞利散射。
图：英国物理学家瑞利
我们中学时就学过太阳光是在可见光波长范围内均匀分布的光，具有“红橙黄绿蓝靛紫”七种颜色。
但天空本身也是不会发光，透明无色的。
之所以看到有颜色的天空，是大气层中的气体分子将太阳光散射到了我们的眼中。
这些分子的直径远小于我们可见光的波长，并且在散射阳光时是有选择性的。
图：该图显示在大气中，相比于红光，蓝光散射的比例较大
一般而言，它们的散射强度通常与入射光的波长的四次方成反比。
波长较长的红光，被散射的红光强度就较弱。而波长较短的蓝、紫光，散射强度就强。
由于我们人类的眼睛对紫色光很不敏感，所以我们大多数看到的天空就是蓝色的。
在这基础上，瑞利推断海水的蓝色是反射了天空的颜色导致的。
散射的蓝光是偏振的。右边的图像是通过偏振滤光镜拍摄的：偏振器透射在特定方向上线性偏振的光。
可拉曼分明发现，很多时候海水的蓝甚至比天空的蓝色更深，又怎能说是反射导致的呢？
瑞利的解释显然证据不足，不足以使人信服。所以，这次拉曼决定从零开始进行研究。
他用尼科尔棱镜、光栅等进行分析海水后，结果证明海水的颜色并不是天空反射的，而是海水本身的一种性质。
他将这些成果于撰写成一篇论文，于1922年《英国皇家学会会报》上发表。
论文最后写道，瑞利关于蓝色天空的结论是正确的，但对蓝色海水的解释不合理。
同时，拉曼发现光的散射远不止那么简单，有必要好好研究一番。
可在不少英国科学家看来，拉曼更像是做不出成就还故意挑刺的科学家。
但拉曼坚信自己的直觉是对的，全力研究光经过固体、液体和气体等物质时发生的散射现象。
他们反复改变光源、透镜、检测器等来对实验结果进行验证。
只是他们的实验条件实在简陋，不外乎就是使用简单水银灯、聚光透镜、分光计、滤色镜等。
但就是这些加起来价值只有几十美元的器材，便做出一种重大的科学发现。
1928年的一天，拉曼终于做出了一个在光学上具有重要意义的实验。
他们发现分光镜里看到在蓝光和绿光的区域里，有两根以上的尖锐亮线；这两根线的波长比入射光频率更低。
综合长期以来的实验，他得出一个结论：光线照射到样品表面时，物质中的分子吸收了部分能量，发生不同方式和程度的振动，然后散射出较低频率的光。
之后，拉曼在印度科学协会成立大会上，作了以《一种新的辐射》为题的报告。
报告中详细介绍了发现及理论解释。
除了描述新辐射的特点外，拉曼还采用了量子理论对其进行准确说明。
20世纪初，伴随着普朗克光量子假设的出现，牛顿的光粒子性学说又开始复苏。
自1924年康普顿效应发现后，海森堡就曾于1925年预言在可见光中可能也有类似的效应存在。
而拉曼居然在这个预言之前早就已开始了关于光散射的研究，并得到了确凿的结论。
图：当高能光子（如伽马或X射线光子）像电子一样撞击带电粒子时，由于非弹性碰撞，光子会失去一些能量而电子会散射。这种由光子引起的电子非弹性散射过程称为康普顿散射，这种现象称为康普顿效应
作为量子理论最有力的证据之一，拉曼的新发现很快就被各国科学家接受。
不久之后，英国物理学家普林赛姆提议将这一发现称为“拉曼效应”。
简单地来说，拉曼效应讲了一种现象：假如有一束频率为u的光线入射到某种介质。除了部分被吸收之外，其他的光线将被介质的分子散射。
而这种散射线一般分为两种情况：一种是散射后频率保持不变，仍为u，因而光线的颜色也保持不变，即是瑞利散射。
但还有另外一种情况是是散射线的频率变化为v，颜色也有了一定的改变，这也就是所谓的拉曼散射。
此后，拉曼效应传遍全世界，引起国际科学界极大关注和高度评价。
当然，这也让当时的英国政府对印度的科研水平刮目相看，英国皇家学会将之称为“（十九世纪）二十年代实验物理学最卓越的三四个发现之一（《今日科学》杂志）”。
在之后的10年中，与拉曼效应相关的论文总数超过了2000篇，所研究的各种化合物达到了2500种以上。
可以发现，拉曼效应在研究分子结构和化学成分方面的重大作用。
在此之前，分子振动能谱和转动能谱的测量是采用红外区的吸收来进行的。
但这种测量是异常困难的，只有屈指可数的顶级实验室才能开展这方面的研究。
当时大多数光谱学家亟需新方法来打开这一领域的大门。
而利用拉曼光谱，能将红外区的分子能谱移到可见光区进行观测。
自此之后，普通级别的实验室也有能力开展分子光谱的研究了。
不光如此，它还广泛适用于矿物质，聚合物、陶瓷、细胞，蛋白质等物质的研究。
有人统计，在1977到1982这短短的五年中，光是《化学文摘》上标有拉曼一词的论文就高达10384篇*。其研究的重要性和广泛性可见一斑。
注：数据来源《震惊世界的100个科学发现》
图：当年诺奖典礼
拉曼的发现不仅为研究物理结构提供了有效的手段，也为打开了新世界的大门。
正因如此，一直是印度籍的拉曼也于1930年被授予诺贝尔物理学奖，成为第一个荣获诺贝尔科学奖项的亚洲人。
据说，当时得知获奖消息后，正在专心工作的拉曼只是平淡地问了一句话：“是我独享，还是必须与其他人分享？”
当然，拉曼是当年唯一的获奖人。
*参考资料
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.
书籍：《震惊世界的科学发现》
《拉曼，土生土长的科学家》，王大明、郭振华编。
