拉曼:探索蓝色大海的奥秘(上)

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-08

他因光散射方面的研究工作和喇曼效应的发现,获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。666!

  海水是无色透明的,而大海是蓝色的,为什么呢?这个在现代人看来颇为简单,被列入《十万个为什么》的问题,在一个世纪以前,科学家们却搞不清楚,直到一位印度科学家进行深入研究,给出完美答案,他也因此获得诺贝尔奖……

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  1921年夏天,在欧亚大陆与非洲大陆之间的地中海上,一艘豪华轮船缓缓行驶着。蔚蓝苍茫的海面风平浪静。船尾的甲板上,一个八九岁的男孩与母亲正在看海。“大海为什么是蓝色的?”男孩突然发问。慈爱的母亲一时语塞,便向旁边的一位印度籍中年人投去求援的目光。中年人蹲下来,牵着小男孩的手,犹豫了一会儿说:“这是因为海水反射了天空的蓝色。”

蓝色的地中海(网络图)

蓝色的地中海(网络图)

  中年人之所以犹豫,是因为男孩所问的问题,他已经关注有些年头。他计划本次返航回到印度,便全力研究这个问题。

  他叫拉曼,33岁,时任印度的最高学府——加尔各答大学物理学教授。在加尔各答大学,拉曼正常授课外,抓紧时间进行声学和力学研究。他的研究成果引起了英国科学界的注意。当时的印度属于英国的殖民地,拉曼心中燃烧着炽热的爱国主义情怀。他认为欧洲人能办到的事儿,印度人也能办到。                                     

  多年的科学研究中,拉曼对英国物理学家瑞利(注一)关于光的散射(注二)的理论产生了怀疑。瑞利通过实验得出一个结论,即太阳光遇到大气分子后,红色光大部分被吸收,蓝色光大部分被散射,所以天空一般呈蓝色;他进一步推断说,之所以海水没有颜色,看起来是蓝色,是因为反射了天空的颜色。

天空中的蓝色是这样形成的(网络图)

天空中的蓝色是这样形成的(网络图)

  不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的习惯,还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考,拉曼一直对瑞利的推断——大海反射了天空的颜色而变蓝感到怀疑。这种怀疑,一直持续到他代表印度科学界出席在英国牛津召开的英国大学会议,乘船经过地中海,遇到这位好奇的男孩。为了不让男孩失望,他便“借”瑞利的话进行回答。

  话说拉曼答完男孩的问题后,内心总感觉不踏实。他快步回到船舱,翻阅了相关资料;见没有结果,便拿出一台尼科尔棱镜(注三),来到甲板上,仔细观察海面。之所以选用这种镜子,是因为观察从海面反射的光线时,可以消去来自天空的蓝光,这样看到的光就是海水自身的颜色。

尼科尔棱镜示意图(网络图)

尼科尔棱镜示意图(网络图)

  “天啊,海水的颜色居然比天空的蓝色更深,”拉曼小声嘀咕着,“原来,蓝色的大海根本不是反射蓝色的天空,瑞利的话不对。”

  眼见为实,拉曼确认瑞利的第二个问题是错的。可是,由于缺乏更多的实验设备,他只能按捺住好奇心,准备回到印度再研究。一路上,男孩的问题一直萦绕在他脑海,挥之不去。

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  当年9月,刚刚回到加尔各答大学,拉曼便与助手一起探索蓝色大海的奥秘。他用光栅分析海水的颜色,发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更蓝。这进一步说明大海的颜色并非由天空的颜色引起,而是其本身的一种特性。接着,拉曼通过观察光线穿过纯净水及冰块时的散射的实验,得到许多有力的证据,最终取得可喜的成果。可是……科学从来都不会这么容易有结局,欲知后事,敬请关注《拉曼:探索蓝色大海的奥秘(下)》

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