Вдохновение на судне: как индийский физик прошёл путь к Нобелевской премии

28 февраля каждого года Индия отмечает Национальный день науки. Этот праздник посвящён одному из самых славных моментов в истории индийской науки — открытию эффекта комбинационного или рамановского рассеяния света. А началось всё в 1921 году, когда индийский физик Чандрасекхара Венката Раман возвращался на корабле из Англии и размышлял над тем, почему море синее.

Чандрасекхара Венката Раман в 1930 году.
Чандрасекхара Венката Раман в 1930 году.

Отказаться от государственной службы ради физики

Чандрасекхара Венката Раман родился в ноябре 1888 года в Британской Индии. В детстве добрый и отзывчивый мальчик страдал из-за слабого здоровья: болезни возникали у него одна за другой. Тем не менее, когда Раману исполнилось 13 лет, он поступил в Президентский колледж в Мадрасе, где его отец читал лекции по физике и математике. Через два года юноша получил степень бакалавра, а ещё через три — магистра. Будучи студентом, Раман увлёкся исследованиями в области оптики и акустики. Преподаватели обожали талантливого юношу и считали, что его ждёт большое будущее. После окончания колледжа молодой человек женился на девушке, которая родила ему двух сыновей. Один из них впоследствии стал астрономом.

Раману очень нравилось заниматься наукой, но в те годы в Британской Индии для учёного было мало перспектив. Поэтому после получения двух степеней физик сдал экзамен в области финансов для приёма на государственную службу и устроился на работу в правительство на должность помощника бухгалтера. Но он не бросил занятий наукой – в свободное время Раман проводил исследования на базе Индийской ассоциации содействия развитию науки в Калькутте. Его необычные опыты включали изучение физики скрипки, струнных индийских инструментов и индийских барабанов. А ещё учёный прославился научно-популярными лекциями, которые читал для простых людей.

В 1917 году Раману предложили стать заведующим кафедры физики Калькуттского университета. Для вступления в должность ему пришлось уволиться с престижной и хорошо оплачиваемой государственной службы. Зато теперь у физика появилась возможность уделять всё свободное время науке.

Вдохновение на борту судна

В 1921 году Раман отправился в Англию, где познакомился с выдающимися британскими физиками. Покинув Англию в сентябре 1921 года, учёный возвращался в Бомбей на борту судна SS Narkunda. Именно в это время он начал размышлять над ярким синим цветом Средиземного моря. Британский физик и механик лорд Рэлей, который за 50 лет до этого объяснил голубой цвет неба упругим рассеянием света в атмосфере, предположил, что синий цвет моря был просто отражением неба. Но Раман в этом сомневался.

На борту судна у Рамана было с собой простое оптическое оборудование, в том числе карманный спектроскоп и призма. С их помощью он провёл простое исследование воды и убедился, что её молекулы рассеивают свет так же, как и молекулы воздуха. Он отправил сообщение об этом наблюдении в журнал Nature сразу после прибытия в порт Бомбея.

Вдохновлённый этим озарением на борту судна, вернувшись в лабораторию в Калькутте, Раман вместе со своей исследовательской группой углубился в изучение рассеяния света.

В 1922 году Артур Комптон обнаружил, что рентгеновские лучи могут терять энергию и, следовательно, увеличивать свою длину волны при неупругих столкновениях с электронами. Раман был уверен, что нечто похожее на эффект Комптона могло происходить и с электромагнитными волнами видимого диапазона.

Ч. В. Раман в лаборатории.
Ч. В. Раман в лаборатории.

В Калькутте Раман и его группа провели несколько простых опытов по рассеянию света в различных жидкостях. В качестве источника света они изначально использовали солнечный свет, благо в Калькутте его было в изобилии. С помощью цветного фильтра учёные выделяли сине-фиолетовый свет, который затем пропускали через жидкости. Чтобы заметить изменение цвета рассеянного света они использовали жёлто-зелёный и другие цветные фильтры. Эффект, однако, был слабым и трудноразличимым, поэтому учёные стали искать более интенсивный источник света. В конце концов исследовательский центр приобрёл семидюймовый телескоп, с помощью которого Раман концентрировал солнечный свет. С его помощью, даже используя довольно простую установку, 28 февраля 1928 года его группа смогла однозначно обнаружить изменения в цвете рассеянного жидкостями света.

Путь к Нобелевской премии

Раман также показал, что рассеянный свет поляризован. Это позволило ему однозначно утверждать, что это новый эффект рассеяния, а не флуоресценция. Вместе со своим студентом К. С. Кришнаном он отправил краткое сообщение под названием «Новый тип вторичного излучения» в журнал Nature. В заметке содержался отчёт об исследовании эффекта рассеяния в шестидесяти жидкостях. Вскоре после этого Раман измерил точные длины волн падающего и рассеянного света с помощью спектроскопа и представил количественные результаты на лекции в Южно-индийской научной ассоциации и в статье в журнале Indian Journal of Physics.

Параллельно и другие учёные занимались исследованием рассеяния света. Например, советские физики Григорий Ландсберг и Леонид Мандельштам в 1925 году наблюдали рассеяние света в кварце. Сначала их работу осложняло низкое качество кварца, изобилующего примесями, но в 1928 году им удалось получить достаточно чистый образец кварца. 21 февраля 1928 года, за неделю до Рамана, учёные добились того же эффекта рассеяния, что и Раман в жидкостях. Но отчёт о своих результатах они представили только в апреле, на конференции в Москве. Это промедление, возможно, стоило им Нобелевской премии (подробнее об этой истории можно почитать, например, в статье И. Л. Фабелинского в УФН).

Физики быстро признали важность эффекта Рамана. Он послужил ещё одним доказательством верности представлений о квантовой природы света. А уже через несколько лет после открытия метод рамановской спектроскопии стал одним из стандартных методов химического анализа.

Раман получил Нобелевскую премию за своё открытие в 1930 году. Всю денежную часть награды он потратил на строительство научно-исследовательского института в Бангалоре.

В 1929 году по решению Британского правительства учёный был посвящён в рыцари. Позже Раман стал директором Индийского научного института и основал Рамановский исследовательский институт в Бангалоре. Он умер в 1970 году.

Ч. В. Раман в 1962 году в Рамановском исследовательском институте в Бангалоре.
Ч. В. Раман в 1962 году в Рамановском исследовательском институте в Бангалоре.

Перевод: Екатерина Шутова

Источник: February 1928: Raman scattering discovered // APS This Month in Physics History

comments powered by Disqus