高关中
发现喇曼效应的物理学家 精选
2024-10-9 04:26
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作者 高关中(德国汉堡)2024/10/7

在人们的印象中,印度科技水平一般,实际上在发展中国家处于领先地位。早在1930年,印度就涌现出亚洲第一个诺贝尔物理学奖得主,这就是錢德拉塞卡拉·喇曼(Chandrasekhara Venkata Raman,1888-1970)。他也是非白人获得的首个诺贝尔科学奖得主,一时轰动了世界。

1888年11月7日喇曼出生于印度南部蒂鲁吉拉伯利(Tiruchirappalli,今属泰米尔纳德)。这是一个泰米尔婆罗门家庭,他在全家八个孩子中排行老二。父亲是数学和物理教师,对他自幼进行科学启蒙教育。喇曼是个神童,13岁就在教会创办的圣阿洛伊修斯英印高中(St Aloysius' Anglo-Indian High School)毕业,该校设在安得拉邦大城维沙卡帕特南Visakhapatnam)。

喇曼于1902年进入马德拉斯大学(位于金奈)读书。16岁大学毕业,以第一名获物理学金奖。3年后,他又以最佳成绩获得了硕士学位。研究生期间他就在英国权威科学刊物《哲学杂志》(Philosophical Magazine)发表了一篇论文《矩形孔产生的非对称衍射带》(Unsymmetrical diffraction bands due to a rectangular aperture),以此为起点,喇曼开始了在科学园地里绵延半个多世纪的辛勤耕耘。

他在同一期刊上发表的第二篇论文是关于液体表面张力的。这些论文引起英国诺奖物理学家瑞利(John Rayleigh,1842-1919)的重视。瑞利开始与喇曼通信交流,礼貌地称他为教授,殊不知喇曼还是个十八九岁的毛头小伙子。

印度当时是殖民地,印度人很难进入学术界,又没有条件出国留学,于是喇曼参加公务员考试,以第一名的成绩在英印财政部找了一份工作。1907 年 6 月,他被派往加尔各答担任总会计师助理。正是在这里,他造访了印度科学培养协会(Indian Association for the Cultivation of Science,IACS),印象很不错。该协会是印度第一个研究机构,于 1876 年成立,里面有实验室。喇曼获准在此利用业余时间开展他的声学和光学研究。从此他度过了整整十年专业公务员,业余科学家的生涯。

从1909到1915年,喇曼调往缅甸等地工作,晋升为总会计师,并再次被派往加尔各答。1915 年起,加尔各答大学开始聘请喇曼协助培养研究生。从第二年开始,其他大学也纷纷效仿,包括安拉阿巴德大学(又译阿拉哈巴德大学)、马德拉斯大学和缅甸仰光大学。到 1919 年,喇曼已经指导了十多名学生。他将这段时期称为自己一生的“黄金时代”。

1917年喇曼终于被加尔各答大学正式聘为物理学教授,结束了公务员的职业。加尔各答大学是印度最著名的学府之一,创办于1857年,与孟买和马德拉斯大学并列为印度3所历史最悠久,规模最大的综合性学府。这所名校之中,有不少人强烈反对喇曼担任教授,因为喇曼没有博士学位,也从未出国留学过。但他早已声名鹊起,访问牛津时,他受邀发表演讲。诺贝尔奖得主J. J.汤姆生和卢瑟福也来招待他。1924 年,喇曼当选为英国皇家学会会员。有人问他未来计划,他回答说:“当然是诺贝尔奖了。”

这可不是吹牛,他有这个底气。1926 年,喇曼创办了《印度物理学报》,并担任第一任主编。该期刊的第二卷发表了他著名的文章《一种新的辐射》,报道了喇曼效应的发现。就凭这一发现,喇曼获得了1930年度的诺贝尔物理学奖。

什么是喇曼效应(Raman effect)呢?它也叫喇曼散射(Raman scattering),1928年由印度物理学家喇曼发现,指光波在被散射后频率发生变化的现象。当光子打到直径大于自己波长的粒子时,会与其碰撞,导致行径方向偏折。其中多数的光子,都是发生弹性碰撞,故散射出来的光子,跟射入前的光子,波长、频率与能量相同,称为瑞利散射。然而,有一小部分散射的光子(约千万分之一)和介质分子之间发生非弹性碰撞,出现能量交换,故散射后的波长、频率与能量会产生变化,称为喇曼散射。

听起来很高深,那么有什么实际应用呢?说起来,喇曼散射的应用还真不少。它广泛应用于物质的结构分析、化学成分分析、生物医学检测等领域。 例如,通过喇曼散射可以分析材料的晶体结构,可以用于矿物鉴定、材料科学等领域;通过喇曼散射可以分析化学物质的成分,可以用于环境监测、食品安全检测等领域;通过喇曼散射可以分析生物组织的结构和成分,可以用于疾病诊断、生物医学研究等领域。

喇曼还发表过解释海水为何呈蓝色的论文。他于1926年创办了《印度物理学报》(Indian Journal of Physics)。

1933 年,喇曼南下班加罗尔,应聘担任印度科学学院(Indian Institute of Science)院长和物理系主任。这所学院有人译为印度科学研究所,其实它是印度历史最悠久的科研型大学,创办于1909年,亦称塔塔学院,因塔塔财团捐资而建成。

1935年,喇曼和其他学者一起创建了印度科学院(India Academy of Sciences),设在班加罗尔。他亲任创始院长。并持续活跃其中。

1948 年喇曼退休之后,创办喇曼研究所,并担任所长,该研究所由他亲自建立和管理,至今仍为印度最重要的科研机构之一。

晚年喇曼致力于对花卉进行光谱分析。在他80寿辰时,出版了他的专集:《视觉生理学》。喇曼喜爱玫瑰胜于一切,他拥有一座玫瑰花园。1970年11月21日喇曼在班加罗尔逝世,享年82岁,按照他生前的意愿火葬于他的花园里。

印度将每年的2月28日定为国家科学日,以纪念他在1928年所发现的喇曼效应。喇曼是印度人民的骄傲,被誉为一代科学宗师,也为第三世界的科学家作出了榜样。他大半生处于独立前的印度,竟取得了如此突出的成就,实在令人钦佩。特别是喇曼是印度国内培养的科学家,他一直立足于印度国内,发愤图强,艰苦创业,建立了有特色的科学研究中心,走到了世界的前列。

喇曼在发展印度的科学事业上立下了丰功伟绩。今天印度已成为第三世界的科技强国之一。特别是在原子能研究和航天领域。1957年,印度原子能之父巴巴(Homi Jehangir Bhabha,1910-1966,因空难而逝)在孟买建立了印度第一个原子能研究所(位于Trombay),现名巴巴原子研究中心,为印度最大的核能研究和开发基地,拥有科学家工程师3000余人,职工1.2万人,建有5座核反应堆。

在印度半岛南端有个大城叫特里凡得琅(Trivandrum,喀拉拉邦的首府),又名蒂鲁瓦纳塔帕拉姆(Thiruvananthapuram),已发展为印度最大的的空间技术中心。著名的维克拉姆·萨拉巴伊中心(Vikram Sarabhai Space Centre)就设在这里,以已故印度空间之父萨拉巴伊(1919-1971)的名字命名)。下分7个机构:即空间科技中心,顿巴赤道发射场,火箭制造厂,火箭推进实验厂,火箭燃料厂,强化塑料中心和高氯化氨实验厂。该中心致力于探测火箭,卫星运载火箭,卫星推进系统,控制导航系统,有关地面设施,测试设施及推进剂的设计研制和生产,为印度成为航天大国立下了汗马功劳。早在1980年,印度就首次用自制推进系统发射了卫星。如今已多次发射通信卫星和遥感卫星。 

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