為什麼海水是藍色?背後有個諾貝爾物理學獎得主的故事

為什麼海水是藍色?背後有個諾貝爾物理學獎得主的故事
Photo Credit: Alex @ Flickr CC By 2.0
我們想讓你知道的是

拉曼證明了水分子也會使光線發生散射,使海水顯出顏色的機制與大氣分子散射陽光而使天空呈現藍色的機制完全相同。

文:jfsu|編:cot

常言道:「藍色的大海」,但大海為何是藍的?(當然也有其他顏色)

底下讓我們來談談這位解釋這個問題的老兄,他更因此獲得諾貝爾獎唷!

錢德拉塞卡拉.拉曼爵士(Sir Chandrasekhara Raman, 1888 -1970),印度物理學家。 先撇去他的求學時期,我們將場景拉到地中海上,一艘從英國開出朝向印度孟買的客船,一位印度母親正帶著八、九歲的小男孩(我們先假設一下他的名字叫「小明」), 在甲板上對話著。

小明指著甲板問媽媽:「為什麼地上濕濕的?」
媽媽說:「因為天空在哭…。」
小明又問媽媽:「為什麼妳在哭呢?」
媽媽說:「因為隔壁的王伯伯死了…。」

站在這對母子身旁的拉曼聽到這段對話之後,不禁用著憐憫的眼神看著眼前的小男孩。 對於母親的回答,小明不懂,但拉曼懂。

小明用著天真的語氣再問:「媽媽,為什麼大海是藍色的呢?」
一時語塞的媽媽連忙將向拉曼求救:「乖…去問隔壁的怪叔叔。」

拉曼一聽,隨即轉過頭,先是瞪了那位母親一眼接著親切地對小明說:「海水所呈現藍色是因為它反射了天空的顏色。」

小明哦地一聲點點頭,「你是海科系的嗎?」又將視線轉向地中海耀眼的蔚藍海水。

拉曼的回答其實是引用瑞立爵士(John Strutt, 3rd Baron Rayleigh,英國物理學家,因發現惰性氣體而獲得1904年諾貝爾獎)。瑞立爵士解釋過,天空的藍色是因為光線與大氣中分子的彈性散射所造成的,當光碰到的較小的空氣粒子(如氮和氧),就易散射出短波長的光,也就是我們看到的藍色。 而海洋的藍色只是天空的反射而已。但是,拉曼認為這值得商榷。

註:當時33歲的拉曼是代表印度加爾各答大學出席在英國牛津召開的大學會議。他主要研究的是光學和聲學。4年前的他被聘為加爾各答大學的巴里特物理講座(Palit Chair of Physics)教授。為了要接教授的職位,他必須離開名聲好且高薪的文官工作,但他也終於能完全奉獻心力於科學上。

瑞立爵士認為海水的藍色是反射天空的藍色|Photo Credit: Wikimedia Commons Public Domain

拉曼邊踱步邊沉思,在回到自己的房間後,立刻拿出一個約口袋大小的分光儀和稜鏡, 來檢查海水,終於確信水分子就像氣體分子一樣,也可以將光散射,所以他一抵達孟買港口,就馬上投稿一篇快報式論文到《自然》(Nature)期刊。

隔年,他在《英國皇家學會會報》上發表了一篇論文,他證明了水分子也會使光線發生散射,使海水顯出顏色的機制與大氣分子散射陽光而使天空呈現藍色的機制完全相同。

註: 其實海水呈現藍色和天空呈現藍色的理論很相似,都與光在分子間的散射有關。光經過物質會發生吸收、折射、反射和散射等現象。(一部分是反射了天空的顏色, 一部分是水分子或是水中懸浮物對光的散射的影響,在此略過更詳細的機制)

他從研究海水藍色的普通常識出發,進而深入到分子與可見光相互作用。 1928年2月,拉曼將研究成果寄到《自然》(Nature)期刊,標題為〈一個二次輻射的新類型〉,在論文中他描述所檢查過的60種不同的普通液體,在所有液體中都觀察到些許程度的光散射效應,對量子理論提供了另一種確認,在分子振動與旋轉的研究方面很有用。 後來人們為了紀念他,把這種效應稱為「拉曼效應」。

拉曼效應是一種非彈性散射,跟瑞立爵士提出的彈性散射不太一樣。瑞立散射發生時,光打到粒子以後,散射出來的光子跟打入時的能量、頻率和波長都相同;而拉曼散射發生時,由於入射光子和介質發生能量交換,所以打出去的光子頻率也比較低(波長也比較長)。拉曼的實驗證明,自然界中不但有彈性散射,也有非彈性散射的存在。

在短短幾年間,化學家就都用拉曼光譜學做為化學分析之用。 1930年拉曼因此獲得了諾貝爾物理學獎,這是印度第一人也是亞洲第一次被授予這個獎項。

Photo Credit: Wikimedia Commons Public Domain

四年之後,拉曼發起創立了印度科學院,他是院長兼任物理部主任。 在科學院大樓竣工時,他望著一台台嶄新的實驗設備與窗明几淨的實驗室,內心激動不已。在大家的簇擁下,他站上講台,看著底下歡呼的人群,緩緩地說:

十年以前,穆柯伊爵士跟我在此討論如何提升印度的科學研究,當時我說, 科學,就是為了三億同胞人人懂觀察,會假設,做實驗。 十年過去了,與我志同者仍為此奔走不已。 歐美能辦得到的事情,印度人也能辦到。 我從他鄉漂泊重臨,印度的科學研究於我而言不可同日而語。 今天,再道印度的科學研究是否能超英趕美, 我會說:「Yes We can!」

語畢,底下的群眾歡聲雷動,而拉曼的眼眶早已分不清是汗水還是淚水。

「拉曼大人讓印度科學興奮啦! 嘟嘟嚕噠噠噠 ! 嘟嘟嚕噠噠噠 !」 每個人口中不斷地重覆這句口號。 拉曼注視著一位正準備送上花圈的小男孩,從他稚嫩的臉上似乎映射出在地中海輪船上的那位父不詳的小明。

一直以來,拉曼積極倡導並參加印度國內科學機構的建設,他創立了印度科學會議, 也創辦了印度物理雜誌,他不僅開拓了印度物理研究的新里程,更培養了一大批科學人才,像薩哈(Saha Meghnael, 1893-1956)與玻色(Satyendra Nath Bose, 1894-1974)。他在晚年更是轉向晶格力學與人體生理機制的研究。1970年10月,這位偉大的印度物理學家與世長辭。在他臨終前,他還在向聽覺理論領域前進著……

在印度加爾各答的海邊,似乎流傳著這樣一個故事…

女孩:「呵呵呵~來追我啊!」
男孩:「呵呵呵~小北鼻,不要跑那麼快,小心跌倒啊!」
才說著當下,女孩一不注意,噗啾一聲,被竄出的螃蟹給絆倒了。
她呆望著這隻被踩扁的可憐小生物,無法瞑目的眼睛正注視著前方湛藍的海水。
男孩趕緊趨前扶起女孩,深情款款地注視著她說:「我可以沒有妳,但妳絕對不能沒有健康……妳聽過安X嗎?」
「不,我只聽過拉曼!」女孩斬釘截鐵地回答。

於是女孩開始講述藍色大海的故事,講述著過去的科學故事,因為她相信,或許有一天,眼前的大男孩可能會變成未來的拉曼。

Ps. 為了紀念拉曼和他的發現,印度將每年的2月28日訂為「國家科學日」,以茲慶祝。

Photo Credit: AshLin CC By SA 3.0

參考 & 改編:

  1. 物理雙月刊 33卷1期 發現拉曼散射,譯自APS News,譯者 蕭如珀、楊信男
  2. 科學五千年 8
  3. 拉曼反擊瑞立的理論的paper: The color of the sea (1921)
  4. Raman, C. V., & Krishnan, K. S. (1928). A new type of secondary radiation.Nature, 121(3048), 501-502.
  5. 小明

本文經滔滔 Ocean says授權刊登,原文發表於此

責任編輯:翁世航
核稿編輯:楊士範

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