В чем же состоит явление, описанное индийскими учеными?

31 марта 1928 года в среде ученых Лондона разыгралась «буря». В этот день вышел из печати очередной номер английского журнала «Природа».

Но хотя волны этого научного циклона разбегались по свету из столицы Великобритании вместе с тоненькими книжками журнала, центр его находился в Индии. Оттуда 16 февраля ученые Ч. В. Раман и К. С. Кришнан отправили письмо с коротким описанием своего открытия.

Оптика — одна из старейших областей науки, поэтому в XX веке открыть в ней что-нибудь неведомое удавалось нечасто. Не удивительно, что, прочитав заглавие «Новый тип вторичного излучения», физики заинтересовались содержанием письма индийских ученых. В письме сообщалось о том, что попытка авторов найти оптический аналог эффекта Комптона увенчалась успехом.

Еще не улеглись страсти, вызванные в 1923 году открытиями американского физика Комптона, который, изучая прохождение рентгеновских лучей через вещество, обнаружил, что часть этих лучей, рассеиваясь в стороны от первоначального направления, увеличивает длину своей волны. Это явление можно было объяснить только законами квантовой физики, поэтому открытие Комптона явилось одним из решающих доказательств правильности молодой квантовой теории. И вот через пять лет индийские физики обнаружили нечто подобное в видимом свете.

Это был очень трудный опыт, так как ожидаемый эффект должен был быть чрезвычайно малым. Для опыта понадобился очень яркий источник света. Авторы решили использовать Солнце, собрав его лучи с помощью телескопа, имевшего объектив диаметром 18 сантиметров. Собранный свет они направили на сосуды, в которых помещались жидкости и газы, тщательно очищенные от пыли и других загрязнений.

Но обнаружить ожидаемое малое удлинение волны рассеянного света, пользуясь белым солнечным светом, содержащим практически все возможные длины волн, было безнадежно. Поэтому ученые решили воспользоваться светофильтрами. Они поставили перед объективом сине-фиолетовый фильтр, а наблюдали рассеянный свет через желто-зеленый фильтр. Эти фильтры, поставленные друг за другом, должны поглощать весь свет. Ведь желто-зеленый фильтр поглощает сине-фиолетовые лучи, пропускаемые первым фильтром.

Но в рассеянном свете Раман и Кришнан обнаружили лучи, проходящие через второй фильтр. Это мог быть оптический эффект Комптона, то есть могло быть, что при рассеянии сине-фиолетовый свет изменял свою окраску и становился желто-зеленым. Но это нужно было еще доказать. Ведь могли быть и другие причины, вызывающие появление желто-зеленого света. Например, он мог появиться в результате люминесценции, слабого свечения, которое часто возникает в жидкостях и твердых телах под действием света, тепла и других причин. Очевидно было одно: свет этот рожден вновь, он не содержался в той части солнечного света, которая прошла через первый фильтр, а затем через рассеивающее вещество.

Ученые повторили свой опыт с шестью различными жидкостями и двумя типами паров. Они пришли к выводу, что ни люминесценция, ни другие причины не играют здесь роли. Факт увеличения длины волны видимого света при рассеянии его в веществе казался им установленным.

Но светофильтры позволяют лишь обнаружить изменение длины волны. Чтобы измерить величину этого изменения, нужно применить спектроскоп — прибор, позволяющий измерять длину волны исследуемого света. И исследователи начали новую работу. Они провели измерения, применив в качестве источника света электрическую дугу, горевшую в парах ртути. Спектроскоп показал, что в рассеянном свете рядом со спектральными линиями ртути был виден свет с увеличившейся длиной волны. Особенно интересным и неожиданным было то, что область света с увеличившейся длиной волны была отделена от первоначальной спектральной линии темным промежутком. Предварительные наблюдения показали, что характер рассеянного света остается одинаковым для различных рассеивающих сред.

Эти результаты Раман направил в «Природу» 8 марта в виде письма, опубликованного 21 марта 1928 года. Только об этих двух опытах могли упоминать в своей статье, отправленной 6 мая, Мандельштам и Ландсберг. Но опыты на этом не окончились. От простого рассмотрения спектра рассеянного света Раман и Кришнан перешли к фотографированию.

Можно представить себе, с каким интересом ожидали физики всего мира новых писем из Калькутты. И вот 5 мая вместе с письмом, отправленным из Индии 22 марта под названием «Оптическая аналогия эффекта Комптона», Раман и Кришнан опубликовали замечательно четкую фотографию полученного ими спектра. «Таким образом, — пишут они, — оптическая аналогия эффекта Комптона очевидна, за исключением того, что мы имеем дело с изменением длины волны много большим, чем сдвиг, встречающийся в диапазоне рентгеновских волн». В этом же письме индийские ученые отмечали, что наблюдаемое изменение частоты рассеянного света совпадает с частотами, имеющими место в инфракрасных спектрах тех веществ, рассеяние в которых они изучали, и что этот сдвиг различен для различных веществ.

Как не вспомнить здесь о Колумбе! Он стремился найти морской путь в Индию и, увидев землю, не сомневался в том, что достиг цели. Были ли у него основания усомниться в своей уверенности при виде краснокожих жителей и незнакомой природы Нового Света?

Не так ли Раман и Кришнан, стремясь к обнаружению эффекта Комптона в видимом свете, решили, что нашли его, обнаружив свет, прошедший сквозь их светофильтры? Усомнились ли они, когда измерения показали неожиданно большое изменение длины волны? Какой вывод они сделали из обнаруженного ими совпадения величины изменения частоты при рассеянии с частотой инфракрасных спектров?

Ответ на эти вопросы содержится в следующем письме Рамана и Кришнана, датированном 15 мая и опубликованном 7 июля 1928 года в том же журнале «Природа». Да, они поняли: это не эффект Комптона. Они открыли новое явление! Новое явление, по существу предсказанное в теоретической работе, выполненной в 1925 году Крамерсом и Гейзенбергом. Изменение частоты рассеянного света обусловлено переходом энергии падающего света в энергию колебаний молекул и обратно. Эти же колебания молекул приводят к излучению и поглощению инфракрасного света. Но если и то и другое связано с одними и теми же колебаниями, не удивительно, что частоты при этом совпадают.

Наш рассказ был бы неполным, если бы мы не сказали несколько слов о выдающемся индийском ученом, которому присуждена Нобелевская премия по физике за открытие комбинационного рассеяния света. Чандрасекхар Венката Раман выполнил первые самостоятельные исследования по оптике и акустике еще в 1906 году, во время учебы в университете в Мадрасе. Начальный период его деятельности несколько напоминает первые шаги великого физика Альберта Эйнштейна.

Окончив учебу, Эйнштейн пять лет служил в патентном бюро. Именно в этот период он выполнил классические исследования по теории броуновского движения, теории световых квантов, статистической теории поглощения и излучения света и создал колоссальное здание специальной теории относительности. Раман тоже был вынужден в течение десяти лет после окончания университета, с 1907 по 1917 год, служить в департаменте финансов в Калькутте и опубликовал за это время около 30 научных работ. Лишь после этого он был приглашен на кафедру Калькуттского университета. С 1921 года Раман начал исследования молекулярного рассеяния света, которые привели его к одному из замечательных открытий XX века.

Ч. В. Раман — прирожденный физик-экспериментатор. Однако он обладал большой эрудицией в сложных вопросах теории и полностью владел математическим аппаратом, что позволяло ему глубоко проникать в сущность исследуемого явления.

Центральной и ведущей темой его научной работы являлась оптика во всех ее аспектах. Но его самой любимой областью была физика кристаллов, особенно изучение алмазов.

В 1921 году Раман приступил к систематическому исследованию рассеяния света в прозрачных средах, первым крупным его шагом было обнаружение опалесценции в образцах чистого кварца и льда. Явление заключается в том, что прозрачные в проходящем свете кристаллы при боковом освещении оказываются мутными. Поразительно, что во льду это явление было более сильным, чем в кварце, несмотря на более высокий показатель преломления последнего. Раман объяснил это большей сжимаемостью льда и указал, что рассеяние обусловлено флуктуациями плотности. Он доказал это, установив увеличение рассеяния при нагревании образца кварца.

В этих работах проявилась общность научных интересов Рамана и Мандельштама, которая привела их почти одновременно к замечательным результатам в одной области.

Впоследствии Раман возвратился к этим исследованиям и с помощью спектроскопа установил, что изменения частоты рассеянного света в чистом льде и в дистиллированной воде одинаковы. Эти изменения частоты обусловлены комбинационным рассеянием, то есть зависят от внутреннего строения молекул воды, а не от состояния, в котором она находится.

Исследуя двойное лучепреломление в кристаллах, Раман связал это явление с оптической анизотропией молекул и ионов, неоднородностью их свойств в различных направлениях. Это позволило на основании оптических характеристик кристалла сделать заключения о его структуре. Раман с успехом исследовал различные магнитооптические свойства кристаллических тел, а также магнитную анизотропию жидкостей.

После появления писем Рамана и Кришнана в майском и июльском номерах журнала «Природа» стало ясно, что одно и то же явление независимо и практически одновременно открыто и изучается в Москве и Калькутте, но московские физики изучали его в кристаллах кварца, а индийские — в жидкостях.

Замечательное открытие вызвало живой интерес среди ученых всего мира. Оказалось, что к близким результатам в конце апреля 1928 года независимо друг от друга пришли и французские ученые И. Рокар и Ж. Кабан, много занимавшиеся исследованиями рассеяния света.

Через некоторое время ученые вспомнили, что еще в 1923 году А. Смекаль на основе элементарной квантовой механики предсказал возможность появления в спектре рассеянного света новых спектральных линий, обусловленных внутримолекулярными колебаниями.

Вслед за работой Смекаля появились и другие теоретические исследования. В 1925 году Крамере и Гейзенберг провели подробное квантовое рассмотрение вопроса, а в 1926 году Шредингер и в 1927 году Дирак исследовали эту же задачу вполне современными методами.

Так физики-теоретики предсказали и подробно изучили новое явление. Вероятно, это не было известно Раману и Кришнану, Мандельштаму и Ландсбергу. Ведь в их первых статьях нет никаких указаний на связь открытого ими явления с тем, которое было уже предсказано и теоретически изучено.

После открытия комбинационного рассеяния в жидкостях Раман и Кришнам начали наблюдать это же явление в кристаллах. При этом была установлена связь строения кристалла со спектром комбинационного рассеяния, изучена температурная зависимость эффекта и получен ряд других ценных данных.

Важное значение имеет заключение Рамана о независимости нормальных колебаний решетки кристалла от состояния его поверхностей (от граничных условий) и четкое разделение «структурных колебаний» и «упругих колебаний» кристалла.

Особенно подробно Раман исследовал кристаллическую структуру алмаза — вещества, представляющего особый интерес с точки зрения физики. Раман и его сотрудники исследовали алмаз оптическими методами в видимом свете, а также с помощью инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Изучались характеристики, общие для всех сортов алмазов, и тонкие различия между его разновидностями. Раманом и его школой было подробно исследовано и давно известное, но ранее не изученное явление люминесценции алмаза и обнаружено, что алмаз способен к двум различным типам люминесценции. На кристаллах алмаза проводились исследования термооптических, магнитооптических и других свойств кристаллических тел.

В 1947 году Ч. В. Раман был избран зарубежным членом-корреспондентом АН СССР. Ч. В. Раман был не только крупным ученым, но и выдающимся общественным деятелем. Ему была присуждена Международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами» 1956 года. Из школы Ч. В. Рамана вышла блестящая плеяда ученых, среди которых есть и очень крупные специалисты, пользующиеся мировой известностью.