Kegembiraan melihat dan memahami
adalah anugerah alam yang paling indah.
Albert Einstein

Misteri langit biru

Mengapa langit berwarna biru?...

Tidak ada orang seperti itu yang tidak memikirkan hal ini setidaknya sekali dalam hidupnya. Para pemikir abad pertengahan sudah mencoba menjelaskan asal usul warna langit. Beberapa dari mereka berpendapat bahwa biru adalah warna sebenarnya dari udara atau salah satu gas penyusunnya. Yang lain mengira warna langit yang sebenarnya adalah hitam, seperti yang terlihat di malam hari. Pada siang hari, warna hitam langit berpadu dengan putih - sinar matahari, dan ternyata... biru.

Saat ini, mungkin Anda tidak akan bertemu dengan orang yang, ingin mendapatkan cat biru, akan mencampurkan warna hitam dan putih. Dan ada suatu masa ketika hukum pencampuran warna masih belum jelas. Mereka dipasang hanya tiga ratus tahun yang lalu oleh Newton.

Newton pun menjadi tertarik dengan misteri langit biru. Dia mulai dengan menolak semua teori sebelumnya.

Pertama, menurutnya, campuran warna putih dan hitam tidak pernah menghasilkan warna biru. Kedua, biru sama sekali bukan warna udara yang sebenarnya. Jika demikian halnya, maka Matahari dan Bulan saat matahari terbenam tidak akan tampak merah sebagaimana adanya, melainkan biru. Seperti inilah penampakan puncak pegunungan bersalju di kejauhan.

Bayangkan udaranya berwarna. Meski sangat lemah. Kemudian lapisan tebal itu akan berfungsi seperti kaca yang dicat. Dan jika dilihat melalui kaca yang dicat, maka semua benda akan tampak memiliki warna yang sama dengan kaca tersebut. Mengapa puncak bersalju di kejauhan tampak berwarna merah muda bagi kita, bukan biru sama sekali?

Dalam perselisihan dengan pendahulunya, kebenaran ada di pihak Newton. Ia membuktikan bahwa udara tidak berwarna.

Tapi tetap saja dia tidak memecahkan teka-teki biru langit. Dia dibingungkan oleh pelangi, salah satu fenomena alam yang paling indah dan puitis. Mengapa tiba-tiba muncul dan menghilang secara tidak terduga? Newton sangat puas dengan takhayul yang ada: pelangi adalah pertanda dari atas, yang menandakan cuaca baik. Dia berusaha menemukan penyebab material dari setiap fenomena. Dia juga menemukan alasan terjadinya pelangi.

Pelangi merupakan hasil pembiasan cahaya pada tetesan air hujan. Setelah memahami hal tersebut, Newton mampu menghitung bentuk busur pelangi dan menjelaskan urutan warna pelangi. Teorinya tidak hanya dapat menjelaskan kemunculan pelangi ganda, tetapi hal ini baru terjadi tiga abad kemudian dengan bantuan teori yang sangat kompleks.

Keberhasilan teori pelangi menghipnotis Newton. Ia secara keliru mengira bahwa warna biru langit dan pelangi disebabkan oleh alasan yang sama. Pelangi benar-benar muncul ketika sinar matahari menerobos segerombolan tetesan air hujan. Namun kebiruan langit tidak hanya terlihat saat hujan! Sebaliknya, saat cuaca cerah, bahkan tidak ada sedikit pun hujan, langit menjadi sangat biru. Bagaimana ilmuwan besar itu tidak memperhatikan hal ini? Newton mengira gelembung-gelembung kecil air, yang menurut teorinya hanya membentuk bagian biru pelangi, melayang di udara dalam cuaca apa pun. Tapi ini hanya khayalan.

Solusi pertama

Hampir 200 tahun berlalu, dan ilmuwan Inggris lainnya menangani masalah ini - Rayleigh, yang tidak takut bahwa tugas tersebut berada di luar kemampuan Newton yang hebat sekalipun.

Rayleigh mempelajari optik. Dan orang-orang yang mengabdikan hidupnya untuk mempelajari cahaya menghabiskan banyak waktu dalam kegelapan. Cahaya asing mengganggu eksperimen terbaik, sehingga jendela laboratorium optik hampir selalu ditutupi dengan tirai hitam yang tidak dapat ditembus.

Rayleigh tinggal berjam-jam di laboratoriumnya yang suram sendirian dengan seberkas cahaya keluar dari instrumen. Di jalur sinarnya, mereka berputar-putar seperti setitik debu hidup. Mereka terang benderang dan karenanya menonjol dengan latar belakang gelap. Ilmuwan mungkin telah menghabiskan waktu lama untuk mengamati gerakan halus mereka, seperti halnya seseorang mengamati permainan bunga api di perapian.

Bukankah bintik-bintik debu yang menari-nari di bawah sinar cahaya inilah yang memberi Rayleigh gagasan baru tentang asal usul warna langit?

Bahkan pada zaman dahulu diketahui bahwa cahaya merambat lurus. Penemuan penting ini bisa saja dilakukan oleh manusia primitif yang mengamati bagaimana, menerobos celah-celah gubuk, sinar matahari menyinari dinding dan lantai.

Tapi sepertinya dia tidak terganggu dengan pemikiran mengapa dia melihat sinar cahaya ketika melihatnya dari samping. Dan di sini ada sesuatu yang perlu dipikirkan. Bagaimanapun, sinar matahari menyinari celah hingga ke lantai. Mata pengamat terletak di samping dan tetap melihat cahaya ini.

Kita juga melihat cahaya dari lampu sorot yang diarahkan ke langit. Ini berarti bahwa sebagian cahayanya menyimpang jalan yang lurus dan pergi ke mata kita.

Apa yang membuatnya tersesat? Ternyata debu inilah yang memenuhi udara. Sinar yang dihamburkan oleh setitik debu dan sinar masuk ke mata kita, yang ketika menemui rintangan, membelok dari jalan dan merambat lurus dari setitik debu yang berhamburan ke mata kita.

“Apakah butiran debu inilah yang mewarnai langit menjadi biru?” – Pikir Rayleigh suatu hari. Dia menghitungnya dan tebakannya berubah menjadi pasti. Ia menemukan penjelasan atas warna biru langit, fajar merah, dan kabut biru! Tentu saja, butiran debu kecil, yang ukurannya lebih kecil dari panjang gelombang cahaya, menghamburkan sinar matahari dan semakin pendek panjang gelombangnya, semakin kuat, Rayleigh mengumumkan pada tahun 1871. Dan karena sinar ungu dan biru dalam spektrum matahari tampak memiliki panjang gelombang terpendek, maka hamburannya paling kuat, sehingga memberikan warna biru pada langit.

Matahari dan puncak bersalju mematuhi perhitungan Rayleigh ini. Mereka bahkan membenarkan teori ilmuwan tersebut. Saat matahari terbit dan terbenam, ketika sinar matahari melewati ketebalan udara terbesar, sinar ungu dan biru, menurut teori Rayleigh, tersebar paling kuat. Pada saat yang sama, mereka menyimpang dari jalan lurus dan tidak menarik perhatian pengamat. Pengamat terutama melihat sinar merah, yang hamburannya jauh lebih lemah. Itu sebabnya matahari tampak merah bagi kita saat matahari terbit dan terbenam. Untuk alasan yang sama, puncak pegunungan bersalju di kejauhan tampak berwarna merah muda.

Melihat ke langit cerah, kita melihat sinar biru kebiruan yang menyimpang dari jalur lurus karena hamburan dan jatuh ke mata kita. Dan kabut yang terkadang kita lihat di dekat cakrawala juga tampak berwarna biru bagi kita.

Hal sepele yang menjengkelkan

Bukankah ini penjelasan yang indah? Rayleigh sendiri begitu terbawa olehnya, para ilmuwan begitu takjub dengan keselarasan teori dan kemenangan Rayleigh atas Newton sehingga tidak ada satupun dari mereka yang memperhatikan satu hal sederhana. Namun, hal sepele ini seharusnya mengubah penilaian mereka sepenuhnya.

Siapa yang menyangkal bahwa jauh dari kota, yang udaranya jauh lebih sedikit debunya, warna biru langitnya sangat cerah dan cerah? Sulit bagi Rayleigh sendiri untuk menyangkal hal ini. Oleh karena itu...bukankah partikel debu yang menghamburkan cahaya? Lalu apa?

Dia meninjau kembali semua perhitungannya dan menjadi yakin bahwa persamaannya benar, tetapi ini berarti bahwa partikel yang berhamburan tersebut memang bukanlah butiran debu. Selain itu, butiran debu yang ada di udara jauh lebih panjang daripada panjang gelombang cahaya, dan perhitungan meyakinkan Rayleigh bahwa akumulasi besar butiran tersebut tidak meningkatkan warna biru langit, namun sebaliknya, melemahkannya. Hamburan cahaya oleh partikel besar sedikit bergantung pada panjang gelombang dan oleh karena itu tidak menyebabkan perubahan warna.

Ketika cahaya dihamburkan menjadi partikel-partikel besar, baik cahaya yang dihamburkan maupun yang ditransmisikan tetap berwarna putih, oleh karena itu kemunculan partikel-partikel besar di udara memberikan warna keputihan pada langit, dan akumulasi sejumlah besar tetesan-tetesan besar menyebabkan warna putih awan dan kabut. Ini mudah untuk diperiksa pada rokok biasa. Asap yang keluar dari corong selalu tampak keputihan, dan asap yang keluar dari ujung pembakaran berwarna kebiruan.

Partikel asap terkecil yang keluar dari ujung rokok yang terbakar berukuran lebih kecil dari panjang gelombang cahaya dan, menurut teori Rayleigh, menyebarkan sebagian besar warna ungu dan biru. Namun ketika melewati saluran sempit pada ketebalan tembakau, partikel asap saling menempel (mengental), menyatu menjadi gumpalan yang lebih besar. Banyak dari mereka menjadi lebih besar dari panjang gelombang cahaya, dan mereka menghamburkan semua panjang gelombang cahaya secara merata. Inilah sebabnya mengapa asap yang keluar dari corong tampak berwarna keputihan.

Ya, percuma saja berdebat dan mempertahankan teori yang hanya berdasarkan setitik debu.

Maka, misteri warna biru langit kembali terkuak di hadapan para ilmuwan. Namun Rayleigh tidak menyerah. Jika warna langit biru semakin murni dan cerah, semakin bersih atmosfernya, beralasan, maka warna langit tidak bisa disebabkan oleh apa pun selain molekul udara itu sendiri. Molekul udara, tulisnya dalam artikel barunya, merupakan partikel terkecil yang menghamburkan cahaya matahari!

Kali ini Rayleigh sangat berhati-hati. Sebelum melaporkan ide barunya, dia memutuskan untuk mengujinya, membandingkan teorinya dengan pengalaman.

Kesempatan itu muncul dengan sendirinya pada tahun 1906. Rayleigh dibantu oleh astrofisikawan Amerika Abbott, yang mempelajari cahaya biru langit di Observatorium Mount Wilson. Dengan mengolah hasil pengukuran kecerahan langit berdasarkan teori hamburan Rayleigh, Abbott menghitung jumlah molekul yang terkandung dalam setiap sentimeter kubik udara. Ternyata jumlahnya sangat besar! Cukuplah dikatakan bahwa jika Anda mendistribusikan molekul-molekul ini kepada semua orang yang menghuni bumi, maka setiap orang akan mendapatkan lebih dari 10 miliar molekul-molekul ini. Singkatnya, Abbott menemukan bahwa dalam setiap sentimeter kubik udara di suhu normal dan tekanan atmosfer mengandung 27 miliar kali satu miliar molekul.

Jumlah molekul dalam satu sentimeter kubik gas dapat ditentukan cara yang berbeda berdasarkan fenomena yang benar-benar berbeda dan independen. Semuanya mengarah pada hasil yang sangat cocok dan memberikan angka yang disebut angka Loschmidt.

Angka ini diketahui oleh para ilmuwan, dan lebih dari sekali angka ini berfungsi sebagai ukuran dan kontrol dalam menjelaskan fenomena yang terjadi pada gas.

Maka angka yang diperoleh Abbott saat mengukur cahaya langit bertepatan dengan angka Loschmidt dengan sangat akurat. Namun dalam perhitungannya ia menggunakan teori hamburan Rayleigh. Dengan demikian, ini jelas membuktikan bahwa teori itu benar, hamburan cahaya secara molekuler memang ada.

Tampaknya teori Rayleigh dapat dibuktikan secara andal melalui pengalaman; semua ilmuwan menganggapnya sempurna.

Ini menjadi diterima secara umum dan dimasukkan dalam semua buku teks optik. Orang bisa bernapas lega: akhirnya ditemukan penjelasan atas fenomena yang begitu familiar sekaligus misterius.

Lebih mengejutkan lagi bahwa pada tahun 1907, di halaman-halaman yang terkenal jurnal ilmiah pertanyaan kembali muncul: mengapa langit berwarna biru?!.

Sengketa

Siapa yang berani mempertanyakan teori Rayleigh yang diterima secara umum?

Anehnya, ini adalah salah satu pengagum dan pengagum Rayleigh yang paling bersemangat. Mungkin tidak ada seorang pun yang begitu menghargai dan memahami Rayleigh, mengetahui karya-karyanya dengan baik, dan tidak begitu tertarik dengan karya ilmiahnya seperti fisikawan muda Rusia Leonid Mandelstam.

“Karakter pikiran Leonid Isaakovich,” kenang ilmuwan Soviet lainnya, Akademisi N.D. Papaleksi - memiliki banyak kesamaan dengan Rayleigh. Dan bukan suatu kebetulan jika jalur kreativitas ilmiah mereka seringkali berjalan paralel dan berulang kali bersilangan.

Kali ini mereka juga membuat tanda silang pada pertanyaan tentang asal usul warna langit. Sebelumnya, Mandelstam tertarik pada bidang teknik radio. Pada awal abad kita, ini adalah bidang ilmu pengetahuan yang benar-benar baru, dan hanya sedikit orang yang memahaminya. Setelah penemuan A.S. Popov (pada tahun 1895) hanya beberapa tahun telah berlalu, dan pekerjaan tidak ada habisnya. Dalam waktu singkat, Mandelstam melakukan banyak penelitian serius di bidang osilasi elektromagnetik yang berkaitan dengan perangkat teknik radio. Pada tahun 1902 ia mempertahankan disertasinya dan pada usia dua puluh tiga tahun menerima gelar Doktor Filsafat Alam dari Universitas Strasbourg.

Saat membahas masalah eksitasi gelombang radio, Mandelstam secara alami mempelajari karya Rayleigh, yang merupakan otoritas yang diakui dalam studi proses osilasi. Dan dokter muda itu mau tidak mau mengetahui masalah mewarnai langit.

Namun, setelah mengetahui masalah warna langit, Mandelstam tidak hanya menunjukkan kekeliruan, atau, seperti yang dia sendiri katakan, “ketidakcukupan” teori hamburan cahaya molekuler Rayleigh yang diterima secara umum, tidak hanya mengungkap rahasianya. dari warna biru langit, tetapi juga meletakkan dasar bagi penelitian yang mengarah pada salah satunya penemuan paling penting fisika abad XX.

Semuanya dimulai dengan perselisihan in-absentia dengan salah satu fisikawan terhebat, bapak teori kuantum, M. Planck. Ketika Mandelstam mengenal teori Rayleigh, teori tersebut memikatnya dengan sikap diam dan paradoks internalnya, yang, yang mengejutkan fisikawan muda tersebut, tidak diperhatikan oleh Rayleigh yang sudah tua dan sangat berpengalaman. Ketidakcukupan teori Rayleigh secara khusus terungkap dengan jelas ketika menganalisis teori lain, yang dibangun atas dasar Planck untuk menjelaskan redaman cahaya ketika melewati media transparan yang homogen secara optik.

Dalam teori ini, diambil dasar bahwa molekul-molekul zat yang dilalui cahaya adalah sumber gelombang sekunder. Untuk menciptakan gelombang sekunder ini, menurut Planck, sebagian energi gelombang yang lewat dihabiskan, yang kemudian dilemahkan. Kita melihat bahwa teori ini didasarkan pada teori hamburan molekul Rayleigh dan bergantung pada otoritasnya.

Cara termudah untuk memahami inti permasalahan adalah dengan melihat ombak di permukaan air. Jika gelombang bertemu dengan benda diam atau benda terapung (tiang pancang, batang kayu, perahu, dll), maka gelombang kecil akan menyebar ke segala arah dari benda tersebut. Ini tidak lebih dari sekedar hamburan. Sebagian energi gelombang datang digunakan untuk gelombang sekunder eksitasi, yang sangat mirip dengan cahaya tersebar dalam optik. Dalam hal ini, gelombang awal melemah - gelombang itu memudar.

Benda terapung bisa jauh lebih kecil dibandingkan panjang gelombang yang merambat di air. Bahkan butiran kecil pun akan menimbulkan gelombang sekunder. Tentu saja, seiring dengan mengecilnya ukuran partikel, gelombang sekunder yang dibentuknya melemah, namun tetap akan menghilangkan energi gelombang utama.

Ini kira-kira bagaimana Planck membayangkan proses melemahnya gelombang cahaya saat melewati gas, namun peran butiran dalam teorinya dimainkan oleh molekul gas.

Mandelstam menjadi tertarik dengan karya Planck ini.

Alur pemikiran Mandelstam juga dapat dijelaskan dengan menggunakan contoh gelombang di permukaan air. Anda hanya perlu melihatnya lebih cermat. Jadi, butiran kecil pun yang mengapung di permukaan air pun merupakan sumber gelombang sekunder. Namun apa jadinya jika butiran-butiran tersebut dituangkan begitu kental hingga menutupi seluruh permukaan air? Kemudian ternyata gelombang sekunder individu yang disebabkan oleh banyak butiran akan bertambah sedemikian rupa sehingga akan memadamkan sepenuhnya bagian-bagian gelombang yang mengalir ke samping dan ke belakang, dan hamburan akan berhenti. Yang tersisa hanyalah gelombang yang berjalan ke depan. Dia akan berlari ke depan tanpa melemah sama sekali. Satu-satunya akibat dari kehadiran seluruh massa butir adalah sedikit penurunan kecepatan rambat gelombang primer. Sangat penting bahwa semua ini tidak bergantung pada apakah butiran tersebut tidak bergerak atau bergerak di sepanjang permukaan air. Agregat butiran hanya akan bertindak sebagai beban di permukaan air, mengubah kepadatan lapisan atasnya.

Mandelstam membuat perhitungan matematis untuk kasus ketika jumlah molekul di udara begitu banyak sehingga area sekecil panjang gelombang cahaya pun mengandung sejumlah besar molekul. Ternyata dalam kasus ini, gelombang cahaya sekunder yang tereksitasi oleh molekul-molekul yang bergerak secara kacau bertambah dengan cara yang sama seperti gelombang pada contoh butiran. Artinya dalam hal ini gelombang cahaya merambat tanpa hamburan dan redaman, tetapi dengan kecepatan yang sedikit lebih rendah. Hal ini membantah teori Rayleigh, yang percaya bahwa pergerakan partikel hamburan dalam semua kasus memastikan hamburan gelombang, dan karena itu menyangkal teori Planck yang didasarkan pada hamburan tersebut.

Dengan demikian, pasir ditemukan berdasarkan teori hamburan. Seluruh bangunan megah mulai berguncang dan terancam runtuh.

Kebetulan

Namun bagaimana dengan menentukan bilangan Loschmidt dari pengukuran cahaya biru langit? Bagaimanapun, pengalaman membenarkan teori hamburan Rayleigh!

“Kebetulan ini harus dianggap sebagai kebetulan,” tulis Mandelstam pada tahun 1907 dalam karyanya “On Optically Homogeneous and Turbid Media.”

Mandelstam menunjukkan bahwa pergerakan molekul secara acak tidak dapat membuat gas menjadi homogen. Sebaliknya, dalam gas nyata selalu terdapat penghalusan dan pemadatan kecil yang terbentuk akibat gerakan termal yang kacau. Merekalah yang menyebabkan hamburan cahaya, karena mengganggu homogenitas optik udara. Dalam karya yang sama, Mandelstam menulis:

“Jika mediumnya tidak homogen secara optik, maka secara umum, cahaya yang datang juga akan tersebar ke samping.”

Tetapi karena ukuran ketidakhomogenan yang timbul akibat gerak kacau lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, gelombang yang berhubungan dengan bagian spektrum ungu dan biru akan tersebar secara dominan. Dan ini, khususnya, mengarah pada warna biru langit.

Dengan demikian teka-teki langit biru akhirnya terpecahkan. Bagian teoritis dikembangkan oleh Rayleigh. Sifat fisik penghambur ditetapkan oleh Mandelstam.

Kelebihan besar Mandelstam terletak pada kenyataan bahwa ia membuktikan bahwa asumsi homogenitas sempurna suatu gas tidak sesuai dengan fakta hamburan cahaya di dalamnya. Ia menyadari bahwa warna biru langit membuktikan homogenitas gas hanya terlihat jelas. Lebih tepatnya, gas tampak homogen hanya jika diperiksa dengan instrumen kasar, seperti barometer, timbangan, atau instrumen lain yang dipengaruhi oleh miliaran molekul sekaligus. Namun pancaran cahaya dapat mendeteksi molekul dalam jumlah yang jauh lebih kecil, hanya dalam jumlah puluhan ribu. Dan hal ini cukup untuk membuktikan dengan pasti bahwa kepadatan gas terus menerus mengalami perubahan kecil di tingkat lokal. Oleh karena itu, media yang homogen dari sudut pandang “kasar” kita pada kenyataannya adalah media yang heterogen. Dari “sudut pandang cahaya” tampak berawan dan karenanya menyebarkan cahaya.

Perubahan lokal yang acak pada sifat-sifat suatu zat, akibat pergerakan termal molekul, sekarang disebut fluktuasi. Setelah menemukan asal usul fluktuasi hamburan cahaya molekul, Mandelstam membuka jalan bagi metode baru dalam mempelajari materi - fluktuasi atau metode statistik, yang kemudian dikembangkan oleh Smoluchowski, Lorentz, Einstein dan dirinya sendiri menjadi departemen fisika besar yang baru - fisika statistik .

Langit seharusnya bersinar!

Jadi, misteri warna biru langit pun terungkap. Namun studi tentang hamburan cahaya tidak berhenti sampai di situ. Menarik perhatian pada perubahan kepadatan udara yang hampir tidak terlihat dan menjelaskan warna langit dengan hamburan cahaya yang berfluktuasi, Mandelstam, dengan kepekaannya yang tajam sebagai seorang ilmuwan, menemukan ciri baru yang bahkan lebih halus dari proses ini.

Bagaimanapun, ketidakhomogenan udara disebabkan oleh fluktuasi acak dalam kepadatannya. Besarnya ketidakhomogenan acak dan kepadatan gumpalan berubah seiring waktu. Oleh karena itu, sang ilmuwan beralasan, intensitas—kekuatan cahaya yang tersebar—juga harus berubah seiring waktu! Lagi pula, semakin padat gumpalan molekul, semakin kuat cahaya yang dihamburkan pada molekul tersebut. Dan karena gumpalan ini muncul dan menghilang secara kacau, sederhananya, langit akan bersinar! Kekuatan cahaya dan warnanya akan berubah setiap saat (tetapi sangat lemah)! Tapi pernahkah ada yang memperhatikan kedipan seperti itu? Tentu saja tidak.

Efek ini sangat halus sehingga Anda tidak dapat menyadarinya dengan mata telanjang.

Tak satu pun ilmuwan yang mengamati perubahan cahaya langit seperti itu. Mandelstam sendiri tidak mempunyai kesempatan untuk memverifikasi kesimpulan teorinya. Pengorganisasian eksperimen yang kompleks pada awalnya terhambat oleh kondisi yang buruk Rusia Tsar, dan kemudian kesulitan-kesulitan pada tahun-tahun pertama revolusi, intervensi asing dan perang saudara.

Pada tahun 1925, Mandelstam menjadi kepala departemen di Universitas Moskow. Di sini ia bertemu dengan ilmuwan luar biasa dan peneliti terampil Grigory Samuilovich Landsberg. Maka, karena terikat oleh persahabatan yang mendalam dan kepentingan ilmiah yang sama, mereka bersama-sama melanjutkan serangan mereka terhadap rahasia yang tersembunyi di balik sinar samar cahaya yang tersebar.

Laboratorium optik universitas pada tahun-tahun itu masih sangat miskin dalam hal instrumen. Tidak ada satu pun instrumen di universitas yang mampu mendeteksi kerlipan langit atau perbedaan kecil dalam frekuensi kejadian dan cahaya yang tersebar, yang menurut teori diprediksi sebagai akibat dari kerlipan ini.

Namun hal ini tidak menghentikan para peneliti. Mereka meninggalkan ide untuk mensimulasikan langit di laboratorium. Ini hanya akan memperumit pengalaman yang sudah tidak kentara. Mereka memutuskan untuk mempelajari bukan hamburan cahaya putih kompleks, tetapi hamburan sinar dengan frekuensi yang ditentukan secara ketat. Jika mereka mengetahui secara pasti frekuensi cahaya yang datang, akan lebih mudah untuk mencari frekuensi yang mendekati frekuensi tersebut yang seharusnya timbul selama hamburan. Selain itu, teori tersebut menyatakan bahwa observasi lebih mudah dilakukan padatan, karena letak molekul di dalamnya jauh lebih dekat daripada di gas, dan semakin padat suatu zat, semakin besar hamburannya.

Pencarian yang melelahkan dimulai untuk mendapatkan bahan yang paling cocok. Akhirnya pilihan jatuh pada kristal kuarsa. Hanya karena kristal kuarsa bening berukuran besar lebih terjangkau dibandingkan kristal lainnya.

Eksperimen persiapan berlangsung selama dua tahun, sampel kristal paling murni dipilih, teknik ditingkatkan, dan tanda-tanda ditetapkan yang memungkinkan untuk membedakan hamburan pada molekul kuarsa dari hamburan pada inklusi acak, ketidakhomogenan kristal, dan pengotor.

Kecerdasan dan pekerjaan

Karena kurangnya peralatan canggih untuk analisis spektral, para ilmuwan memilih solusi cerdik yang memungkinkan penggunaan instrumen yang ada.

Kesulitan utama dalam pekerjaan ini adalah bahwa cahaya lemah yang disebabkan oleh hamburan molekul ditumpangkan oleh cahaya yang jauh lebih kuat yang dihamburkan oleh pengotor kecil dan cacat lain pada sampel kristal yang diperoleh untuk percobaan. Para peneliti memutuskan untuk memanfaatkan fakta bahwa cahaya yang tersebar terbentuk oleh cacat kristal dan pantulan darinya berbagai bagian pengaturannya sama persis dengan frekuensi cahaya datang. Mereka hanya tertarik pada cahaya dengan frekuensi yang berubah sesuai dengan teori Mandelstam. Jadi, tugasnya adalah menyorot cahaya dengan frekuensi yang berubah yang disebabkan oleh hamburan molekul dengan latar belakang cahaya yang jauh lebih terang.

Untuk memastikan bahwa cahaya yang tersebar memiliki besaran yang dapat dideteksi, para ilmuwan memutuskan untuk menerangi kuarsa dengan perangkat penerangan paling kuat yang tersedia bagi mereka: lampu merkuri.

Jadi, cahaya yang tersebar dalam kristal harus terdiri dari dua bagian: cahaya lemah dengan frekuensi yang berubah, karena hamburan molekul (studi tentang bagian ini adalah tujuan para ilmuwan), dan cahaya yang lebih kuat dengan frekuensi yang tidak berubah, yang disebabkan oleh karena alasan yang tidak ada hubungannya(bagian ini berbahaya, membuat penelitian menjadi sulit).

Ide metode ini menarik karena kesederhanaannya: cahaya dengan frekuensi konstan perlu diserap dan hanya cahaya dengan frekuensi yang diubah yang dilewatkan ke dalam peralatan spektral. Namun perbedaan frekuensinya hanya seperseribu persen. Tidak ada laboratorium di dunia yang memiliki filter yang mampu memisahkan frekuensi sedekat itu. Namun, solusi telah ditemukan.

Cahaya yang tersebar dilewatkan melalui bejana yang berisi uap merkuri. Akibatnya, semua cahaya yang “berbahaya” “terjebak” di dalam wadah, dan cahaya yang “berguna” melewatinya tanpa redaman yang nyata. Para peneliti memanfaatkan satu keadaan yang sudah diketahui. Sebuah atom suatu materi, seperti yang diklaim oleh fisika kuantum, hanya mampu memancarkan gelombang cahaya pada frekuensi yang sangat spesifik. Pada saat yang sama, atom ini juga mampu menyerap cahaya. Apalagi hanya gelombang cahaya dengan frekuensi tersebut yang dapat dipancarkannya sendiri.

Dalam lampu merkuri, cahaya dipancarkan oleh uap merkuri, yang bersinar di bawah pengaruh pelepasan listrik yang terjadi di dalam lampu. Jika cahaya ini dilewatkan melalui bejana yang juga mengandung uap merkuri, maka cahaya tersebut akan terserap hampir seluruhnya. Apa yang diprediksi oleh teori akan terjadi: atom merkuri di dalam bejana akan menyerap cahaya yang dipancarkan atom merkuri di dalam lampu.

Cahaya dari sumber lain, misalnya lampu neon, akan melewati uap merkuri tanpa terluka. Atom merkuri bahkan tidak akan memperhatikannya. Bagian cahaya dari lampu merkuri yang tersebar di kuarsa dengan perubahan panjang gelombang juga tidak akan diserap.

Keadaan yang nyaman inilah yang dimanfaatkan oleh Mandelstam dan Landsberg.

Penemuan yang luar biasa

Pada tahun 1927, eksperimen yang menentukan dimulai. Para ilmuwan menyinari kristal kuarsa dengan cahaya lampu merkuri dan memproses hasilnya. Dan... mereka terkejut.

Hasil percobaan ini tidak terduga dan tidak biasa. Apa yang ditemukan para ilmuwan sama sekali bukan apa yang mereka harapkan, bukan prediksi teori. Mereka menemukan fenomena yang benar-benar baru. Tapi yang mana? Dan bukankah ini sebuah kesalahan? Cahaya yang tersebar tidak menunjukkan frekuensi yang diharapkan, tetapi frekuensi yang jauh lebih tinggi dan lebih rendah. Seluruh kombinasi frekuensi muncul dalam spektrum cahaya yang tersebar yang tidak terdapat dalam insiden cahaya pada kuarsa. Mustahil menjelaskan kemunculannya dengan ketidakhomogenan optik pada kuarsa.

Pemeriksaan menyeluruh dimulai. Eksperimen dilakukan dengan sempurna. Mereka dikandung dengan sangat cerdas, sempurna dan inventif sehingga orang tidak bisa tidak mengaguminya.

“Leonid Isaakovich terkadang memecahkan masalah teknis yang sangat sulit dengan begitu indah dan terkadang dengan sangat sederhana sehingga kita masing-masing tanpa sadar mengajukan pertanyaan: “Mengapa hal ini tidak terpikir oleh saya sebelumnya?” - kata salah satu karyawan.

Berbagai eksperimen kontrol terus-menerus menegaskan bahwa tidak ada kesalahan. Dalam foto spektrum cahaya yang tersebar, garis-garis lemah namun cukup jelas terus muncul, menunjukkan adanya frekuensi “ekstra” dalam cahaya yang tersebar.

Selama berbulan-bulan, para ilmuwan telah mencari penjelasan atas fenomena ini. Di manakah frekuensi “alien” muncul dalam cahaya yang tersebar?!

Dan tibalah saatnya Mandelstam dikejutkan oleh tebakan yang luar biasa. Itu adalah penemuan yang luar biasa, penemuan yang sama yang sekarang dianggap sebagai salah satu penemuan terpenting abad ke-20.

Namun baik Mandelstam maupun Landsberg mengambil keputusan dengan suara bulat bahwa penemuan ini hanya dapat dipublikasikan setelah dilakukan pemeriksaan menyeluruh, setelah pendalaman mendalam terhadap fenomena tersebut. Eksperimen terakhir telah dimulai.

Dengan bantuan matahari

Pada 16 Februari, ilmuwan India C.N. Raman dan K.S. Krishnan mengirimkan telegram dari Calcutta ke majalah ini dengan penjelasan singkat tentang penemuan mereka.

Pada tahun-tahun itu, surat-surat dari seluruh dunia berbondong-bondong ke majalah Nature tentang berbagai penemuan. Namun tidak semua pesan ditakdirkan untuk menimbulkan kegembiraan di kalangan ilmuwan. Ketika terbit isu surat dari ilmuwan India, para fisikawan sangat heboh. Judul catatannya saja – “Jenis Radiasi Sekunder Baru” – membangkitkan minat. Bagaimanapun, optik adalah salah satu ilmu tertua; pada abad ke-20, sesuatu yang tidak diketahui sering ditemukan.

Bisa dibayangkan betapa menariknya para fisikawan di seluruh dunia menantikan surat-surat baru dari Kalkuta.

Ketertarikan mereka sebagian besar didorong oleh kepribadian salah satu penulis penemuan tersebut, Raman. Ini adalah pria dengan nasib yang aneh dan biografi yang luar biasa, sangat mirip dengan biografi Einstein. Einstein di masa mudanya adalah seorang guru gimnasium sederhana, dan kemudian menjadi pegawai kantor paten. Pada periode inilah ia menyelesaikan karya-karyanya yang paling penting. Raman, seorang fisikawan brilian, juga setelah lulus dari universitas, terpaksa mengabdi di departemen keuangan selama sepuluh tahun dan baru setelah itu diundang ke departemen Universitas Calcutta. Raman segera menjadi kepala sekolah fisika India yang diakui.

Sesaat sebelum kejadian tersebut dijelaskan, Raman dan Krishnan menjadi tertarik pada tugas yang aneh. Pada saat itu, gairah yang disebabkan pada tahun 1923 oleh penemuan fisikawan Amerika Compton, yang, ketika mempelajari perjalanan sinar-X melalui materi, menemukan bahwa beberapa sinar ini, yang berhamburan ke samping dari arah aslinya, meningkatkan panjang gelombangnya. , belum mereda. Diterjemahkan ke dalam bahasa optik, kita dapat mengatakan bahwa sinar-X, ketika bertabrakan dengan molekul suatu zat, mengubah “warna” mereka.

Fenomena ini mudah dijelaskan oleh hukum fisika kuantum. Oleh karena itu, penemuan Compton merupakan salah satu bukti yang menentukan kebenaran teori kuantum muda.

Kami memutuskan untuk mencoba sesuatu yang serupa, tetapi dalam optik. ditemukan oleh ilmuwan India. Mereka ingin melewatkan cahaya melalui suatu zat dan melihat bagaimana sinarnya akan tersebar pada molekul-molekul zat tersebut dan apakah panjang gelombangnya akan berubah.

Seperti yang Anda lihat, mau atau tidak, para ilmuwan India telah menetapkan tugas yang sama seperti ilmuwan Soviet. Namun tujuan mereka berbeda. Di Kalkuta, mereka mencari analogi optik dari efek Compton. Di Moskow - konfirmasi eksperimental prediksi Mandelstam tentang perubahan frekuensi ketika cahaya dihamburkan karena ketidakhomogenan yang berfluktuasi.

Raman dan Krishnan merancang eksperimen yang kompleks karena efek yang diharapkan sangat kecil. Eksperimen tersebut membutuhkan sumber cahaya yang sangat terang. Dan kemudian mereka memutuskan untuk menggunakan matahari, mengumpulkan sinarnya menggunakan teleskop.

Diameter lensanya delapan belas sentimeter. Para peneliti mengarahkan cahaya yang dikumpulkan melalui prisma ke wadah berisi cairan dan gas yang telah dibersihkan secara menyeluruh dari debu dan kontaminan lainnya.

Namun untuk mendeteksi perpanjangan panjang gelombang kecil yang diharapkan dari cahaya yang tersebar menggunakan warna putih sinar matahari, yang mengandung hampir semua kemungkinan panjang gelombang, tidak ada harapan. Oleh karena itu, para ilmuwan memutuskan untuk menggunakan filter cahaya. Mereka menempatkan filter biru-ungu di depan lensa dan mengamati cahaya yang tersebar melalui filter kuning-hijau. Mereka dengan tepat memutuskan bahwa apa yang dilewatkan oleh filter pertama akan tersangkut di filter kedua. Bagaimanapun, filter kuning-hijau menyerap sinar biru-ungu yang ditransmisikan oleh filter pertama. Dan keduanya, ditempatkan satu di belakang yang lain, harus menyerap semua cahaya yang datang. Jika beberapa sinar mengenai mata pengamat, maka kita dapat mengatakan dengan yakin bahwa sinar tersebut tidak berada dalam cahaya datang, tetapi dilahirkan dalam zat yang diteliti.

Colombus

Memang benar, dalam cahaya yang tersebar, Raman dan Krishnan mendeteksi sinar yang melewati filter kedua. Mereka merekam frekuensi ekstra. Ini pada prinsipnya bisa jadi merupakan efek Compton optik. Artinya, bila dihamburkan menjadi molekul-molekul suatu zat yang terletak di dalam bejana, cahaya biru-ungu dapat berubah warna menjadi kuning-hijau. Namun hal ini masih perlu dibuktikan. Mungkin ada alasan lain yang menyebabkan munculnya lampu kuning-hijau. Misalnya, hal ini bisa muncul akibat pendaran - cahaya redup yang sering muncul dalam cairan dan benda padat karena pengaruh cahaya, panas, dan sebab lainnya. Jelas sekali, ada satu hal – cahaya ini dilahirkan kembali, tidak terkandung dalam cahaya yang jatuh.

Para ilmuwan mengulangi percobaan mereka dengan enam berbagai cairan dan dua jenis uap. Mereka yakin bahwa baik pendaran maupun alasan lain tidak berperan di sini.

Fakta bahwa panjang gelombang cahaya tampak meningkat ketika dihamburkan dalam materi tampaknya sudah dibuktikan oleh Raman dan Krishnan. Tampaknya pencarian mereka berhasil. Mereka menemukan analog optik dari efek Compton.

Namun agar eksperimen memiliki bentuk akhir dan kesimpulannya cukup meyakinkan, satu bagian pekerjaan lagi perlu dilakukan. Itu tidak cukup untuk mendeteksi perubahan panjang gelombang. Besarnya perubahan ini perlu diukur. Langkah pertama dibantu dengan filter cahaya. Dia tidak berdaya untuk melakukan yang kedua. Di sini para ilmuwan membutuhkan spektroskop - alat yang memungkinkan mereka mengukur panjang gelombang cahaya yang sedang dipelajari.

Dan para peneliti memulai bagian kedua, yang tidak kalah rumit dan melelahkan. Tapi dia juga memenuhi harapan mereka. Hasilnya kembali menegaskan kesimpulan dari bagian pertama pekerjaan. Namun, panjang gelombangnya ternyata sangat besar. Lebih dari yang diharapkan. Hal ini tidak mengganggu para peneliti.

Bagaimana mungkin seseorang tidak mengingat Columbus di sini? Dia berusaha menemukan jalur laut ke India dan, setelah melihat daratan, yakin bahwa dia telah mencapai tujuannya. Apakah dia punya alasan untuk meragukan kepercayaan dirinya saat melihat penduduk merah dan sifat asing di Dunia Baru?

Bukankah benar bahwa Raman dan Krishnan, dalam pencarian mereka untuk menemukan efek Compton dalam cahaya tampak, mengira mereka menemukannya dengan memeriksa cahaya yang melewati cairan dan gas?! Apakah mereka ragu ketika pengukuran menunjukkan perubahan panjang gelombang sinar yang tersebar secara tak terduga? Kesimpulan apa yang mereka ambil dari penemuan mereka?

Menurut ilmuwan India, mereka menemukan apa yang mereka cari. Pada tanggal 23 Maret 1928, sebuah telegram dengan artikel berjudul “Analogi Optik Efek Compton” terbang ke London. Para ilmuwan menulis: “Jadi, analogi optik dari efek Compton jelas, kecuali bahwa kita berhadapan dengan perubahan panjang gelombang yang jauh lebih besar…” Catatan: “jauh lebih besar…”

Tarian atom

Karya Raman dan Krishnan disambut dengan tepuk tangan di kalangan ilmuwan. Semua orang mengagumi seni eksperimental mereka. Atas penemuannya ini, Raman dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1930.

Pada surat dari para ilmuwan India itu terlampir sebuah foto spektrum, di mana garis-garis yang menggambarkan frekuensi cahaya datang dan cahaya yang tersebar pada molekul-molekul suatu zat mengambil tempatnya. Foto ini, menurut Raman dan Krishnan, menggambarkan penemuan mereka dengan lebih jelas dari sebelumnya.

Ketika Mandelstam dan Landsberg melihat foto ini, mereka melihat salinan yang hampir sama persis dengan foto yang mereka terima! Namun setelah mengetahui penjelasannya, mereka segera menyadari bahwa Raman dan Krishnan salah.

Bukan, ilmuwan India tidak menemukan efek Compton, tapi fenomena yang sama sekali berbeda, fenomena yang sama yang telah dipelajari ilmuwan Soviet selama bertahun-tahun...

Sementara kegembiraan yang disebabkan oleh penemuan ilmuwan India semakin meningkat, Mandelstam dan Landsberg menyelesaikan eksperimen kontrol dan menyimpulkan hasil akhir yang menentukan.

Maka pada tanggal 6 Mei 1928, mereka mengirimkan artikel untuk dicetak. Sebuah foto spektrum dilampirkan pada artikel tersebut.

Menguraikan secara singkat sejarah masalah yang peneliti berikan interpretasi rinci fenomena yang mereka temukan.

Lalu fenomena apa yang menyebabkan banyak ilmuwan menderita dan memutar otak?

Intuisi Mandelstam yang dalam dan pikiran analitis yang jernih segera memberi tahu ilmuwan tersebut bahwa perubahan frekuensi cahaya yang tersebar yang terdeteksi tidak mungkin disebabkan oleh gaya antarmolekul yang menyamakan pengulangan acak kepadatan udara. Menjadi jelas bagi ilmuwan bahwa alasannya tidak diragukan lagi terletak di dalam molekul zat itu sendiri, bahwa fenomena tersebut disebabkan oleh getaran intramolekul dari atom-atom yang membentuk molekul tersebut.

Osilasi semacam itu terjadi dengan frekuensi yang jauh lebih tinggi dibandingkan osilasi yang menyertai pembentukan dan resorpsi ketidakhomogenan acak dalam medium. Getaran atom dalam molekul inilah yang mempengaruhi cahaya yang tersebar. Atom-atom sepertinya menandainya, meninggalkan jejaknya, dan mengenkripsinya dengan frekuensi tambahan.

Itu adalah tebakan yang indah, sebuah invasi berani terhadap pemikiran manusia di luar batas benteng kecil alam - molekul. Dan pengintaian ini memberikan informasi berharga tentang struktur internalnya.

Bergandengan tangan

Jadi, ketika mencoba mendeteksi perubahan kecil dalam frekuensi cahaya yang tersebar yang disebabkan oleh gaya antarmolekul, ditemukan perubahan frekuensi yang lebih besar yang disebabkan oleh gaya intramolekul.

Jadi, untuk menjelaskan fenomena baru yang disebut “hamburan cahaya Raman”, cukup melengkapi teori hamburan molekuler yang diciptakan oleh Mandelstam dengan data tentang pengaruh getaran atom di dalam molekul. Fenomena baru ini ditemukan sebagai hasil pengembangan ide Mandelstam yang dirumuskannya pada tahun 1918.

Ya, bukan tanpa alasan, seperti yang dikatakan Akademisi S.I. Vavilov, “Alam menganugerahi Leonid Isaakovich dengan pikiran yang benar-benar tidak biasa, berwawasan luas, dan halus, yang segera memperhatikan dan memahami hal utama yang diabaikan oleh mayoritas orang. Dari sinilah esensi fluktuasi hamburan cahaya dipahami, dan dari sinilah muncul gagasan tentang perubahan spektrum selama hamburan cahaya, yang menjadi dasar ditemukannya hamburan Raman.”

Selanjutnya, manfaat besar diperoleh dari penemuan ini dan mendapat penerapan praktis yang berharga.

Pada saat penemuannya, tampaknya hanya merupakan kontribusi yang paling berharga bagi ilmu pengetahuan.

Bagaimana dengan Raman dan Krishnan? Bagaimana reaksi mereka terhadap penemuan ilmuwan Soviet, dan juga terhadap penemuan mereka sendiri? Apakah mereka memahami apa yang mereka temukan?

Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini terdapat dalam surat dari Raman dan Krishnan berikut ini, yang mereka kirimkan kepada pers 9 hari setelah publikasi artikel oleh para ilmuwan Soviet. Ya, mereka menyadari bahwa fenomena yang mereka amati bukanlah efek Compton. Ini adalah hamburan cahaya Raman.

Setelah penerbitan surat Raman dan Krishnan serta artikel Mandelstam dan Landsberg, menjadi jelas bagi para ilmuwan di seluruh dunia bahwa fenomena yang sama dibuat dan dipelajari secara independen dan hampir bersamaan di Moskow dan Kalkuta. Namun fisikawan Moskow mempelajarinya dalam kristal kuarsa, dan fisikawan India mempelajarinya dalam cairan dan gas.

Dan paralelisme ini, tentu saja, bukanlah suatu kebetulan. Dia berbicara tentang relevansi masalah dan pentingnya ilmiah. Tidak mengherankan jika hasil yang mendekati kesimpulan Mandelstam dan Raman pada akhir April 1928 juga diperoleh secara independen oleh ilmuwan Perancis Rocard dan Kaban. Setelah beberapa waktu, para ilmuwan teringat bahwa pada tahun 1923, fisikawan Ceko Smekal secara teoritis meramalkan fenomena yang sama. Setelah karya Smekal, penelitian teoretis oleh Kramers, Heisenberg, dan Schrödinger muncul.

Tampaknya, hanya kurangnya informasi ilmiah yang dapat menjelaskan fakta bahwa para ilmuwan di banyak negara berupaya memecahkan masalah yang sama tanpa menyadarinya.

Tiga puluh tujuh tahun kemudian

Penelitian Raman tidak hanya membuka babak baru dalam ilmu cahaya. Pada saat yang sama mereka memberi senjata ampuh teknologi. Industri diterima cara yang bagus mempelajari sifat-sifat materi.

Bagaimanapun, frekuensi hamburan cahaya Raman adalah jejak yang ditumpangkan pada cahaya oleh molekul medium yang menghamburkan cahaya. Dan jejak ini tidak sama pada zat yang berbeda. Inilah yang memberi hak kepada Akademisi Mandelstam untuk menyebut hamburan cahaya Raman sebagai “bahasa molekul”. Bagi mereka yang dapat membaca jejak molekul pada sinar cahaya dan menentukan komposisi cahaya yang tersebar, molekul dengan menggunakan bahasa ini akan menceritakan rahasia strukturnya.

Pada sisi negatif foto spektrum Raman, hanya ada garis-garis dengan tingkat kegelapan yang berbeda-beda. Namun dari foto ini, seorang spesialis akan menghitung frekuensi getaran intramolekul yang muncul pada cahaya yang tersebar setelah melewati zat tersebut. Gambar tersebut akan menceritakan tentang banyak sisi yang sampai sekarang belum diketahui kehidupan batin molekul: tentang strukturnya, tentang gaya yang mengikat atom menjadi molekul, tentang pergerakan relatif atom. Dengan belajar menguraikan spektogram Raman, fisikawan belajar memahami “bahasa ringan” khusus yang digunakan molekul untuk menceritakan tentang dirinya sendiri. Jadi penemuan baru ini memungkinkan kita untuk melakukan penetrasi lebih dalam struktur internal molekul.

Saat ini, fisikawan menggunakan hamburan Raman untuk mempelajari struktur cairan, kristal, dan zat kaca. Ahli kimia menggunakan metode ini untuk menentukan struktur berbagai senyawa.

Metode mempelajari materi menggunakan fenomena hamburan cahaya Raman dikembangkan oleh karyawan laboratorium Institut Fisika P.N. Akademi Ilmu Pengetahuan Lebedev Uni Soviet, yang dipimpin oleh Akademisi Landsberg.

Metode ini memungkinkan, di laboratorium pabrik, dengan cepat dan akurat melakukan analisis kuantitatif dan kualitatif terhadap bensin penerbangan, produk perengkahan, produk minyak bumi, dan banyak cairan organik kompleks lainnya. Untuk melakukan ini, cukup dengan menerangi zat yang diteliti dan menggunakan spektograf untuk menentukan komposisi cahaya yang dihamburkannya. Tampaknya sangat sederhana. Namun sebelum metode ini menjadi benar-benar mudah dan cepat, para ilmuwan harus bekerja keras untuk menciptakan peralatan yang akurat dan sensitif. Dan itulah kenapa.

Dari jumlah total Dari energi cahaya yang memasuki zat yang diteliti, hanya sebagian kecil - kira-kira sepersepuluh miliar - yang merupakan bagian dari cahaya yang tersebar. Dan hamburan Raman jarang mencapai dua atau tiga persen dari nilai ini. Rupanya, inilah mengapa hamburan Raman sendiri tidak diketahui untuk waktu yang lama. Tidak mengherankan jika untuk mendapatkan foto Raman yang pertama memerlukan eksposur yang berlangsung selama puluhan jam.

Peralatan modern yang dibuat di negara kita memungkinkan untuk memperoleh spektrum Raman zat murni dalam beberapa menit, dan terkadang bahkan detik! Bahkan untuk analisis campuran kompleks, di mana zat-zat individual terdapat dalam jumlah beberapa persen, waktu pemaparan yang tidak lebih dari satu jam biasanya sudah cukup.

Tiga puluh tujuh tahun telah berlalu sejak bahasa molekul yang terekam pada pelat fotografi ditemukan, diuraikan dan dipahami oleh Mandelstam dan Landsberg, Raman dan Krishnan. Sejak itu, kerja keras telah dilakukan di seluruh dunia untuk menyusun “kamus” bahasa molekul, yang oleh para ahli kacamata disebut sebagai katalog frekuensi Raman. Ketika katalog seperti itu disusun, penguraian kode spektogram akan sangat difasilitasi dan hamburan Raman akan menjadi lebih bermanfaat bagi ilmu pengetahuan dan industri.

Mengapa langit berwarna biru. Mengapa Matahari berwarna kuning? Pertanyaan-pertanyaan ini, yang begitu wajar, telah muncul di hadapan manusia sejak zaman dahulu kala. Namun, untuk mendapatkan penjelasan yang benar atas fenomena tersebut, diperlukan upaya para ilmuwan terkemuka di Abad Pertengahan dan kemudian, hingga akhir XIX V.

Hipotesis apa yang ada? Hipotesis apa yang belum dikemukakan waktu yang berbeda untuk menjelaskan warna langit. Hipotesis pertama Mengamati bagaimana asap dengan latar belakang perapian yang gelap memperoleh warna kebiruan, Leonardo da Vinci menulis: ... terang di atas kegelapan menjadi biru, semakin indah terang dan gelapnya luar biasa " Goethe menganut pendapat yang kurang lebih sama view, yang bukan hanya seorang penyair terkenal di dunia, tetapi juga ilmuwan alam terhebat pada masanya, namun penjelasan tentang warna langit ini ternyata tidak dapat dipertahankan, karena, seperti yang kemudian menjadi jelas, pencampuran warna hitam dan putih. hanya dapat memberikan corak abu-abu, bukan yang berwarna. Warna biru asap dari perapian disebabkan oleh proses yang sama sekali berbeda.

Hipotesis apa yang ada? Hipotesis 2 Setelah ditemukannya interferensi, khususnya pada film tipis, Newton mencoba menerapkan interferensi untuk menjelaskan warna langit. Untuk melakukan ini, ia harus berasumsi bahwa tetesan air berbentuk gelembung berdinding tipis, seperti gelembung sabun. Namun karena tetesan air di atmosfer sebenarnya berbentuk bola, hipotesis ini segera meledak, seperti gelembung sabun.

Hipotesis apa yang ada? 3 hipotesis Ilmuwan abad ke-18. Marriott, Bouguer, Euler berpendapat bahwa warna biru langit disebabkan oleh warnanya sendiri komponen udara. Penjelasan ini bahkan mendapat konfirmasi kemudian, pada abad ke-19, ketika diketahui bahwa oksigen cair berwarna biru dan ozon cair berwarna biru. O. B. Saussure paling mendekati penjelasan yang benar tentang warna langit. Dia percaya bahwa jika udara benar-benar murni, langit akan menjadi hitam, tetapi udara mengandung kotoran yang sebagian besar mencerminkan warna biru (khususnya uap air dan tetesan air).

Hasil penelitian : Yang pertama menciptakan langsing, tegas teori matematika hamburan molekul cahaya di atmosfer, adalah ilmuwan Inggris Rayleigh. Ia percaya bahwa hamburan cahaya tidak terjadi pada kotoran, seperti yang diperkirakan para pendahulunya, namun pada molekul udara itu sendiri. Untuk menjelaskan warna langit, kami hanya menyajikan satu kesimpulan dari teori Rayleigh:

Hasil penelitian: warna campuran sinar hamburan akan menjadi biru. Kecerahan atau intensitas cahaya hamburan bervariasi berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang cahaya yang mengenai partikel hamburan. Jadi, hamburan molekul sangat sensitif terhadap perubahan sekecil apa pun pada panjang gelombang cahaya. Misalnya, panjang gelombang sinar ungu (0,4 μm) kira-kira setengah panjang gelombang sinar merah (0,8 μm). Oleh karena itu, sinar ungu akan dihamburkan 16 kali lebih kuat daripada sinar merah, dan dengan intensitas sinar datang yang sama, akan terdapat 16 kali lebih banyak sinar datang dalam cahaya yang tersebar. Semua sinar berwarna lain dari spektrum tampak (biru, cyan, hijau, kuning, oranye) akan dimasukkan dalam cahaya tersebar dalam jumlah yang berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang masing-masing sinar tersebut. Jika sekarang semua sinar hamburan berwarna dicampur dengan perbandingan ini, maka warna campuran sinar hamburan tersebut akan menjadi biru

Sastra: S.V. Zvereva.Di dunia sinar matahari.L., Gidrometeoizdat, 1988

Keindahan langit telah digambarkan lebih dari satu kali oleh para seniman, digambarkan oleh para penulis dan penyair, bahkan orang-orang yang sangat jauh dari seni menatap ke dalam jurang yang memikat ini, mengaguminya, tidak menemukan kata-kata atau emosi yang cukup untuk mengungkapkan perasaan yang menggugah itu. jiwa dan pikiran. Ketinggian menarik seseorang dalam peran apa pun, indah dengan permukaannya yang biru kristal, yang tidak kalah menariknya adalah aliran awan putih abu-abu yang mendidih, digantikan oleh inklusi cahaya awan cirrus atau “domba” kumulus yang subur. Dan tidak peduli betapa melankolisnya hal itu langit mendung, menyelimuti dengan kedalamannya, memekakkan telinga dan menekan dengan seluruh massanya, ia juga menyebabkan badai emosi dan pengalaman, membawa pikiran ke dalam gelombang khusus.

Keindahan dilihat oleh yang melihatnya

Setiap orang memandang dunia secara berbeda. Bagi sebagian orang, warnanya suram dan abu-abu, sementara yang lain, sebaliknya, hanya melihat planet hijau yang mekar dan penuh warna. Kami juga menilai langit di atas kepala kami secara berbeda. Jika kita memperhitungkan seseorang dengan persepsi warna biasa, maka dia akan melihat langit seperti yang biasa dianggap - biru, abu-abu, merah muda saat matahari terbenam, abu-abu berasap saat fajar.

Faktanya, warna-warna ini hanyalah apa yang mampu disampaikan oleh mata dan otak kita kepada kita. Mata manusia paling mudah melihat langit mendung berwarna abu-abu. Saat cuaca cerah, kita bisa melihat warna biru langit yang tiada habisnya, namun nyatanya kubah atmosfer lebih mendekati rona ungu jika dilihat dari Bumi.

Dalam publikasi ini, kita akan mengetahui mengapa langit berwarna abu-abu pada hari berawan dan apa yang menentukan saturasi warna ini. Kita juga akan mengetahui bagaimana warnanya berubah sepanjang hari dan tahun dan apa yang mempengaruhi proses ini;

Lautan tak berdasar di atas

Di atas wilayah itu negara-negara Eropa Langit di musim panas biasanya mencolok dalam kekayaannya. Kadang-kadang kita dapat mengatakan bahwa warnanya biru-biru. Namun, jika Anda mencurahkan setidaknya satu hari untuk mengamati apa yang terjadi di atas kepala kita dan mengamati proses alam dengan cermat, Anda akan melihat gradasi warna yang sangat berubah dari saat matahari terbit hingga saat matahari terbenam sepenuhnya.

Di musim panas, langit tampak begitu cerah dan tinggi secara visual karena kelembapan rendah dan tidak adanya banyak awan, yang mengumpulkan air, secara bertahap tenggelam lebih dekat ke tanah. Saat cuaca cerah, pandangan kita bahkan tidak melihat ratusan meter ke depan, melainkan pada jarak 1-1,5 km. Itulah sebabnya kita memandang langit begitu tinggi dan cerah - tidak adanya gangguan pada jalur sinar cahaya di atmosfer memastikan bahwa langit tidak dibiaskan, dan mata melihat warnanya biru.

Mengapa langit berubah warna

Perubahan ini dijelaskan oleh sains, meskipun tidak seindah yang ditulis oleh para penulis, dan disebut radiasi langit yang menyebar. Secara sederhana dan mudah dipahami pembaca, proses pembentukan warna di langit dapat dijelaskan sebagai berikut. Cahaya yang dipancarkan matahari melewati lapisan udara di sekitar bumi, sehingga menghamburkannya. Proses ini terjadi lebih sederhana dengan gelombang pendek. Selama kenaikan maksimum benda langit di atas planet kita, pada titik yang terletak di luar arahnya, warna biru paling terang dan paling jenuh akan diamati.

Namun, ketika matahari terbenam atau terbit, sinarnya bersinggungan dengan permukaan bumi, cahaya yang dipancarkannya perlu menempuh jalur yang lebih panjang, yang berarti sinarnya tersebar di udara jauh lebih besar dibandingkan pada siang hari. Akibatnya, seseorang memandang langit dalam warna pink dan merah pada pagi dan sore hari. Fenomena ini paling terlihat saat langit mendung di atas kita. Awan dan awan kemudian menjadi sangat terang, pancaran sinar matahari terbenam mewarnainya dengan menakjubkan

baja badai

Tapi apa itu langit mendung? Mengapa menjadi seperti ini? Fenomena ini merupakan salah satu mata rantai dalam siklus air di alam. Naik ke atas dalam bentuk uap, partikel air masuk ke lapisan atmosfer dengan suhu lebih rendah. Akumulasi dan pendinginan dataran tinggi, mereka terhubung satu sama lain, berubah menjadi tetesan. Pada saat partikel tersebut masih sangat kecil, awan kumulus putih yang indah tampak di mata kita. Namun, semakin besar tetesannya, semakin banyak warna abu-abu di awan.

Kadang-kadang, saat melihat ke langit tempat “domba-domba” besar ini berenang, Anda dapat melihat bahwa salah satu bagiannya berwarna warna abu-abu, yang lain bahkan memiliki rona yang sangat menggelegar. Transformasi ini dijelaskan oleh fakta bahwa tetesan di awan memiliki ukuran dan bentuk yang berbeda-beda, sehingga membiaskan cahaya secara berbeda. Saat langit benar-benar mendung, seluruhnya dicat dengan warna abu-abu seperti tikus, hanya cahaya putih yang sampai ke kita.

Hamparan berasap yang luas

Ada hari-hari ketika langit mendung kelabu tidak memiliki satupun tempat terbuka. Hal ini terjadi ketika konsentrasi awan dan awan sangat tinggi, menyelimuti seluruh ruang visual di atasnya. Kadang-kadang mereka dianggap sebagai massa besar yang menekan, siap runtuh di kepala Anda. Apalagi fenomena ini paling khas terlihat pada musim gugur dan musim dingin, saat suhu udara rendah, namun sebaliknya kelembapannya tinggi dan berada pada level 80-90%.

Pada hari-hari seperti itu, awan berada sangat dekat dengan permukaan bumi; letaknya hanya seratus atau dua meter darinya. Gambaran tentang langit mendung sering kali memiliki nada melankolis dan depresi, dan kemungkinan besar hal ini justru terkait dengan sensasi yang muncul saat Anda merasa sendirian dengan raksasa suram ini, siap menimpa Anda dengan hujan dan dingin.

Tapi semuanya bisa saja berbeda...

Warna yang dimainkan langit bergantung pada intensitas radiasi cahaya dan panjang gelombang yang mencapai planet, jadi di musim dingin, bahkan pada hari cerah, warnanya biru kebiruan. Namun semakin dekat musim semi dan semakin tinggi posisi matahari, warna birunya akan semakin cerah, terutama pada hari-hari ketika kabut mulai menghilang. lapisan atas atmosfer yang mendistorsi cahaya.

Para ilmuwan telah menemukan bahwa di planet lain langit mungkin tidak memiliki warna biru dan biru seperti yang biasa kita lihat. warna abu-abu, di Mars, misalnya, warnanya merah muda bahkan saat siang hari.

Penjelasan sederhana

Apa itu surga?

Langit tidak terbatas. Bagi bangsa mana pun, langit adalah simbol kesucian, karena diyakini Tuhan sendiri yang tinggal di sana. Orang-orang menghadap ke langit, meminta hujan, atau sebaliknya meminta matahari. Artinya, langit bukan sekedar udara, langit adalah simbol kesucian dan kepolosan.

Langit - itu hanyalah udara, udara biasa yang kita hirup setiap detik, yang tidak dapat dilihat atau disentuh, karena transparan dan tidak berbobot. Tapi kita menghirup udara transparan, mengapa warnanya menjadi biru di atas kepala kita? Udara mengandung beberapa unsur: nitrogen, oksigen, karbon dioksida, uap air, dan berbagai partikel debu yang terus bergerak.

Dari sudut pandang fisika

Dalam praktiknya, seperti yang dikatakan para fisikawan, langit hanyalah udara yang diwarnai oleh sinar matahari. Sederhananya, matahari bersinar di bumi, tetapi untuk itu sinar matahari harus melewati lapisan udara yang sangat besar yang benar-benar menyelimuti bumi. Dan seperti seberkas sinar matahari yang mempunyai banyak warna, atau lebih tepatnya tujuh warna pelangi. Bagi yang belum mengetahuinya, perlu diingat bahwa tujuh warna pelangi adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu.

Selain itu, setiap sinar memiliki semua warna ini dan, ketika melewati lapisan udara ini, ia menyemprotkan berbagai warna pelangi ke segala arah, tetapi terjadi hamburan warna biru yang paling kuat, yang menyebabkan langit memperoleh warna biru. Singkatnya, langit biru adalah percikan yang dihasilkan oleh pancaran sinar yang diwarnai dengan warna tersebut.

Dan di bulan

Tidak ada atmosfer sehingga langit di Bulan tidak berwarna biru, melainkan hitam. Astronot yang pergi ke orbit melihatnya langit hitam-hitam, tempat planet dan bintang berkilau. Tentu saja, langit di Bulan terlihat sangat indah, namun Anda tetap tidak ingin melihat langit yang selalu hitam di atas kepala Anda.

Langit berubah warna

Langit tidak selalu biru; ia cenderung berubah warna. Semua orang mungkin pernah memperhatikan bahwa kadang berwarna keputihan, kadang biru kehitaman... Mengapa demikian? Misalnya pada malam hari, saat matahari tidak memancarkan sinarnya, kita melihat langit tidak biru, suasana tampak transparan bagi kita. Dan melalui udara transparan, seseorang dapat melihat planet dan bintang. Dan pada siang hari, warna biru akan kembali menyembunyikan ruang misterius dari mata yang mengintip.

Berbagai hipotesis Mengapa langit berwarna biru? (hipotesis Goethe, Newton, ilmuwan abad ke-18, Rayleigh)

Hipotesis apa yang dikemukakan pada waktu berbeda untuk menjelaskan warna langit. Mengamati bagaimana asap dengan latar belakang perapian yang gelap memperoleh warna kebiruan, Leonardo da Vinci menulis: "... terang di atas kegelapan menjadi biru, semakin indah, semakin baik terang dan gelapnya." sudut pandang yang sama Goethe, yang bukan hanya seorang penyair terkenal di dunia, tetapi juga ilmuwan alam terhebat pada masanya. Namun penjelasan tentang warna langit ini ternyata tidak dapat dipertahankan, karena seperti yang kemudian menjadi jelas, pencampuran warna hitam dan putih hanya dapat menghasilkan rona abu-abu, bukan rona berwarna. Warna biru asap dari perapian disebabkan oleh proses yang sama sekali berbeda.

Menyusul penemuan interferensi, khususnya pada film tipis, Newton mencoba menerapkan interferensi untuk menjelaskan warna langit. Untuk melakukan ini, ia harus berasumsi bahwa tetesan air berbentuk gelembung berdinding tipis, seperti gelembung sabun. Namun karena tetesan air yang terkandung di atmosfer sebenarnya berbentuk bola, hipotesis ini segera “meledak” seperti gelembung sabun.

Ilmuwan abad ke-18 Marriott, Bouguer, Euler Mereka mengira warna biru pada langit disebabkan oleh warna intrinsik komponen udara. Penjelasan ini bahkan mendapat konfirmasi kemudian, pada abad ke-19, ketika diketahui bahwa oksigen cair berwarna biru, dan ozon cair berwarna biru. O.B. paling mendekati penjelasan yang benar tentang warna langit. Saussure. Dia percaya bahwa jika udara benar-benar murni, langit akan menjadi hitam, tetapi udara mengandung kotoran yang sebagian besar mencerminkan warna biru (khususnya uap air dan tetesan air). Pada paruh kedua abad ke-19. Bahan percobaan yang kaya telah terakumulasi mengenai hamburan cahaya dalam cairan dan gas; khususnya, salah satu karakteristik cahaya tersebar yang datang dari langit—polarisasinya—telah ditemukan. Arago adalah orang pertama yang menemukan dan menjelajahinya. Ini terjadi pada tahun 1809. Belakangan, Babinet, Brewster dan ilmuwan lain mempelajari polarisasi cakrawala. Pertanyaan tentang warna langit begitu menarik perhatian para ilmuwan sehingga percobaan yang dilakukan pada hamburan cahaya dalam cairan dan gas, yang memiliki arti lebih luas, dilakukan dari sudut pandang “reproduksi laboratorium dari langit”. warna biru langit.” Judul karyanya menunjukkan hal ini: “Memodelkan warna biru langit “Brücke atau “Pada warna biru langit, polarisasi cahaya oleh materi berawan secara umum” oleh Tyndall Eksperimen ini mengarahkan pemikiran para ilmuwan ke jalan yang benar - untuk mencari penyebab warna biru langit dalam hamburan sinar matahari di atmosfer.

Orang pertama yang menciptakan teori matematis yang harmonis dan teliti tentang hamburan cahaya molekuler di atmosfer adalah ilmuwan Inggris Rayleigh. Ia percaya bahwa hamburan cahaya tidak terjadi pada kotoran, seperti yang diperkirakan para pendahulunya, namun pada molekul udara itu sendiri. Karya pertama Rayleigh tentang hamburan cahaya diterbitkan pada tahun 1871. Dalam bentuk akhirnya, teori hamburannya, berdasarkan sifat elektromagnetik cahaya yang ditetapkan pada saat itu, dituangkan dalam karya “Tentang Cahaya dari Langit, Polarisasi dan Warnanya ,” diterbitkan pada tahun 1899 Untuk pekerjaan di bidang hamburan cahaya Rayleigh (his nama lengkap John William Strett, Lord Rayleigh III) sering disebut Rayleigh the Scatterer, berbeda dengan putranya, Lord Rayleigh IV. Rayleigh IV disebut Atmospheric Rayleigh atas kontribusinya yang besar terhadap perkembangan fisika atmosfer. Untuk menjelaskan warna langit, kami hanya akan menyajikan salah satu kesimpulan teori Rayleigh; kami akan merujuk beberapa kali pada kesimpulan lain dalam menjelaskan berbagai fenomena optik. Kesimpulan ini menyatakan bahwa kecerahan, atau intensitas, cahaya yang tersebar bervariasi berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang cahaya yang mengenai partikel hamburan tersebut. Jadi, hamburan molekul sangat sensitif terhadap perubahan sekecil apa pun pada panjang gelombang cahaya. Misalnya, panjang gelombang sinar ungu (0,4 μm) kira-kira setengah panjang gelombang sinar merah (0,8 μm). Oleh karena itu, sinar ungu akan dihamburkan 16 kali lebih kuat daripada sinar merah, dan dengan intensitas sinar datang yang sama, akan terdapat 16 kali lebih banyak sinar datang dalam cahaya yang tersebar. Semua sinar berwarna lain dari spektrum tampak (biru, cyan, hijau, kuning, oranye) akan dimasukkan dalam cahaya tersebar dalam jumlah yang berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang masing-masing sinar tersebut. Jika sekarang semua sinar hamburan berwarna dicampur dengan perbandingan ini, maka warna campuran sinar hamburan akan menjadi biru.

Sinar matahari langsung (yaitu, cahaya yang memancar langsung dari piringan matahari), kehilangan sebagian besar sinar biru dan ungu karena hamburan, memperoleh warna kekuningan yang lemah, yang semakin meningkat saat Matahari turun ke cakrawala. Kini sinar tersebut harus menempuh jarak yang semakin jauh melalui atmosfer. Pada jalur yang panjang, hilangnya sinar dengan panjang gelombang pendek, yaitu sinar ungu, biru, cyan, menjadi semakin terlihat, dan dalam cahaya langsung Matahari atau Bulan, sebagian besar sinar dengan panjang gelombang panjang - merah, oranye, kuning - mencapai permukaan bumi. Oleh karena itu, warna Matahari dan Bulan mula-mula menjadi kuning, kemudian jingga dan merah. Warna merah Matahari dan warna biru langit merupakan dua akibat dari proses hamburan yang sama. Pada cahaya langsung, setelah melewati atmosfer, sebagian besar sinar gelombang panjang tetap ada (Matahari merah), sedangkan cahaya menyebar mengandung sinar gelombang pendek (langit biru). Jadi teori Rayleigh menjelaskan misteri tersebut dengan sangat jelas dan meyakinkan langit biru dan Matahari merah.

hamburan molekul termal langit