رأى سي. في. رامان خطوطا جديدة من الضوء في مختبر بكلكتا في 28 فبراير 1928، وبعد سنتين صار أول آسيوي يفوز بنوبل في العلوم

تأثير رامان تغيّر صغير في لون الضوء بعد تبعثره عن الجزيئات. وقد رآه سي. في. رامان أول مرة خطوطا حادة جديدة في مطياف، وهو جهاز يفرد الضوء إلى ألوانه، في 28 فبراير 1928 في الجمعية الهندية لتنمية العلوم (IACS)، 210 شارع بووبازار، كلكتا. وتبعته جائزة نوبل في الفيزياء عام 1930، وتصفه مؤسسة لقاءات لينداو لحائزي نوبل بأنه أول عالم آسيوي يفوز بنوبل في العلوم.

ولا يزال المؤرخون يتجادلون في جزأين من القصة. الأول مقدار ما يستحقه طالبه ك. س. كريشنان من فضل. والثاني كيفية التعامل مع فيزيائيَّين سوفييتيَّين رأيا الخطوط نفسها في بلورة في موسكو في الوقت نفسه تقريبا.

ما هو تأثير رامان، بكلمات بسيطة

وجّه شعاعا عبر سائل شفاف فتبعثر الجزيئات جزءا منه جانبا، ولهذا ترى الشعاع من الجانب. ومعظم ذلك الضوء المبعثر يحتفظ باللون الذي بدأ به. وتلخص مؤسسة نوبل أن رامان وجد عام 1928 أن جزءا صغيرا يكتسب أطوال موجية أخرى، لأن بعض طاقة الفوتونات الواردة، أي حزم الضوء، يمكن أن تنتقل إلى جزيء.

ووصف هـ. بلايجل، رئيس لجنة نوبل للفيزياء، الاختبار في خطاب التقديم في 10 ديسمبر 1930. أُضيئت عينة بخط واحد من مصباح زئبق ورُصد الضوء المبعثر في مطياف تصويري، يسجل كل طول موجي خطا. وظهرت خطوط حادة جديدة على جانبي الخط الأصلي، وحين تغير خط الزئبق تحركت الخطوط الجديدة معه محتفظة بالمسافة نفسها. وتطابق هذه المسافات ترددات اهتزاز الجزيء نفسه، كما شرح بلايجل، ولذلك تختلف من مادة إلى أخرى.

بحر أزرق وست سنوات من التبعثر

وُلد رامان في تيروتشيرابالي في 7 نوفمبر 1888. وجاءت الماجستير من كلية بريزيدنسي في مدراس عام 1907. وتقول سيرة مؤسسة نوبل إن المسيرة العلمية لم تبد حينها أفضل الآفاق، فالتحق في تلك السنة بوزارة المالية الهندية. وأخذت الوظيفة معظم وقته، لكنه وجد فرصا لإجراء تجارب في مختبر IACS.

أسس مهيندرالال سيركار الـ IACS، ويعطي المعهد الأمريكي للفيزياء تاريخ تأسيسها بـ29 يوليو 1876. وبحسب الفيزيائي أرناب راي تشودري، لاحظ رامان لافتتها من عربة ترام في طريقه إلى العمل، فدخل، واستقبله ابن سيركار. وبحلول 1917 كان قد قبل كرسي بالِت للفيزياء المموَّل حديثا في جامعة كلكتا، وفي 1919 صار أمينا فخريا لـ IACS.

ويأتي البحر عام 1921. فقد أتاحت له رحلة إلى أوروبا في ذلك الصيف أول فرصة لرؤية “اللمعان الأزرق المذهل لبحر المتوسط”، كما كتب في محاضرة نوبل. وبدا أن تبعثر ضوء الشمس عن جزيئات الماء سبب محتمل للون. وبدأت التجارب لاختبار ذلك حين عاد إلى كلكتا في سبتمبر 1921.

وعلى مدى السنوات الست التالية درس المختبر التبعثر في الغازات والسوائل والبلورات، وتسمي المحاضرة تسعة متعاونين في تلك الفترة. وتصف أيضا اللغز الذي قاد إلى الاكتشاف: إلى جانب التبعثر العادي كان هناك توهج أخفت بكثير بلون مختلف. وكان ك. ر. راماناثان أول من لاحظه في أبريل 1923، كما يقول رامان، ولم يضعف بعد التقطير المتكرر في الفراغ، فاستُبعد وجود شائبة. ووجده كريشنان في كثير من السوائل الأخرى عام 1924. وسمّت ورقة راماناثان وكريشنان ذلك “فلورة ضعيفة”. وقال رامان عام 1928 إنه شك في إشعاع من نوع جديد لكنه تردد، لأن قلة من السوائل بدت تُظهره ولأنه افتُرض غير مستقطب، مثل الفلورة.

ضوء الشمس وعدسة من سبع بوصات ومصباح زئبق

تأتي الخطوات التالية من محاضرة نوبل ومن خطاب رامان في 16 مارس 1928 أمام جمعية العلوم في جنوب الهند ببنغالور. فقد عاد س. فينكاتيسواران إلى المسألة في يناير 1928، وبحسب المحاضرة ذكر أن ضوء الشمس المبعثر عن غليسرين منقّى خرج “أخضر لامعا بدل الأزرق المعتاد”. وفي مطلع تلك السنة، قال رامان في بنغالور، خطرت له فكرة أن التأثير نوع من نظير ضوئي لتبعثر الأشعة السينية الذي وجده كومبتون، وفيه تخرج الأشعة السينية المبعثرة بطول موجي متغير. ثم جاءت جولة جديدة من التجارب مع كريشنان.

وفي الاختبارات الأولى استُخدم ضوء الشمس. فقد أرسله هليوستات، وهو مرآة تتبع الشمس، عبر عدسة تلسكوب من سبع بوصات وعدسة قصيرة البعد البؤري ضغطته في قلم ساطع. ومر الشعاع عبر مرشح أزرق بنفسجي ثم عبر سائل في بصلة زجاجية مفرغة. وأُمسك مرشح أخضر من اللون المتمم إما في الشعاع الوارد، حيث يحجب كل شيء، وإما بين البصلة وعين الراصد. ومع المرشح في الموضع الثاني ظل مسار الضوء داخل السائل مرئيا. وقال رامان إن نحو 80 سائلا أظهرته كلها، وإن الضوء كان مستقطبا تقريبا بقدر التبعثر العادي، وهو ما لا تفعله الفلورة عادة.

وقّع الرجلان رسالة إلى Nature من 210 شارع بووبازار، مؤرخة 16 فبراير، ظهرت في 31 مارس 1928 بعنوان “A New Type of Secondary Radiation”. ويلاحظ الفيزيائي الروسي إ. ل. فابيلينسكي في تاريخ يعود إلى 1998 أنها وصفت عمل ضوء الشمس والمرشحات المتقاطعة ولم تستطع أن تُظهر خطوطا.

وجاءت الخطوط في 28 فبراير. يصف خطاب رامان التحول إلى مصباح زئبق كوارتزي مع مرشح يقطع كل خط زئبقي مرئي أطول موجة من الخط النيلي عند 4,358 وحدة أنغستروم (نحو 436 نانومترا). ومر الضوء عبر سائل خال من الغبار ونُظر إلى الضوء المبعثر عبر مطياف مباشر الرؤية. وظهر خطان ساطعان حادان أو أكثر في الأزرق والأخضر لم ينتجهما المصباح نفسه. “رُئي الطيف الخطي للإشعاع الجديد أول مرة في 28 فبراير 1928”، قال رامان في بنغالور، مضيفا أن الملاحظة أُعلنت في اليوم التالي. وتذكر بهاغافانتام، أحد المتعاونين، عام 1978 أن صحيفة يومية في كلكتا حملت الإعلان في 29 فبراير.

وتقول المحاضرة إن الصور الأولى جاءت من أصغر مطياف كوارتزي محمول صنعته شركة هيلغر، وإن كريشنان، بمطياف أكبر، أثبت أول مرة بشكل قاطع وجود خطوط منزاحة نحو الطرف البنفسجي. وورقة Nature الثانية للرجلين مؤرخة 8 مارس ونُشرت في 21 أبريل 1928.

من ينال الفضل في كلكتا

يختم خطاب رامان في بنغالور بشكر كريشنان: “أدين كثيرا للتعاون القيّم في هذا البحث للسيد ك. س. كريشنان”. وتضيف محاضرة نوبل أن كريشنان ساعده “مساعدة جوهرية”. ومعظم الأوراق في سلسلة الاكتشاف تحمل الاسمين، يلاحظ تشودري.

وما إذا كان كريشنان قد نال ما يكفي من الفضل هو “نزاع آخر أخطر”، بكلمات تشودري. ويقتبس من مذكرات كريشنان كما نشرها د. ك. ف. مالك عام 2000. ففي مدخل 9 فبراير 1928 يقول رامان، وهو يناقش المسألة مع كريشنان وفينكاتيسواران، إن الظاهرة “ينبغي أن تُسمى تأثير رامان كريشنان”. ويضيف تشودري أن المذكرات وُجدت ممزقة، تنتهي في منتصف جملة في مدخل 28 فبراير. وذهبت جائزة نوبل إلى رامان وحده، بحصة كاملة.

والسؤال الثاني هو 1923. كتب رامان في Nature في يناير 1929 أن تغير الأطوال الموجية كان قد ثبت في كلكتا منذ عام 1923. ويخالف فابيلينسكي. فعمل راماناثان وكريشنان يُظهر توهجا، كما يقول، وكريشنان نفسه فهم أنه يرى فلورة لا التأثير. ومحاضرة نوبل لرامان أكثر حذرا من رسالة 1929: فهي تسمي اكتشاف راماناثان أول ملاحظة لظاهرة محيرة، وتقول إن أول إشارة إلى طبيعتها الحقيقية جاءت “من جهة مختلفة”، أي نتيجة الغليسرين.

قبل أسبوع في موسكو

كان ليونيد مانديلشتام وغريغوري لاندسبرغ، في جامعة موسكو الحكومية، يبحثان عن شيء آخر في الكوارتز: بنية دقيقة في ضوء يتبعثر عن اهتزازات البلورة الحرارية. وعمل فابيلينسكي 20 سنة في مختبر لاندسبرغ. ويقتبس رد مانديلشتام على الفيزيائي أوريست خفولسون بأنهما لاحظا الخطوط الجديدة أول مرة في 21 فبراير 1928، ويقول إن لاندسبرغ أرّخ سلبية بتعريض 15 ساعة تُظهرها بـ23 إلى 24 فبراير.

وصلت كلكتا إلى المطبوع أولا، في 31 مارس و21 أبريل. وقُدمت الورقة الموسكوفية إلى مجلة Naturwissenschaften في 6 مايو وصدرت في 13 يوليو. واعتُقل قريب لمانديلشتام في 15 مارس 1928، يكتب فابيلينسكي، والوقت الذي استُنفد في إطلاق سراحه يفسر التأخير. وبحسب روايته أعطت الورقة الموسكوفية التفسير الكمي الصحيح من البداية، بينما ظن رامان وكريشنان في البداية أن الخطوط المنزاحة تقع في المكان نفسه لكل مادة، وقرأا خطوط الجانب البنفسجي دليلا على “امتصاص سالب”.

وعامل المعاصرون الاكتشافين مستقلين. فقد قال ماكس بورن، كاتبا بعد مؤتمر فيزياء سوفييتي في أغسطس 1928، إن اكتشاف موسكو تم باستقلال عن الهنود وبشكل متزامن تقريبا، بحسب ما ينقل فابيلينسكي. وكتب رامان في Nature في يناير 1929 أن الروس نشروا أول بلاغ لهم بعد ورقتي Nature في 31 مارس و21 أبريل، وهو ما يطابق التواريخ أعلاه. ومن العدل أن تُسمى الظاهرة تأثير رامان ومانديلشتام ولاندسبرغ، يقول فابيلينسكي. ويلاحظ أن سميكال كان قد تنبأ بمثل هذه الترددات الإضافية عام 1923، وأن كرامرز وهايزنبرغ نشرا النظرية عام 1925.

جائزة 1930 والحجز على السفينة

يورد أرشيف الترشيحات في مؤسسة نوبل عشرة ترشيحات لرامان عام 1930، منها من نيلز بور ولويس دي بروي وإرنست رذرفورد وجان بيران وتشارلز ويلسون. وواحد من العشرة، من خفولسون، سمّى لاندسبرغ ومانديلشتام إلى جانبه. ورشح نيكولاي بابالكسي مانديلشتام وحده. وهكذا يكون ترشيح واحد للاندسبرغ واثنان لمانديلشتام.

وذهبت الجائزة إلى رامان، بحصة كاملة، “عن عمله في تبعثر الضوء وعن اكتشاف التأثير الذي سُمّي باسمه”. وتلتها محاضرته “التبعثر الجزيئي للضوء” في 11 ديسمبر 1930. وكانت الجمعية الملكية قد انتخبته زميلا عام 1924، وجاء لقب الفروسية عام 1929. وجوائز حديثة في الميدان نفسه مشروحة في ما كانت عليه جوائز نوبل العلمية الـ33 من 2016 إلى 2026.

ويصف فابيلينسكي قرار اللجنة بأنه خطأ، لأن الثلاثة كان يمكن أن يتقاسموا الجائزة. ولا تصمد، في رأيه، الشائعات القائلة إن اللجنة لم تحب النظام السوفييتي، ويشير بدلا من ذلك إلى أسباب أثارها الفيزيائي ف. ل. غينزبورغ. فمعظم الفيزيائيين السوفييت المخولين بالترشيح لم يرشحوا لاندسبرغ ومانديلشتام، والفيزيائيون الأجانب الذين عرفوا عملهما، ومنهم رذرفورد، اقترحوا رامان وحده. وتذكر بهاغافانتام عام 1978، الذي ينقله فابيلينسكي، أن رامان حجز قبل شهرين من إعلان الجائزة تذكرة سفينته ليصل في الوقت إلى الحفل في ستوكهولم.

فيمَ نفعت الأطياف

الاهتزازات الجزيئية تقع في الأشعة تحت الحمراء، قال بلايجل للحفل، بعيدا عن النطاق الذي كانت الألواح الفوتوغرافية عام 1930 حساسة فيه. ومع خطوط رامان، كما قال، ينتقل ذلك الطيف إلى نطاق تعمل فيه الألواح ويمكن قياسه بدقة.

ويحصي فابيلينسكي 70 منشورا عن التأثير عام 1928 ونحو 200 بنهاية 1929، و1,800 ورقة بحلول نحو 1939 تغطي أطياف 2,500 مركب. وسمحت مصادر الليزر عالية القدرة لاحقا باكتشاف ظواهر جديدة في التبعثر المركب، كما يضيف. وتقول مؤسسة نوبل إن الظاهرة تُستخدم لتحليل أنواع مختلفة من المواد.

وعلى المريخ، تحمل المركبة بيرسيفيرانس التابعة لناسا الأداة SHERLOC، المسماة نسبة إلى مطيافية رامان والتلألؤ. وكانت مشكلة في الغطاء قد تركت قدرة رامان فيها معطلة، قالت ناسا في تحديث بتاريخ 5 مارس 2024.

بنغالور، ومختبر خاص، والسنوات الأخيرة

تلا ذلك معهد العلوم الهندي (IISc) في بنغالور. يسجل IISc أنه صار أول مدير هندي له في 31 مارس 1933 وأسس قسم الفيزياء فيه في السنة نفسها. وبعد تنحيه عن إدارته في 19 يوليو 1937، يقول IISc، بقي أستاذا للفيزياء حتى تقاعده عام 1948. وكان من طلابه هناك غ. ن. راماتشاندران وس. راماسيشان وفيكرام سارابهاي.

وأسباب عام 1937 محل خلاف. فبحسب كاتب سيرته غ. فينكاتارامان، اشتبك رامان مع كبار الموظفين وأعضاء المجلس بعد إعادة تنظيم الأقسام ونقل جزء من ميزانية المعهد إلى قسم الفيزياء الجديد، مما جلب اتهامات بالاختلاس. ويقول فينكاتارامان إن لجنة المراجعة التي عيّنها نائب الملك “فعلت ما كان مطلوبا منها، أي ذبح رامان”. وعرض رامان في رسالة بتاريخ 1 يونيو 1937 إنهاء عقده مديرا. ويصف فينكاتارامان، الذي أعجب برامان، الصراع بأنه معركة بين التميز والرداءة. وتقرير اللجنة نفسه ليس بين المصادر المستخدمة هنا، فهذا جانب واحد من الخلاف.

وبحلول 1948 كان لرامان معهد خاص به. يقول معهد رامان للأبحاث إن حكومة ميسور أعطت رامان قطعة أرض في بنغالور في ديسمبر 1934، وإنه أسس المعهد عام 1948 لمواصلة البحث الأساسي بعد مغادرته IISc وأداره حتى وفاته. وتورد سيرة نوبل أعمال مختبره هناك: بنية الألماس وخصائصه وبصريات المواد القزحية مثل الأوبال والعقيق واللؤلؤ. وتوفي رامان في بنغالور في 21 نوفمبر 1970.

ويُحتفل باليوم الوطني للعلوم كل 28 فبراير تخليدا لتأثير رامان، بحسب مكتب معلومات الصحافة. وقد طلب المجلس الوطني لنشر العلوم والتقنية من الحكومة عام 1986 تحديد اليوم، ووافقت الحكومة، وأُقيم أول يوم وطني للعلوم في 28 فبراير 1987.