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诺贝尔物理学奖得主汤斯(Charles Hard Townes)出生

1964年7月28日


查尔斯·哈德·汤斯

  查尔斯·哈德·汤斯,美国物理学家。1915年7月28日生于南卡罗来纳州格林维尔。 汤斯是一位律师的独生子。1935年以人成等成绩毕业于故乡的福曼大学。他在杜克大学获得硕士学位,然后去西部深造,于1939年在加利福尼亚理工学院获得博士学位。在第二次世界大战期间以及战后的几年中,他在贝实验室从事雷达投弹系统的设计工作。 1948年他遇到拉比。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正合汤斯的心愿,遂进入哥伦亚大学物理系。1950年起在那里就任正教授。 雷达技术涉及到微波的发射和接收,而微波是指频谱介于红外和无线电波之间的电磁波。在哥伦比亚大学,汤斯以最全面的方式孜孜不倦地致力于这个课题。 汤斯渴望有一种产生高强度微波的器件。通常的器件只能产生波长较长的无线电波,若打算用这种器件来产生微波,器件结构的尺寸就必需极小,以致于无实际实现的可能性。 1951年的一个早晨,汤斯坐在华盛顿市一个公园的长凳上等待饭店开门,以便去进早餐。这时他突然想到,如果用分子,而不用电子线路,不是就可以得到波长足够小的无线电波吗?分子具有各种不同的振动形式,有些人发子的振动正好和微波波 段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子来说,在适当的条件下,它每秒振动24,000,000,000次,因此有可能发射波长为1.25厘米的微波。 他设想通过热或电的方法,把能量泵入氨分子中,使它们处于“激发“状态。然后,再设想使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中---这个微波束的能量可以是很微弱的。一个单独的氨分子就会受到 到这一微波束的作用,以同样波长的数波形式放出它的能量,这一能量双继而作用于另一个氨分子,使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于起立脚点对一场雪崩的促发作用,最后就会产生一个很强的微波束。最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。 汤斯在公园的长凳上思考了所有这一切,并把一些要点纪录在一只用过的信封的反面。(科学史上又一件带浪漫色彩的事实!)1953年12月,汤斯和 他的学生终于制成了按上述原理工作的的一个装置,产生了所需要的微波束。这个过程被称为“受激辐射微波放大”。按其英文的首字母缩写为M.A.S.E.R,并由之造出了单“maser}(脉泽)(这样的单词称为首字母缩写词,在技术语中越来越普遍使用)。 脉泽有许多有趣的用途。氨分子的振动稳定而精确,用它那稳定精确的微波频率,可用来测定时间。这样,脉泽实际上就是一种“原子钟”,它的精度远高于以往所有的机械计时器。 脉泽还可以用来向不同的方向发射微波束。如果以太存在的话,那么地球在以太中运动,于是频率将随方向而变化。1960年1月做了这个试验,结果是波长没有发生变化。这个实验的精度是前无先例的,能测出小到10^-12的相对频率偏差,这更确凿地证实了七十多年前迈克耳孙-莫雷的实验结果,这个实验以及当时发现不久的穆斯堡尔效应,都证实了爱因斯坦的相对论理论。 汤斯意识到,若用固体分子来替代氨分子,根据肖克利所建立的固体和新概念,用途更广泛的装置也能制成。在五十年代后期,汤斯和其他一些科学家确实制成了固体脉泽。这种脉泽在放大微波信号时所造成的随机辐射(“噪声”)比以往的任何放大方式都低得多,这意味着它对极微弱信号的放大远比其它已知的方法更为有效。1960年,用这种方法放大了从皮尔斯的“回声I号”卫星射到金星后又射回来的几乎消失殆尽的微弱信号。 1957年,汤斯开始思索设计一种能产生 红外或可见光---而不是微波---脉泽的可能性。他和他的姻弟在1958年发表了有关这方面的文章。1960,梅曼首先制成了这样的器件---用一根红宝石棒产生间断的红光脉冲。这种光是相干的,也就是传播时不会漫散开,几乎始终保持成一窄束光。即使将这样的光束射到二十多万英里之外的月球上,光点也只扩展到一、二英里的范围。它的能量耗损也很小,这样,人们就自然想到向月球表面发射脉泽束,以绘制月面地形图,这种方法远比以往的望远镜有效得多。大量的能量聚集在和很窄的光束中,使它还能用于医学(例如在某些眼科手术中)和化学分析,它能使物体的一小点汽化,从而进行光谱研究。 这种光比以往产生的任何光具有更强的单色性。光束中的所有光都具有相同的波长,这意味着这种光束经调制后可用来传送信息,和普通无线电通信中被调制的无线电载波几乎一样。由于光的频率很高,在给定的频带上,它的信息容量远大于频率较低的无线电波,这就是用光作载波的优点。 可见光脉泽称为“光脉泽”或“莱塞”(laser),它是来自“受激辐射光放大”英文全称的首缩词。莱塞又称激光。 为此,汤斯荣获了1964年诺贝尔物理学奖,同时获奖的还有普科和巴索夫,他们也独立地完成了这方面的理论工作。
 

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