Нобелови лауреати – 1964 година – Физика – Александр Прохоров

Александр Прохоров

11 юли 1916 г. – 8 януари 2002 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Николай Генадиевич Басов и Чарлз Таунс)

(За фундаменталната му работа в областта на квантовата електроника, довела до изграждането на осцилатори и усилватели, базирани на принципа мазер-лазер.)

Руският физик Александр Михайлович Прохоров, син на Михаил Иванович Прохоров и Мария Ивановна (преди женитбата Михайлова) Прохорова, е роден в Атертън (Австралия), където родителите му отиват през 1911 г. след бягство от заточение в Сибир. След Октомврийската революция семейство Прохорови се връща през 1923 г. в Съветския съюз. Като завършва с отличие физическия факултет на Ленинградския държавен университет (1939 г.), Прохоров става аспирант в Лабораторията за изследване на трептенията към Физическия институт„П. Н. Лебедев“ на Академията на науките на СССР в Москва. Там той изучава разпространението на радиовълните над земната повърхност и заедно с един от своите ръководители, физика В. В. Мигулин, разработва нов метод за използване на интерференцията на радиовълните за изследване на йоносферата – един от горните слоеве на атмосферата.

Призован в Червената армия през юни 1941 г., Прохоров се връща през 1944 г., след като е раняван два пъти, в Института „Н. П. Лебедев“, където се занимава с изследване на честотната стабилизация в ламповите генератори. Кандидатската дисертация, която Прохоров защитава през 1946 г., е посветена на теорията за нелинейните трептения. За този труд му е присъдена, заедно с други двама физици, наградата „Академик Леонид Манделщам“. Академик Манделщам е известен съветски радиофизик. През 1947 г. Прохоров започва да проучва излъчването на електроните в синхотрона (устройство, в което заредени частици, например протони или електрони, се движат по разширяващи се циклични орбити, ускорявайки се до много високи енергии) и доказва експериментално, че излъчването на електроните е съсредоточено в микровълновата област. Тази работа ляга в основата на дисертацията му за получаване на научната степен доктор на физико-математическите науки, която Прохоров защитава през 1951 г. и която поражда множество по-късни изследвания, осъществени от други учени.

След назначаването му за заместник-директор на Лабораторията за изследване на трептенията през 1950 г. научните интереси на Прохоров се преместват в областта на радиоспектроскопията. Той организира група млади изследователи, които, използвайки радар и радиотехника, разработена основно в Съединените щати и Англия по времето на и след Втората световна война, изследват ротационните и вибрационните спектри на молекулите. Прохоров съсредоточава своите изследвания върху молекули, които имат три различни момента на инерция (да се анализира структурата на такива молекули по ротационния спектър е много трудно). Освен чисто спектроскопичните изследвания той прави теоретични анализи за използването на микровълновите спектри при поглъщане, което би помогнало за усъвършенстване на честотните и времевите еталони. Получените изводи го водят до сътрудничество с Николай Басов за разработване на молекулярни генератори, наречени днес мазери (абревиатура от първите букви на английските думи „микровълново усилване, предизвикано от стимулирано излъчване“ - microwave amplification by stimulated emisson of radiation).

Основният принцип на квантовата физика се състои в това, че атомите и молекулите притежават енергии (възникващи в резултат от разположението и движението на техните електрони), които са ограничени от някои дискретни значения, или енергетични равнища. Множество разрешени енергетични равнища са характерни за всеки атом или молекула. Според друг принцип електромагнитното излъчване, например светлината или радиовълните, се състои от дискретни енергетични порции (фотони), чиято енергия е пропорционална на честотата на излъчване. Ако фотонът има енергия, равна на разликата между енергията на две равнища, атомът или молекулата могат да погълнат излъчване и да извършат преход от по-ниско на по-високо равнище. След това атомът или молекулата преминават спонтанно на по-ниско енергетично равнище (не е задължително да е изходното), излъчвайки разликата между енергията на двете равнища във вид на фотон. И в този случай честотата на излъчване е съответна на енергията на излъчения фотон. През 1917 г. Алберт Айнщайн, проучвайки взаимодействието на излъчването с веществото в ограничена област, извежда уравнение, описващо вече известните ни процеси на поглъщане и спонтанно излъчване. Уравнението на Айнщайн, освен това, предсказва трети процес, наречен индуцирано излъчване – преход на възбудения атом или молекула от състояние с висока енергия в състояние с по-ниска енергия поради наличието на излъчване, чиито фотони имат енергия, равна на разликата между енергията на двете равнища. Изгубената при прехода енергия се излъчва във вид на фотони от същия вид като фотоните, индуциращи излъчването.

Прохоров и Басов предлагат метод за използване на индуцираното излъчване. Ако възбудените молекули бъдат отделени от молекулите, намиращи се в основно състояние, което може да се постигне с помощта на нееднородно електрическо или магнитно поле, това може да доведе до създаването на вещество, чиито молекули се намират на горно енергетично равнище. Падащото върху това вещество излъчване с честота, равна на разликата между енергиите на възбуденото и основното равнище, би предизвикало индуцирано излъчване, с други думи – би довело до усилване. Като се отклони част от енергията за възбуждане на нови молекули, може да се превърне усилвателят в молекулярен генератор, способен да генерира излъчване в самоподдържащ се режим.

Прохоров и Басов съобщават за възможността да бъде създаден подобен молекулярен генератор на Всесъюзната конференция по радиоспектроскопия през май 1952 г., но първата им публикация е от октомври 1954 г. През 1955 г. те предлагат нов „метод на три равнища“ за създаване на мазер. При този метод атомите (или молекулите) с помощта на „помпане“ се изтласкват на най-високото от три енергетични равнища като се поглъща излъчване с енергия, съответстваща на разликата между енергиите на най-горното и най-долното равнище. Повечето атоми„падат“ бързо на междинното енергетично равнище, където се оказват събрани нагъсто. Мазерът излъчва с честота, съответстваща на разликата между енергиите на междинното и най-ниското равнище.

Десет месеца преди Прохоров и Басов да публикуват през 1054 г. своята статия, Чарлз Х. Таунс, американски физик от Колумбийския университет, който достига независимо до аналогични изводи, създава действащ мазер, потвърждаващ предсказанията на Прохоров и Басов. Таунс използва резонансна камера, изпълнена с възбудени молекуби на амонак, и получава необичайно усилване на микровълните. През 1960 г. методът на трите равнища е потвърден от Теодор Майман, работещ за компанията „Хюз ейкрафт“. Той получава усилване на светлинните вълни, използвайки за резонансна камера дълъг кристал на синтетичен рубин, върху който е навита спирална тръбичка с газ ксенон. Газови разряди предизвикват индуцилано излъчване. Понеже Майман използва светлина, приборът му получава името „лазер“ (абревиатура от първите букви на английските думи „усилване на светлината с помощта на индуцирано (стимулирано) излъчване - light amplification by stimulated emission of radiation).

Като директор на лабораторията за изследване на трептенията към института „П. Н. Лебедев“ (ог 1954 г.) Прохоров създава две нови лаборатории – по радиоастрономия и по квантова радиофизика. Той консултира многобройни научно-изследователски институти по проблемите на квантовата електроника и организира лаборатория по радиоспектроскопия в Научно-изследователския институт за ядрени изследвания към Московския държавен университет, професор в който Прохоров става през 1957 г.

От средата на 50-те години Прохоров съсредоточава усилията си за разработване на мазери и лазери и за търсене на кристали с подходящи спектрални и релаксационни свойства. Проведените от него подробни изследвания на рубина, един от най-добрите кристали за лазери, довеждат до широко разпространение на рубиновите резонатори за микровълнови и оптични дължини на вълните. За да преодолее някои трудности, възникнали във връзка със създаването на молекулярните генератори, работещи в субмилиметров диапазон, Прохоров предлага нов резонатор, състоящ се от две огледала. Този вид резонатор се оказва особено ефективен при създаването на лазери през 60-те години.

На поста заместник-директор на Физическия институт „П. Н. Лебедев“ към Академията на науките на Съветския съюз Прохоров продължава да разширява изследванията, свързани с физиката на лазерите, включително и с използването им за проучване на многоквантовите процеси и термоядрения синтез.

Прохоров се жени за Галина Алексеевна Шелепина, специалист по география, през 1941 г. Семейството има един син.

През 1960 г. Прохоров е избран за член-кореспондент, през 1966 г. – за действителен член, а през 1970 г. – за член на президиума на Академията на науките на Съветския съюз. Той е почетен член на Американската академия на науките и изкуствата. През 1969 г. е назначен да главен редактор на Большая Советская Энциклопедия (Голяма съветска енциклопедия). Прохоров е избран за почетен професор от университетите в Делхи (1967 г.) и Букурещ (1971 г.). Съветското правителство го удостоява със званието Герой на социалистическия труд (1969 г.)

Превод от руски: Павел Б. Николов