Нобелови лауреати – 1964 година – Физика – Чарлз Таунс

Чарлз Таунс (Charles Townes)

28 юли 1915 г. – 27 януари 2015 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Николай Генадиевич Басов и Александр Прохоров)

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

Американският физик Чарлз Хард Таунс е роден в Гринвил (щат Южна Каролина); той е четвъртото от шестте деца на Хенри Кейт Таунс, адвокат, и Елен (преди женитбата Хард) Таунс. Израснал във ферма, заемаща двадесет акра в околностите на Гринвил, Чарлз започва да проявява от рано интерес към природата. Като показва блестящи способности в училище и прескача седми клас, той постъпва в университета „Фурмън“ в Гринвил на шестнадесет години. Завършвайки го през 1935 година с двойно отличие, става бакалавър на науките в областта физика и бакалавър на изкуствата в областта на съвременните езици. Макар че избира физиката за основно свое занимание, привлечен от нейната логика и изящна структура, той цял живот чете безпроблемно на френски, немски, испански, италиански и руски език. След една година аспирантура в университета „Дюк“ Таунс получава през 1936 г. степента магистър по физика, а след това докторска степен през 1939 г. в Калифорнийския технологичен институт. Докторската му дисертация е със заглавие „Разпределение на изотопите и определяне на спина на ядрото на въглерод-13“ („The Separation of Isotopes and the Determination of the Spin of the Nucleus of Carbon 13“).

Отначало Таунс работи в лабораториите на телефонната кампания „Бел“, където остава от 1939 до 1947 година, занимавайки се предимно и доста успешно със задачи от военно-приложен характер, като например разработването на авиационен радар за целенасочено бомбардиране. По време на войната в радарите се използва дължина на вълната 3 см (съответстваща на честота 10000 мегахерца). След войната ръководството на военновъздушните сили се обръща към компанията „Бел“ за конструиране на радар, който да работи с дължина на вълната 1,25 см (24000 мегахерца). По-високочестотният радар трябва не само да осигури по-голяма точност, но и да тежи по-малко и да заема по-малко място в самолета. Таунс предсказва, че новата система ще се окаже неефективна, защото водните пари в атмосферата поглъщат енергията на именно тази честота. Неубедени в това, военновъздушните сили конструират радара и не постигат успех. Но тази случа пробужда интереса на Таунс към взаимодействието на високочестотните радиовълни (микровълните) с молекулите.

През 1948 г. Таунс е назначен за адюнкт-професор по физика в Колумбийския университет. Той става изпълнителен директор на университетската радиационна лаборатория през 1950 г., оглавява факултета по физика от 1952 до 1955 г. и остава в университета като пълен професор до 1961 г. По време на този период Таунс учи също така музика и вокално пеене във вечерното училище на музикалната школа „Жойар“. Провеждайки изследвания в Колумбийския университет, той разбира, че поглъщането на микровълните може да послужи за основа на нова техника – микровълнова спектроскопия, позволяваща да се определя строежа на молекулите.

По времето, когато Таунс работи в компанията „Бел“, радарните вълни се генерират от електрони, осцилиращи в метални резонатори, чиито размери се определят с прецизна точност. Те се определят от дължината на вълната и най-късата достижима дължина на вълната е около 1 мм (300000 мегахерца). Таунс замисля противоположно на това да използва естествените свойства на молекулите, за да се преодолее тези ограничения.

В края на XIX – началото на ХХ век физиците установяват, че в молекулите и атомите енергията приема дискретни стойности и най-ниското от енергетичните състояния, или равнище, е наречено основно състояние. Множество „допустими“ равнища са индивидуални за конкретния атом или молекула. Енергията е свързана с конфигурациите и движението на електроните около атомното ядро. Електромагнитното излъчване във вид например на топлина, радиовълни или светлина се състои от дискретни снопчета енергия (фотони), чиято величина е пропорционална на честотата на вълната. Атомът или молекулата могат да погълнат фотон, чиято енергия е равна на разликата между две равнища, и да се издигнат в резултат от това на по-високо енергетично равнище. В този случай се казва, че атомът се намира във възбудено състояние. Следователно възбудените атоми или молекули имат излишна енергия. Скоро след възбуждането те преминават на по-ниско енергетично равнище спонтанно, отделяйки енергия във вид на фотон, равна на разликата между двете равнища. През 1917 г. Алберт Айнщайн открива индуцираното излъчване, трети процес в допълнение към поглъщането и спонтанното излъчване. При този процес възбудените атоми или молекули, подложени на въздействието на излъчване, чиято енергия на фотоните съответства на разликата между възбуденото и основното равнище, се връщат в основно състояние, излъчвайки фотони, които не се различават от тези, които са стимулирали връщането.

Таунс разбира, че индуцираното излъчване предоставя начин да се освободи излишната енергия на възбудените молекули с усилване на излъчването, предизвикващо освобождаването. За да осъществи това, му е необходимо да получи голямо количество възбудени молекули, сравнимо с количеството молекули, намиращи се в основно състояние. Таунс намира практически способ за осъществяване на своя замисъл с помощта на положителна обратна връзка в резонансен контур, сходен по същество с осцилаторите, генериращи радиовълни в радиопредавателите.

Николай Басов и Александр Прохоров (СССР) стигат самостоятелно до аналогични изводи. Таунс, заедно с аспиранти от Колумбийския университет създава работещ прибор през декември 1953 г. и го нарича „мазер“ – съкращение от английския израз microwave amplification by stimulated emission of radiation (микровълново усилване с помощта на индуцирано излочване). В първия мазер през електрическо поле със специална конфигурация преминават молекули амоняк, които отблъскват молекулите, намиращи се в основно състояние, и фокусират възбудените молекули в резонансна кухина. Когато в кухината се натрупват достатъчна концентрация възбудени молекули, става възможна осцилацията. Малка порция излъчване с нужната честота (с енергия на фотона, равна на разликата между основното и възбуденото състояние на молекулите на амоняка) може да предизвиква лавинообразно нарастване на индуцираното излъчване, възбуждане на още повече молекули, намиращи се в основно състояние, и още по-голямо нарастване на излъчването. В резултат от това се получава мощен усилвател на излъчването. Разликата между енергиите в основното и възбуденото състояние на молекулите на амоняка определя енергията на отделящия се фотон и следователно честотата, която в дадения случай лежи в микровълновия диапазон.

Скоро става ясно, че мазерите притежават толкова стабилна честота, че могат да служат за часовници с много голяма точност. С помощта на два мазера Таунс и неговите колеги проверяват и потвърждават специалната теория за относителността на Айнщайн, като по-късно тази проверка е наречена най-точният физически експеримент в историята.

По време на своя творчески отпуск в Париж през 1956 г. Таунс заедно с колегите си демонстрира в Парижкия университет, че мазерното действие може да се осъществи с помощта на процес от три равнища в някои твърди кристали, съдържащи примеси. Излъчване с подходяща честота може да възбуди атомите на примесите до най-високото от три равнища. След това тези атоми, като загубят част от своята енергия, се оказват „заловени“ от относително стабилно междинно състояние. После към действието на мазера и отделянето на излишната енергия във вид на излъчване се добавя и прескачане от междинното в основното състояние, съпроводено с усилване на входното излъчване със същата честота. В тази система към физическия носител на мазера трябва да се прилага енергия с голяма честота (с по-къса дължина на вълната) от усилваната, защото атомите трябва да се възбудят до по-високо, трето равнище. Скоро мазерът започва да изпълнява ролята на високочувствителен усилвател с ниско равнище на шума за приемане на микровълни в много различни системи. Така например в радиоастрономията той позволява да се разпознават радиоизточниците на огромно разстояние от Земята.

През 1958 г. Таунс и неговият шурей Артър Л. Шаулоу формулират изискванията, които трябва да бъдат изпълнени, за да се създаде мазер, действащ в по-високочестотна област, съответстваща на инфрачервената, видимата и ултравиолетовата светлина. Две години по-късно американският физик Теодор Майман създава прибор, излъчващ червена светлина, в който за резонансна кухина се използва пръчка от изкуствен рубин с огледални краища, а за възбудени атоми служат атомите на хром, разпръснати в рубина. Този прибор получава името лазер от английския израз light amplification by stimulated emission of radiation (светлинно усилване с помощта на индуцирано излъчване). По-нататъшното развитие на лазерите има лавинообразен характер, като довежда до създаването на нова област, получила названието квантова електроника. Днес лазерите се използват в свързочната техника, машиностроенето, медицината, инструменталните и измервателните прибори, в изкуството и във военните области.

От 1959 до 1961 г. Таунс е вицепрезидент и научен директор в Института за отбранителни изследвания, занимаващ се с въпросите на отбраната, стратегията и системите въоръжения. През 1961 г. заема поста проректор и професор по физика в Масачузетския технологичен институт, а през 1966 г. е назначен за университетски професор по физика в Калифорнийския университет в Бъркли.

По време на работата си в Института за отбранителни изследвания Таунс продължава да участва активно в разработването на научни политики, в дейността на многобройни местни и правителствени комитети. В Калифорнийския университет той и негови колеги от областта на инфрачервената и микровълновата астрономия откриват първите многоатомни молекули в междузвездното пространство, а именно амонячни и водни молекули. Таунс въвежда също така нови съвременни методи за инфрачервено детектиране с използване на лазерни осцилатори в астрономическата спектроскопия и интерферометрията. Това довежда до създаването през 1987 г. на система от подвижни инфрачервени телескопи, която, по думите на Таунс, позволява да се различат сто пъти повече детайли отколкото с обикновен радиотелескоп.

Таунс е член на ръководството на института „Сколково“ за биологични изследвания от 1963 до 1968 г. и на компанията „Ранд корпорейшън“ през 1965-1970 г. Член е на научно-консултативната група към Военновъздушните сили на САЩ от 1958 до 1961 г. и ръководи Научно-технологичния консултативен комитет за полетите на човека в космоса към НАСА от 1964 до 1969 г. През 1969 г. е член на Президентската група за национална научна политика, а през 1971-1973 г. е научен съветник на компанията „Дженерал мотърс“.

През 1941 г. Таунс се жени за Франсис Браун. Семейството има четири дъщери. Любител натуралист, Таунс се увлича също така от музиката, езиците, подводните плавания и пътешествията.

Освен с Нобеловата награда Таунс е удостоен с наградата Комсток на американската Национална академия на науките (1959 г.), с медала Стюърт Балантайн на института „Франклин“ (1959, 1962), с наградата за електроника Дейвид Сарнов на Американския електротехнически институт (1961 г.), с медала Джон Карти на американската Национална академия на науките (1962 г.), с почетния медал за обществена дейност, присъждан от НАСА (1969 г.), с международния златен медал Нилс Бор на Датското дружество на инженерите строители, електротехници и механици (1979 г.) и с Националния медал „За научни постижения“ на Националния научен фонд (1982 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Института на инженерите по електротехника и електроника, на Американската академия на науките и изкуствата, на Американското философско дружество и на Американското астрономическо дружество. Чуждестранен член е на Лондонското кралско дружество. Получава почетни научни степени от повече от двадесет колежа и университета и е член на редакционната колегия на списанията „Review of Scientific Instruments“, „Physical Review“ и „Journal of Molecular Spectroscopy“.

Превод от руски: Павел Б. Николов