НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1981 г. / ФИЗИКА / НИКОЛАС БЛУМБЕРГЕН

Николас Блумберген (Nicolaas Bloembergen)

11 март 1920 г. - 5 септември 2017 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Артър Ленард Шолоу и Кай Сигбан)

(За принос в развитието на лазерната спектроскопия.).

Нидерландско-американският физик Николас Блумберген е роден в Дордрехт (Нидерлавзия) и е второто от шестте деца на Оук Блумберген и София Мария Квинт. Баща му е инженер-химик и работи като служител в компания за производство на торове. Майка му, дъщеря на училищен директор с докторска степен по математическа физика, има диплома, която ѝ позволява да преподава френски език, но тя се посвещава на грижите за семейството. Възпитано в консервативна, дисциплинирана и интелектуална атмосфера, момчето обича да чете, а извън къщи прекарва активно своето време: плува, занимава се с ветроходство и кара кънки, което се подкрепя по всякакъв начин от домаштите му.

Скоро след като семейството се преселва в Билтховен, предградие на Утрехт, Николас постъпва в начално училище. На дванадесет години започва да учи в градската гимназия на Утрехт, където се поставя акцент на хуманитарните дисциплини, а учениците се подготвят за постъпване в университет. Почти всичките му учители имат докторски степени. Склонността му към природните науки се проявяват едва в последните класове, когато започва да изучава основи на физиката и химията.

През 1938 г. Блумберген постъпва в Утрехтския университет, за да учи физика. „Изборът на физиката – пише по-късно той – беше вероятно предизвикан от това, че този предмет ми се струваше най-труден“. След окупацията на Нидерландия от Германия през 1940 г. много сътрудници на факултета са уволнени или арестувани от гестапо. Въпреки това Блумберген получава през 1943 г. еквивалент на магистърска степен, малко преди германците да затворят университета. През следващите две години той се крие от нацистите. Към края на войната Европа е разорена, така че Блумберген, за да получи по-нататъшно образование, се насочва към американски учебни заведения и през 1945 г. е приет като аспирант в Харвардския университет. Подкрепян от своето семейство, той продължава там своите занимания, посещавайки лекциите на такива водещи физици като Джулиан С. Швингър и Джон Х. ван Флек.

Само шест седмици след идването на Блумберген в САЩ Едуард М. Пърсел и двама негови колеги откриват ядрения магнитен резонанс (ЯМР) – поглъщане и излъчване от атомното ядро на електромагнитна енергия с висока честота, което има връзка с ядрения спин. Ядрото е с поведение на въртящ се пумпал. Тъй като е положително заредено, движението му е равносилно на електрически ток, който генерира магнитно поле, аналогично на полето, което токът създава в намотките на електромагнита. Ядреният магнетизъм, като всеки магнетизъм, има величина и направление, а също така взаимодейства с външните електромагнитни полета.

Блумберген, като аспирант на Пърсел, му помага да разработва първите ЯМР прибори и задно с Пърсел и Р. В. Паунд публикува през 1948 г. важна статия за релаксационния ефект в ЯМР – връщане на ядрените магнитни ориентации към предишното състояние след възбуждане с електромагнитни полета от външен източник. Това връщане се предизвиква от околната структура и зависи от детайлите на тази структура. Много от материала влиза в докторската дисертация на Блумберген, която представя в Лайденския университет през същата година, а той, като получава стипендия за провеждане на изследвания, остава в Лайден през 1947 г. и започва да работи в лабораторията, носеща името на нидерландския физик Хейке Камерлинг Онес.

Като се връща в Съединените щати през 1949 г., Блумберген е избран за член на доста престижното Дружество на завършилите Харвард. Той става в Харвард адюнкт-професор през 1951 г., професор през 1957 г., професор по физика през 1974 г. и университетски професор през 1980 г.

През 1953 г. Чарлз Х. Таунс прави с двама свои колеги в Колумбийския университет опити с мазер (абревиатура от английски израз, означаваща „микровълново усилване с помощта на стимулирано излъчване“) - прибор, който създава интензивен, строго насочен и монохроматичен сноп от микровълни. Стимулираното (индуцираното) излъчване е предсказано още от Алберт Айнщайнпрез 1917 г. въз основа на квантовата теория и модела на атома, предложен от Нилс Бор, според който отрицателно заредени електрони обикалят около положително заредено плътно централно ядро. Движението на електроните е ограничено от орбити (или енергетични равнища) и те могат да преминават от по-ниско на по-високо равнище, възбуждайки се в резултат от поглъщането на електромагнитно излъчване. Макс Планк доказва, че такова излъчване се състои от дискретни порции, наречени днес фотони, и че неговата честота е пропорционална на енергията на фотона. Фотонът, поглъщан от атома, има енергия, равна на разликите между две енергетични равнища на атома. Възбуденият електрон скоро преминава обратно на по-ниско равнище, излъчвайки фотон с енергия (и честота), равна на разликите между двете равнища. Обикновено фотоните се излъчват в случайни моменти от време и не са свързани с фази. Айнщайн доказва, че ако атомите (или молекулите, които също имат енергетични равнища, но са по-сложно устроени от атомите) се възбудят до определено енергетично равнище и се задържат на него, излъчването на фотони с подходяща енергия (честота) би предизвикало едновременния им преход на по-ниско равнище. Подходящата честота и енергия на фотоните трябва да съответства на разликите между двете енергетични равнища. В резултат трябва да възникне лавинообразно отделяне в едно и също време на фотони, притежаващи еднакви честоти и еднакви фази и предизвикващи мощно кохерентно (еднофазово) излъчване. Тъй като относително неголям електромагнитен сигнал предизвиква относително голям сигнал със същата честота на входа, в резултат от индуцираното излъчване настъпва усилване.

В мазера на Таунс се използва газообразен амоняк с две енергетични равнища, чиято разлика съответства на фотони с честота от радиодиапазона. Когато пише през 1956 г. своето изследване за магнитния резонанс, Блумберген предлага да се вземе за основа при разработването на мазерите принципът на трите равнища, позволяващ да се използват твърди материали, каквито са кристалите. По тази схема кристалът, възбуждайки се под въздействието на падащо излъчване с подходяща честота, преминава на най-високото от три енергетични равнища. В резултат от възбуденото състояние ще настъпи преход на междинно равнище, служещ за източник на индуцирано излъчване. Артър Л. Шолоу нарича по-късно схемата на Блумберген първия практически полезен мазер.

Първият прибор, даващ индуцирано (стимулирано) излъчване на видима светлина, е създаден през 1960 г. от американския физик Теодор Майман и е наречен „лазер“ (л – от английската дума "light" – „светлина“). През същата година Шолоу и други физици също създават лазери.

През този период и мазер, и лазер създават независимо Николай Басов и Александр Прохоров. През 1965 г. Арно А. Пензиас и Робърт У. Уилсън използват мазер на основата на рубинен кристал за откриване на космическо релактивно излъчване, остатък от хипотетичния „голям взрив“, в резултат от който е създадена нашата Вселена.

Блумберген е известен като един от създателите на нелинейната оптика, обща теория за взаимодействието на електромагнитното излъчване с веществата, по-обща от тази, която създава Джеймс Кларк Максуел. Според теорията на Максуел въздействието върху веществата на видимата светлина или на всяка друга форма на електромагнитно излъчване е право пропорционално на интензивността на излъчване.

През 1962 г. Блумберген заедно с трима свои колеги публикува общата теория за нелинейната оптика, която по-късно разширява съществено. Той има значителен принос за разработването на лазерите, доказвайки, че според законите за нелинейната оптика в лазера могат да се появят хармоники, кратни на основната честота и подобни на обертоновете при звука, в резултат от което ще се появи излъчване на снопчета енергия с по-висока честота. Като описва предполагаемото взаимодействие на три лазерни снопчета, в резултат от което се образува четвърто снопче, чиято честота може да се управлява с висока точност, Блумберген поставя теоретичните основи за създаване на настройващ се лазер. Използвайки настройващите се лазери, други изследователи, сред които изпъква Шолоу, разработват прецизна методика за лазерна спектроскопия, която позволява да се получат нови, доста подробни сведения за строежа на атомите и молекулите. При спектроскопията лазерните снопчета възбуждат атомите, премествайки ги на енергетични честоти , по-високи в сравнение с най-ниското (основно) състояние. Отбелязвайки какви именно честоти предпочитано се поглъщат или излъчват, спектроскопистът може да определи характерните енергетични равнища, иначе казано – строежа на изследвания материал.

На конференция на физиците в Нидерландия през 1948 г. Блумберген среща Хуберта Делиана Бринк от Индонезия, която учи медицина. Тя идва на следващата година в Америка по силата на студентски обмен и Блумберген ѝ прави предложение още на следващия ден след пристигането ѝ. Двамата се женят през 1950 г. и имат син и две дъщери. Ученият става американски гражданин през 1958 г. „Добрият стар холандски джентълмен“, както характеризира Блумберген един от неговите колеги, обича да играе тенис, да се разхожда пеш и да кара ски.

Освен с Нобелова награда Блумберген е удостоен с наградата Оливър Бъкли на Американското физично дружество (1958 г.), с наградата Морис Либман на Института на радиоинженерите (1959 г.), с медала Стюърт Балънтайн на института „Франклин“ (1961 г.), с националния медал „За научни постижения“ на Националния научен фонд (1974 г.) и с медала Фредерик Айвс на Американското оптично дружество (1979 г.). Член е на Американската академия на науките и изкуствата, на американската Национална академия на науките и на Нидерландската кралска академия на науките.

Превод от руски: Павел Б. Николов