НОБЕЛОВИ ЛАУРЕАТИ / 1981 г. / ФИЗИКА / АРТЪР ЛЕНАРД ШОЛОУ

Артър Ленард Шолоу (Arthur Leonard Schawlow)

5 май 1921 г. - 28 април 1999 г.

Нобелова награда за физика (заедно с Николас Блумберген и Кай Сигбан)

(За принос в развитието на лазерната спектроскопия.)

Американският физик Артър Ленард Шолоу е роден в Маунт Вернън (щат Ню Йорк). Десет години преди това баща му Артър Шолоу (Артур Шавлов), емигрира в Съединените щати от Рига (Латвия). Установявайки се в Ню Йорк, той започва да работи като застрахователен агент и се жени за канадската поданичка Елън Мейсън. Когато Артър е на три години, семейството (заедно с родилата се дъщеря) заминава за Канада.

Израснал в Торонто, Шолоу посещава началното училище „Уинчестър“, училището „Нормал модел“ към учителски колеж и колежа „Воон роад“, средно учебно заведение, което завършва през 1937 г. Той се надява да продължи своето образование и в съответствие с проявилия се още в детските му години интерес към естествените науки избира специалността на радиоинженер в университета в Торонто, но заради трудностите, предизвикани от депресията, родителите му не успяват да му окажат необходимата материална подкрепа. Мечтата за професия на радиоинженер не се осъществява, но Шолоу печели почетна стипендия по математика и физика. По-късно той си спомня: „физиката ми се струваше доста близка до радиоделото, затова реших да се заема с изучаване на физика“.

По това време, когато Шолоу получава степента бакалавър (1941 г.), Канада влиза във войната и той води курсове за военен персонал към университета в Торонто до 1944 г., след което участва в работата по проект за създаване на микровълнова антена в завод, занимаващ се с производството на радарно оборудване. През 1945 г. ученият се връща в университета в Торонто, където работи върху дисертация за оптичната спектроскопия под ръководството на Малкълм Ф. Крауфорд, за когото се изказва като за „необичайно творческа личност“. Степента доктор по физика Шолоу получава през 1949 г. Следдокторска стипендия за изследвания на „Карбайт енд карбон кемиклс“ му позволява да прекара две години в Колумбийския университет, където работи с Чарлз Х. Таунс над проблемите на микровълновата спектроскопия.

През 1951 г. Шолоу става сътрудник към лаборатория на компанията „Бел“ в Мари хил (щат Ню Джърси). Основна област на изследванията му става свръхпроводимостта – явление, открито през 1911 г. от нидерландския физик Хейке Камерлинг Онес и състоящо се в пълното изчезване на електрическо съпротивление за някои вещества при охлаждането им до температури, близки до абсолютната нула (–273°С). Шолоу не прекъсва своите връзки в Таунс. Те се срещат в края на всяка седмица и работят над завършването на книгата „Микровълнова спектроскопия“ ("Microwave Spectroscopy"), започната още по времето, когато Шолоу се намира в Колумбийския университет. Книгата е публикувана през 1955 г.

Две години преди това Таунс и двама негови колеги успяват да разработят устройство, което те наричат мазер по първите букви на английския израз „микровълново усилване с помощта на индуцирано (стимулирано) излъчване“. Индуцираното излъчване е предсказано от Алберт Айнщайн през 1917 г. Опирайки се на новата квантова теория, преобръщащата обичайните представи, учените доказват, че атомът се състои от електрони, които се въртят около плътно централно ядро (модел на Нилс Бор). Движението на електроните се ограничава само от разрешени дискретни орбити, иначе казано – от строго определени значения на енергията. В такива случаи е прието да се говори, че атомът съществува в определени енергетични състояния (или на определени енергетични равнища), обусловени от връзката между електрона и ядрото. Най-ниското равнище се нарича основно състояние. Поглъщайки или изпускайки излъчване, електроните могат да се възбуждат и да преминават на по-високи равнища. Тъй като Макс Планк доказва, че излъчването се състои от отделни порции, които Айнщайн нарича кванти (сега се наричат фотони), разликите между енергиите на равнищата съответства на определени кванти, или фотони. Планк доказва също, че честотата на излъчване е пропорционална на енергията на фотона. Възбуденият електрон скоро преминава на по-ниско енергетично равнище, излъчвайки фотон, чиято енергия е равна на разликата между енергиите на равнищата, и предизвиквайки характерни спектри на излъчване, строго корелирани с разликите на енергията между равнищата, образуващи единствената за всеки атом система.

Възбудените атоми обикновено излъчват фотони по случаен начин и с различни дължини на вълните. Айнщайн доказва теоретично, че ако достатъчен брой атоми могат да бъдат възбудени до определено енергетично равнище, излъчването, чиито фотони притежават енергия, равна на разликата между енергиите на това и някакво друго по-ниско атомно равнище, би могло да предизвика цяла каскада от преходи. Възбудените атоми, намиращи се на горно равнище, принудително биха отивали на по-долно равнище с едновременно излъчване на голям брой фотони с една или друга честота и една или друга фаза (в една и съща точка на честотния цикъл). Таунс потвърждава експериментално това теоретично предсказание, използвайки микровълни, чиито фотони имат енергия, равна на разликата в енергията на две равнища на атомите на амоняка, вещество, с което Таунс работи. (Молекулите също имат енергетични равнища, свързани със състоянията на атомите, влизащи в състава на молекулите и обусловени от взаимодействието на атомите). Тъй като сравнително слабият микровълнов сигнал индуцира сравнително голям изход на фотони с една и съща честота, резултатът може да се интерпретира като усилване на сигнала. Някои от освободилите се фотони възбуждат атоми, принуждавайки ги отново да преминават на по-горно енергетично равнище, в резултат от което усилвателят се превръща в генератор, способен да поддържа непрекъснати колебания, а не само единично действие.

Микровълните имат по-ниски честоти (по-малки енергии на фотоните) и, следователно, по-големи дължини на вълната ( от 1 до 50 мм) от видимата светлина (от 0,0004 до 0,0007 мм). През 1957-1958 г. Таунс и Шолоу се занимават с търсене на начин за получаване на мазерен ефект при видимата светлина и през декември 1958 г. публикуват във "Physical Review“ статията „Инфрачервени и оптични мазери“ ("Infrared and Optical Masers"), в която обясняват как може да се направи това. През 1960 година американският физик от компанията „Хюз ейкрафт“ Теодор Майман създава първия действащ лазер – съкращение, образувано от началните букви на английските думи: светлинно усилване с помощта на индуцирано (стимулирано) излъчване. През същата година Шолоу и други физици също успяват да създадат лазери. През този период лазери и мазери са създадени независимо от американските физици Николай Басов и Александр Прохоров .

През 1960 г. Шолоу се връща в Колумбийския университет, този път като професор. През следващата година става професор по физика в Станфордския университет, където остава да работи, като пет години заема длъжността декан на факултета по физика. Той продължава да усъвършенства лазерната технология, стремейки се да постигне изход на пълно монохроматично (едночастотно) излъчване с регулярна честота. Но в повечето свои разработки Шолоу използва лазерите за изследване на атомите и молекулите и в началото на 60-те години става една от водещите фигури в бързо развиващата се област на лазерната спектроскопия.

В основата на лазерната спектроскопия лежи фундаменталният факт, че атомите и молекулите поглъщат и изпускат електромагнитно излъчване с характерни честоти (енергии на фотоните), съответстващи на разликите на енергиите при различните енергетични равнища. Спектърът на честотите на излъчване позволява да се идентифицират елементите, да се установява структурата на атомите и молекулите и да се проверяват изводите на фундаменталната теория за веществата и излъчването. Създаването на лазер с регулярна честота е важно достижение, защото излъчването на такъв лазер е на практика монохроматично (което позволява да се измерва точно честотата), притежава висока интензивност (което позволява да се наблюдават спектри при относително малък брой атоми или молекули) и облекчава настройката на лазера на желаната честота.

При много видове спектроскопии спектралните линии (тесни ивици честота) са повлияни от ефекта на Доплер. Под ефект на Доплер разбираме изменението на наблюдаваната честота при движението на източника на излъчване относно наблюдателя. Честотата нараства, когато излъчвателят се приближава към наблюдателя, и намалява при отдалечаване от наблюдателя, при което величината на повишаване или намаляване на честотата зависи от това колко бързо се приближава или отдалечава източникът. В случая със звуковите вълни ефектът на Доплер предизвиква добре известното повишаване или намаляване на звука от свирката на локомотив или клаксона на автомобил, движещ се покрай наблюдателя. При спектроскопията честотите, изпускани от атомите или молекулите, които се намират винаги в движение, зависещо от тяхната температура, се местят по посока на повишаване или понижаване в зависимост от посоката на тяхното движение. Тъй като атомите и молекулите се движат в различни посоки, спектралната линия се разширява.

При спектрите на поглъщане „наблюдател“ е атомът или молекулата, върху която пада излъчването. „Получената“ честота е по-голяма или по-малко от честотата на външния източник в зависимост от това дали атомът или молекулата се движи към източника, или се отдалечава от него. Спектралните „линии“ представляват върхове с падащи краища. Заради разширената линия два близко разположени върха могат да се припокриват и малък връх да се окаже трудно различим на фона на по-голям свой съсед и затова да остане незабелязан.

Работейки заедно с Теодор В. Хенш в Станфорд, Шолоу разработва няколко начина, позволяващи да се преодолеят трудностите, свързани с доплеровото разширяване, като се изолират спектрите на поглъщане, изпускани от атомите, чиито скорости не съдържат компонента, паралелна на лазерния сноп. Тъй като такива атоми не се приближават към източника на излъчване и не се отдалечават от него, ефектът на Доплер се изключва напълно. През 1972 г. Шолоу и неговите сътрудници получават първите оптични спектри на водорода, върху които не се отразява ефектът на Доплер и което позволява да се измери с недостижима по-рано точност константата на Ридберг – една от най-важните константи във физиката.

Спектрите на молекулите са много по-сложни от спектрите на атомите и Шолоу използва лазерите за опростяване на молекулните спектри с помощта на така наречените лазерни маркировки. Молекулите „се напомпват“ до определено енергетично състояние с помощта на лазерно излъчване, настроено на нужната честота (енергия на фотона), след което експериментаторът наблюдава завръщането им на по-ниски енергетични равнища. Тъй като това горно състояние е отделено от всичките възможни съседни състояния, то се нарича маркирано. Шолоу разработва също така метод на лазерна спектроскопия, позволяващ да се определят следите от елементи в околния материал.

През 1951 г. Шолоу се жени за Аурелия, по-малката сестра на Чарлз Х. Таунс. Съпрузите имат син и две дъщери. Кларнетист любител, Шолоу обича традиционния джаз и събира голяма колекция от записи. Известен е като лектор, участва в създаването на учебно-образователни филми и телевизионни научни програми.

Освен с Нобелова награда Шолоу е удостоен с медала и наградата Стюърт Балантайн на института „Франклин“ (1952 г.), с медала Томас Йънг на Лондонския физичен институт (1963 г.) и с медала Фредерик Айвс на Американското оптично дружество (1976 г.). Член е на американската Национална академия на науките, на Американската асоциация за фундаментални науки, на Американското физично дружество, на Американското оптично дружество и на Института на инженерите по електротехника и електроника. Сред почетните научни звания на Шолоу са степените почетен доктор от Държавния университет в Гент, от Бредфордския университет и от университета в Торонто.

Превод от руски: Павел Б. Николов