查爾斯·H·湯斯（1915－2015）

呂吉爾/編譯

查爾斯·H·湯斯（1915－2015）

呂吉爾/編譯

諾貝爾物理學(xué)獎得主、激光的共同發(fā)明者、伯克利加州大學(xué)教授查爾斯· H·湯斯（Charles H. Townes），于2015年1月27日在美國加州西部港市奧克蘭去世，享年99歲。

湯斯博士對物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)是發(fā)明了微波激射器——激光器的前身——并發(fā)展了可見光范圍內(nèi)平行相干光子發(fā)生裝置的理論，為激光的研制奠定了理論基礎(chǔ)。激光器是一種具有廣泛應(yīng)用領(lǐng)域——如醫(yī)學(xué)、商業(yè)、通信和宇宙學(xué)——的實用裝置。

湯斯生前說，他的主要興趣在于理解事物，并養(yǎng)成了平均10年～15年換一個領(lǐng)域的習(xí)慣，從一個主題轉(zhuǎn)到另一個主題。因為他總是在尋找需要破解的難題，好奇心驅(qū)使他的研究從原子轉(zhuǎn)到天文，又從光束轉(zhuǎn)到黑洞。然而在大蕭條時期，由于找不到合適的教學(xué)職位，湯斯加入了紐約的貝爾電話實驗室（后遷至新澤西州），在那兒從事發(fā)展雷達(dá)和導(dǎo)航裝置的工作。

湯斯經(jīng)常說，自己的物理學(xué)背景和在貝爾實驗室的訓(xùn)練，致使他從事微波激射器的研究工作——一種通過所謂的"受激輻射發(fā)射"過程獲得微波放大的裝置。而激光則產(chǎn)生于此種方式放大的光波。1964年，湯斯與前蘇聯(lián)科學(xué)家尼科萊·巴索夫(Nikolay G.Basov)和亞歷山大·普羅霍羅夫（Aleksander M.Prokhorov）一起分享了當(dāng)年度的諾貝爾物理學(xué)獎，以表彰他們的工作導(dǎo)致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器。

異想天開的閃光點子

1951年4月26日，當(dāng)時在哥倫比亞大學(xué)工作的湯斯（后任職該校輻射實驗室主任）在華盛頓參加會議。一天他坐在富蘭克林廣場上的長凳上思索著如何產(chǎn)生短波（長）、高頻率光束的方法，突然間，他想到了利用共振腔使分子振動而發(fā)出相干光束，進(jìn)而產(chǎn)生微波純爆的方法。湯斯意識到，這需要一個對自然發(fā)光狀態(tài)約束并加以放大的裝置。后來他把這一過程稱為“受激發(fā)射”。

通常，光束是一些"興奮"的電子回規(guī)正常能級時產(chǎn)生的。一般情況下，這是個無序的，即"不相干的"過程，在這個過程中，電子可向任意方向輻射。1954年，湯斯和他在哥倫比亞大學(xué)的學(xué)生造出了一臺微波激射器原型裝置，該裝置利用通電的氨分子產(chǎn)生的微波受激發(fā)射。其過程是，當(dāng)電子進(jìn)入興奮狀態(tài)后，在受控的連鎖反應(yīng)中會發(fā)出額外的能量，光子數(shù)會成倍的增加。這樣，相對較弱的光束會變得越來越強(qiáng)大和相干。

三年后，湯斯和貝爾實驗室的阿瑟·L·肖洛（Arthur L.Schawlow）建議將類似的程序應(yīng)用于光波。光學(xué)微波激射器——后來稱為激光器——的概念就是這樣產(chǎn)生的。1958年，湯斯和肖洛在《物理學(xué)評論》上發(fā)表了一篇描述“光學(xué)微波激射器”的論文[1960年，加州休斯實驗室的希奧多·梅曼（Theodore Maiman）演示了基于紅寶石材料的第一束可見波長激光]。在1960年申請專利時，湯斯和肖洛被確認(rèn)為最早的激光器發(fā)明者。

期間，哥倫比亞大學(xué)的研究生戈登·古爾德（Gordon Gould）也在研制激光器，并在1957年稱其為“鐳射”（LASER），后經(jīng)錢學(xué)森建議改譯為“激光”，意即“輻射受激光放大器”。雖然湯斯等在古爾德之前申請了專利，但古爾德還是提起了反訴求，直到1977年授予古爾德另一項激光專利才告休戰(zhàn)。包括梅曼在1960年制造出第一臺激光裝置后，并在《自然》雜志上宣告了這一成果，也使圍繞到底是誰發(fā)明了激光器的爭論進(jìn)一步復(fù)雜化。

今天，激光在現(xiàn)代生活中已經(jīng)司空見慣。它們已被用于原子鐘、光纖通訊、眼外科手術(shù)和超市的條形碼閱讀器上，包括十多項諾貝爾獎被授予與激光有關(guān)的研究。甚至湯斯在90多歲的時候，他還在用激光技術(shù)研究恒星的形狀和大小。

追根究底的有為青年

1915年7月28日，湯斯出生在美國南卡羅來納州的格林維爾。父親是一名律師，家中有6個孩子，湯斯是其中最好問的一個。在1999年的回憶錄《激光器如何產(chǎn)生：一名科學(xué)家的探索》中有這樣的敘述，10歲的他寫了一封圣誕許愿信給18歲的姐姐：

“你曾問我想要什么圣誕禮物。我最想要的是五金工具，因此你最好買下一家五金店。我想要一些馬口鐵剪刀，一些買鐵和木片的錢……一把扁銼，一把玻璃刀，一些來福槍彈丸和一、兩便士的釘頭。”

兩三年之后，他在南卡羅來納州薩魯達(dá)河里捕捉到一條色彩斑斕的魚，但無法判定到底是什么魚。隨后他把這條魚泡在甲醛里，并寄給了史密森研究所。當(dāng)專家回信說從未見過這種魚，并問他能否捕捉到更多這種魚時，湯斯的興趣已經(jīng)轉(zhuǎn)向了別的事物上。

在16歲那年，湯斯考入了福爾曼大學(xué)。期間，他是學(xué)校樂隊的小號手、游泳隊隊員，并為校報撰稿。同時為掙些零花錢他也兼職家庭教師和賣自家農(nóng)場的蘋果。1935年，19歲的他以優(yōu)異的成績從福爾曼大學(xué)畢業(yè)，獲得現(xiàn)代語言學(xué)和物理學(xué)兩個學(xué)士學(xué)位。一年后，湯斯在杜克大學(xué)獲得碩士學(xué)位。1937年他來到了加州理工學(xué)院，1939年獲得博士學(xué)位。畢業(yè)后不久，他加入了貝爾實驗室團(tuán)隊，從事雷達(dá)系統(tǒng)的研發(fā)工作，并于1941年結(jié)婚。1948年，他在哥倫比亞大學(xué)獲得了教職；1961年，他曾短期為美國防務(wù)分析研究所工作，不久便受聘擔(dān)任麻省理工學(xué)院（MIT）教務(wù)長職位。

1967年，湯斯來到了伯克利加州大學(xué)任職博文講座教授，自那時起，他一直在那兒工作。來到伯克利后不久，湯斯的興趣開始轉(zhuǎn)向天文學(xué)：主持研發(fā)了短波無線電望遠(yuǎn)鏡和微波分光計以尋找太空中的復(fù)雜分子；他是第一個在銀河系中心附近發(fā)現(xiàn)氨和疑似水蒸氣的人；他還幫助研發(fā)了用于太空研究的若干紅外光譜工具和技術(shù)。

湯斯一生的大部分時間都在學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)中度過的。期間他不斷地尋找新的挑戰(zhàn)，1985年，在花費十年時間研究紅外線和無線電輻射之后，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了一個位于銀河系中心的大質(zhì)量黑洞。這一發(fā)現(xiàn)極大地提升了人類對宇宙的認(rèn)識。

湯斯曾在眾多政府高級顧問小組任職，并發(fā)展了把激光器應(yīng)用于天文學(xué)的方法。作為一位執(zhí)著的研究者，湯斯一直堅持在辦公室或空間科學(xué)實驗室工作，直到去世前幾個月。在任職政府顧問小組成員期間，湯斯參與了載人航天計劃、MX導(dǎo)彈平臺和核武器測試的聯(lián)邦科學(xué)政策的制訂。

多年來，湯斯獲得了不少享有聲望的獎項。除了諾貝爾獎，有美國國家科學(xué)獎?wù)?、美國國家科學(xué)院的Comstock獎、尼爾斯·玻爾國際金質(zhì)獎?wù)?、美國物理學(xué)會的厄爾勒·普利勒獎、美國宇航局的杰出公共服務(wù)獎?wù)拢约叭脒x美國國家科學(xué)院和美國藝術(shù)和科學(xué)院院士。

除了獻(xiàn)身科學(xué)之外，湯斯還著迷于宗教與科學(xué)的交集。在1966發(fā)表的"科學(xué)與宗教的融合"一文中，他探索了科學(xué)與宗教可能的交互作用并互相啟迪的方式。作為一名發(fā)現(xiàn)科學(xué)與宗教并無沖突的基督徒，湯斯“因精神知識方面的進(jìn)步”于2005年獲得150萬美元的坦普爾頓獎。他把獎金的大部分捐給了學(xué)術(shù)和宗教機(jī)構(gòu)。

與許多科學(xué)家不同的是，湯斯博士從不畏避談?wù)撟诮?。他曾說他相信，物理學(xué)的法則——這些法則導(dǎo)致地球上的生命——是“偶然的”這個說法是“完全靠不住的”。

他還說他相信，“從長遠(yuǎn)來看，科學(xué)和宗教終將融合，因為兩者都在致力于理解我們的宇宙。前者致力于理解宇宙是如何運(yùn)行的，后者則試圖理解宇宙的目的?！@個目的與宇宙運(yùn)行的方式一定是有密切聯(lián)系的?！?/p>

[資料來源：www.washingtonpost.com] [責(zé)任編輯：則鳴]