ТАУНС (Townes), Чарлз Хард

род. 28 июля 1915 г.

Нобелевская премия по физике, 1964 г.
совместно с Николаем Басовым и Александром Прохоровым

Американский физик Чарлз Хард Таунс родился в Гринвилле (штат Южная Каролина); он был четвертым из шести детей Генри Кейта Таунса, адвоката, и Эллен Самтер (в девичестве Хард) Таунс. Выросший на ферме в двадцать акров в окрестностях Гринвилля, мальчик стал рано проявлять интерес к природе. Обнаружив блестящие способности в школе и перескочив через седьмой класс, он поступил в Фурманский университет в Гринвилле в 16-летнем возрасте. Окончив его в 1935 г. с двойным отличием, он стал бакалавром наук в области физики и бакалавром искусств в области современных языков. Хотя он выбрал физику своим основным занятием, привлеченный ее логикой и изяществом ее структуры, он в жизни прекрасно читал на французском, немецком, испанском, итальянском и русском языках. После годичной аспирантуры в Дьюкском университете Т. получил степень магистра по физике в 1936 г., а затем и докторскую степень в 1939 г. в Калифорнийском технологическом институте. Его докторская диссертация называлась «Разделение изотопов и определение спина ядра углерода-13» («The Separation of Isotopes and the Determination of the Spin of the Nucleus of Carbon 13»).

Первая работа Т. проходила в лабораториях телефонной компании «Белл», где он оставался с 1939 по 1947 г., занимаясь главным образом и весьма успешно задачами военно-прикладного характера, как, например, разработкой авиационного радара для прицельного бомбометания. Примечательно, что его успех однажды состоял в предсказании неудачи. Во время войны в радарах использовалась длина волны в 3 см (соответствует частоте 10000 мегагерц). После войны руководство военно-воздушных сил попросило компанию «Белл» разработать радар, который работал бы на длине волны в 1,25 см (24 000 мегагерц). Более высокочастотный радар должен был не только обеспечить более высокую точность, но и должен был иметь меньший вес и занимать меньше места в самолете. Т. предсказал, что новая система окажется неэффективной, поскольку водяные пары в атмосфере поглощают энергию именно этой частоты. Не убежденные в этом, ВВС построили радар, и их постигла неудача. Однако этот случай пробудил у Т. интерес к взаимодействию высокочастотных радиоволн (микроволн) с молекулами.

В 1948 г. Т. был назначен адъюнкт-профессором физики в Колумбийском университете. Он стал исполнительным директором университетской радиационной лаборатории в 1950 г., возглавлял физический факультет с 1952 по 1955 г. и оставался в университете полным профессором до 1961 г. В течение этого периода он также учился музыке и вокалу в вечерних классах музыкальной школы Жуйяра. Выполняя научные исследования в Колумбийском университете, Т. понял, что поглощение микроволн может служить основой для новой техники – микроволновой спектроскопии, позволяющей определять строение молекул.

Во время работы Т. в компании «Белл» радарные волны генерировались электронами, осциллирующими внутри металлических резонаторов, размеры которых определялись с высокой точностью. Эти размеры определяли длину волны, и самая короткая достижимая длина волны была около 1 мм (300 000 мегагерц). Т. задумал в противоположность этому использовать естественные свойства молекул, чтобы преодолеть эти ограничения.

В конце XIX – начале XX в. физики установили, что у молекул и атомов энергия принимает дискретные значения и наименьшее из энергетических состояний, или уровней, называется основным состоянием. Множество «допустимых» уровней индивидуально для конкретного атома или молекулы. Энергия связана с конфигурациями и движением электронов вокруг ядра атома. Точно так же и электромагнитное излучение в виде, например, тепла, радиоволн или света состоит из дискретных пучков энергии (фотонов), величина которой пропорциональна частоте волн. Атом или молекула могут поглотить фотон, энергия которого равна разности между двумя уровнями, и подняться в результате на более высокий энергетический уровень. В этом случае говорят, что атом находится в возбужденном состоянии. Возбужденные атомы или молекулы обладают, еледовательно, избыточной энергией. Вскоре после возбуждения они переходят на более низкий энергетический уровень спонтанным образом, выделяя энергию в виде фотона, равную разности между двумя уровнями. В 1917 г. Альберт Эйнштейн открыл индуцированное излучение, третий процесс при взаимодействии излучения с материей в дополнение к поглощению и спонтанному излучению. В этом процессе возбужденные атомы или молекулы, подверженные воздействию излучения, энергия фотонов которого соответствует разности между возбужденным и основным уровнями, немедленно возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, неотличимые от тех, которые стимулировали этот возврат.

Т. понял, что индуцированное излучение дает способ освобождения избытка энергии возбужденных молекул путем усиления излучения, вызвавшего такое освобождение. Для того чтобы это осуществить, было необходимо получить большое количество возбужденных молекул, сравнимое с количеством молекул, находящихся в основном состоянии. Т. нашел практический способ для осуществления подобного замысла с помощью положительной обратной связи в резонансном контуре, сходном по сути с осцилляторами, генерирующими радиоволны в радиопередатчиках.

Николай Басов и Александр Прохоров (СССР) пришли независимо к аналогичным выводам. Т. вместе с аспирантами Колумбийского университета построил работающий прибор в декабре 1953 г. и назвал его «мазер» – сокращение от английского выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation: микроволновое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения. В первом мазере молекулы аммиака проходили через электрические поля специальной конфигурации, которые отталкивали молекулы, находящиеся в основном состоянии, и фокусировали возбужденные молекулы в резонансной полости. Когда в полости накапливалась достаточная концентрация возбужденных молекул, становилась возможной осцилляция. Небольшая порция излучения нужной частоты (с энергией фотона, равной разности между основным и возбужденным состояниями у молекулы аммиака) может вызвать лавинообразный рост индуцированного излучения, возбуждение еще большего числа молекул, находившихся в основном состоянии, и еще большее возрастание этого излучения. В результате получается мощный усилитель излучения. Разность энергий в основном и возбужденном состояниях у молекулы аммиака определяет энергию выделяющихся фотонов и, следовательно, частоту, которая в данном случае лежит в микроволновом диапазоне.

Вскоре выяснилось, что мазеры обладают столь стабильной частотой, что могут служить высокоточными часами. С помощью двух мазеров Т. и его коллеги проверили и подтвердили специальную теорию относительности Эйнштейна, причем эту проверку позже назвали наиболее точным физическим экспериментом в истории.

Во время своего творческого отпуска в Париже в 1956 г. Т. вместе с коллегами показал в Парижском университете, что действие мазера можно осуществить с помощью процесса из трех уровней в некоторых твердых кристаллах, содержащих примеси. Излучение подходящей частоты может возбудить атомы примесей до самого высокого из трех уровней. Затем эти атомы, потеряв часть своей энергии, оказываются «пойманными» относительно стабильным промежуточным энергетическим состоянием. Затем к действию мазера и выделению излишней энергии в виде излучения добавляется скачок из промежуточного в основное состояние, сопровождающийся усилением входного излучения той же частоты. В такой системе к физическому носителю мазера следует прикладывать энергию большей частоты (с более короткой длиной волны), чем усиливаемая, поскольку атомы нужно возбудить до более высокого, третьего, уровня. Вскоре мазер стал выполнять роль высокочувствительного усилителя с низким уровнем шума для приема микроволн во многих различных системах. Так, например, в радиоастрономии он позволил распознавать радиоисточники на огромных расстояниях от Земли.

В 1958 г. Т. и его шурин Артур Л. Шавлов сформулировали требования, которые необходимо выполнить, чтобы построить мазер, действующий в более высокочастотной области, соответствующей инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому свету. Два года спустя американский физик Теодор Мейман построил такой прибор, излучавший красный свет, в котором в качестве резонансной полости использовался стержень из искусственного рубина с зеркальными концами, а возбуждаемыми атомами служили атомы хрома, вкрапленные в рубин. Этот прибор назвали лазером от английского выражения light amplification by stimulated emission of radiation – световое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения. Дальнейшее развитие лазеров носило лавинообразный характер, приведя к образованию новой области, получившей название квантовой электроники. Ныне лазеры используются в связи, машиностроении, медицине, инструментальных и измерительных приборах, в искусстве и в военных областях.

Т: разделил в 1964 г. Нобелевскую премию по физике с Николаем Басовым и Александром Прохоровым «за фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию осцилляторов и усилителей, основанных на мазерно-лазерном принципе».

С 1959 по 1961 г. Т. был вице-президентом и директором по науке Института оборонных исследований, занимающегося вопросами обороны, стратегии и системами вооружений. В 1961 г. он занял пост проректора и профессора физики Массачусетского технологического института, а в 1966 г. был назначен университетским профессором физики в Калифорнийском университете в Беркли, где и работает в этом качестве и поныне.

Во время службы в Институте оборонных исследований Т. продолжал активно участвовать в вопросах разработки научной политики, в работе многочисленных местных и правительственных комитетов. В Калифорнийском университете Т. и его коллеги в области инфракрасной и микроволновой астрономии открыли первые многоатомные молекулы в межзвездном пространстве, а именно молекулы аммиака и воды. Он также ввел новые современные методы инфракрасного детектирования, использующие лазерные осцилляторы, в астрономическую спектроскопию и интерферометрию. Эта работа привела к созданию в 1987 г. системы передвижных инфракрасных телескопов, которая, по словам Т., позволит различить в 100 раз больше деталей, чем обычный радиотелескоп.

Т. был членом правления Солковского института биологических исследований с 1963 по 1968 г. и компании «Рэнд корпорейшн» в 1965...1970 гг. Он являлся членом научно-консультативной группы ВВС США с 1958 по 1961 г. и возглавлял Научно-технологический консультативный комитет по полетам человека в космос при НАСА с 1964 по 1969 г. В 1969 г. он член Президентской группы по национальной научной политике, в 1971...1973 гг. – научный советник компании «Дженерал моторе».

В 1941 г. Т. женился на Фрэнсис Браун. У них четыре дочери. Любитель-натуралист, Т. увлекается музыкой, языками, подводным плаванием и путешествиями.

Кроме Нобелевской премии, Т. получил премию Комстока американской Национальной академии наук (1959); медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1959, 1962); премию по электронике Дэвида Сарноффа Американского электротехнического института (1961); медаль Джона Карти американской Национальной академии наук (1962); почетную медаль за общественную деятельность, присуждаемую НАСА (1969); международную золотую медаль Нильса Бора Датского общества инженеров – строителей, электриков и механиков (1979) и Национальную медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1982). Он член американской Национальной академии наук, Института инженеров по электротехнике и электронике, Американской академии наук и искусств, Американского философского общества и Американского астрономического общества. Является иностранным членом Лондонского королевского общества. Он получил почетные ученые степени от более чем двадцати колледжей и университетов и является членом редколлегий журналов «Ревью оф сайентифик инструменте» («Review of Scientific Instruments»), «Физикал ревью» («Physical Review»), «Джорнэл оф молекуляр спектроскопи» («Journal of Molecular Spectroscopy»).

Ранее опубликовано:

Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия: Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992.
© The H.W. Wilson Company, 1987.
© Перевод на русский язык с дополнениями, издательство «Прогресс», 1992.

Дата публикации:

4 мая 2001 года