查爾斯·哈德·湯斯

　　查爾斯·哈德·湯斯，美國物理學(xué)家。1915年7月28日生于南卡羅來納州格林維爾。 湯斯是一位律師的獨生子。1935年以人成等成績畢業(yè)于故鄉(xiāng)的福曼大學(xué)。他在杜克大學(xué)獲得碩士學(xué)位，然后去西部深造，于1939年在加利福尼亞理工學(xué)院獲得博士學(xué)位。在第二次世界大戰(zhàn)期間以及戰(zhàn)后的幾年中，他在貝實驗室從事雷達投彈系統(tǒng)的設(shè)計工作。 1948年他遇到拉比。拉比建議他去哥倫比亞大學(xué)。這正合湯斯的心愿，遂進入哥倫亞大學(xué)物理系。1950年起在那里就任正教授。 雷達技術(shù)涉及到微波的發(fā)射和接收，而微波是指頻譜介于紅外和無線電波之間的電磁波。在哥倫比亞大學(xué)，湯斯以最全面的方式孜孜不倦地致力于這個課題。 湯斯渴望有一種產(chǎn)生高強度微波的器件。通常的器件只能產(chǎn)生波長較長的無線電波，若打算用這種器件來產(chǎn)生微波，器件結(jié)構(gòu)的尺寸就必需極小，以致于無實際實現(xiàn)的可能性。 1951年的一個早晨，湯斯坐在華盛頓市一個公園的長凳上等待飯店開門，以便去進早餐。這時他突然想到，如果用分子，而不用電子線路，不是就可以得到波長足夠小的無線電波嗎？分子具有各種不同的振動形式，有些人發(fā)子的振動正好和微波波 段范圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛�。就氨分子來說，在適當?shù)臈l件下，它每秒振動24，000，000，000次，因此有可能發(fā)射波長為1.25厘米的微波。 他設(shè)想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處于“激發(fā)“狀態(tài)。然后，再設(shè)想使這些受激的分子處于具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個微波束的能量可以是很微弱的。一個單獨的氨分子就會受到 到這一微波束的作用，以同樣波長的數(shù)波形式放出它的能量，這一能量雙繼而作用于另一個氨分子，使它也放出能量。這個很微弱的入射微波束相當于起立腳點對一場雪崩的促發(fā)作用，最后就會產(chǎn)生一個很強的微波束。最初用來激發(fā)分子的能量就全部轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N特殊的輻射。 湯斯在公園的長凳上思考了所有這一切，并把一些要點紀錄在一只用過的信封的反面。（科學(xué)史上又一件帶浪漫色彩的事實！）1953年12月，湯斯和 他的學(xué)生終于制成了按上述原理工作的的一個裝置，產(chǎn)生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射微波放大”。按其英文的首字母縮寫為m.a.s.e.r,并由之造出了單“maser}（脈澤）（這樣的單詞稱為首字母縮寫詞，在技術(shù)語中越來越普遍使用）。 脈澤有許多有趣的用途。氨分子的振動穩(wěn)定而精確，用它那穩(wěn)定精確的微波頻率，可用來測定時間。這樣，脈澤實際上就是一種“原子鐘”，它的精度遠高于以往所有的機械計時器。 脈澤還可以用來向不同的方向發(fā)射微波束。如果以太存在的話，那么地球在以太中運動，于是頻率將隨方向而變化。1960年1月做了這個試驗，結(jié)果是波長沒有發(fā)生變化。這個實驗的精度是前無先例的，能測出小到10^-12的相對頻率偏差，這更確鑿地證實了七十多年前邁克耳孫-莫雷的實驗結(jié)果，這個實驗以及當時發(fā)現(xiàn)不久的穆斯堡爾效應(yīng)，都證實了愛因斯坦的相對論理論。 湯斯意識到，若用固體分子來替代氨分子，根據(jù)肖克利所建立的固體和新概念，用途更廣泛的裝置也能制成。在五十年代后期，湯斯和其他一些科學(xué)家確實制成了固體脈澤。這種脈澤在放大微波信號時所造成的隨機輻射（“噪聲”）比以往的任何放大方式都低得多，這意味著它對極微弱信號的放大遠比其它已知的方法更為有效。1960年，用這種方法放大了從皮爾斯的“回聲i號”衛(wèi)星射到金星后又射回來的幾乎消失殆盡的微弱信號。 1957年，湯斯開始思索設(shè)計一種能產(chǎn)生 紅外或可見光---而不是微波---脈澤的可能性。他和他的姻弟在1958年發(fā)表了有關(guān)這方面的文章。1960，梅曼首先制成了這樣的器件---用一根紅寶石棒產(chǎn)生間斷的紅光脈沖。這種光是相干的，也就是傳播時不會漫散開，幾乎始終保持成一窄束光。即使將這樣的光束射到二十多萬英里之外的月球上，光點也只擴展到一、二英里的范圍。它的能量耗損也很小，這樣，人們就自然想到向月球表面發(fā)射脈澤束，以繪制月面地形圖，這種方法遠比以往的望遠鏡有效得多。大量的能量聚集在和很窄的光束中，使它還能用于醫(yī)學(xué)（例如在某些眼科手術(shù)中）和化學(xué)分析，它能使物體的一小點汽化，從而進行光譜研究。 這種光比以往產(chǎn)生的任何光具有更強的單色性。光束中的所有光都具有相同的波長，這意味著這種光束經(jīng)調(diào)制后可用來傳送信息，和普通無線電通信中被調(diào)制的無線電載波幾乎一樣。由于光的頻率很高，在給定的頻帶上，它的信息容量遠大于頻率較低的無線電波，這就是用光作載波的優(yōu)點。 可見光脈澤稱為“光脈澤”或“萊塞”(laser),它是來自“受激輻射光放大”英文全稱的首縮詞。萊塞又稱激光。 為此，湯斯榮獲了1964年諾貝爾物理學(xué)獎，同時獲獎的還有普科和巴索夫，他們也獨立地完成了這方面的理論工作。