Чарльз Таунс

Чарльз Таунс — американский физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1964), один из создателей мазера и лазера. Его работы в области квантовой электроники и молекулярной спектроскопии заложили основы для развития квантовой оптики, лазерной техники и радиоастрономии.

Биография

Ранние годы и образование

Чарльз Хард Таунс родился 28 июля 1915 года в Гринвилле, штат Южная Каролина, США. Он был вторым из четырёх детей в семье адвоката Генри Кейта Таунса и Эллен Хард Таунс. С детства проявлял интерес к науке и технике, самостоятельно собирал радиоприёмники и изучал природу света. В 1935 году окончил Университет Фурмана со степенью бакалавра по физике и современным языкам. В 1939 году получил степень магистра по физике в Университете Дьюка, а в 1941 году — докторскую степень (Ph.D.) по физике в Калифорнийском технологическом институте (Калтех). Его диссертация была посвящена исследованию молекулярных спектров.

Научная карьера

После защиты диссертации Таунс работал в Bell Telephone Laboratories (1941–1948), где занимался разработкой радиолокационных систем и изучением свойств материалов на сверхвысоких частотах. В 1948 году перешёл в Колумбийский университет в Нью-Йорке, где стал профессором физики. В 1950-х годах его исследования сосредоточились на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, что привело к созданию мазера.

В 1961 году Таунс стал профессором Массачусетского технологического института (MIT), а в 1967 году — профессором Калифорнийского университета в Беркли, где работал до конца жизни. Он также занимал пост президента Американского физического общества (1967) и советника правительства США по вопросам науки и технологий.

Личная жизнь и смерть

В 1941 году Таунс женился на Фрэнсис Браун, с которой прожил более 60 лет. У них родилось три дочери. Чарльз Таунс скончался 27 января 2015 года в Окленде, штат Калифорния, в возрасте 99 лет.

Научные достижения

Создание мазера

Основной вклад Таунса в науку — создание первого мазера (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation — усиление микроволн с помощью вынужденного излучения). Идея устройства возникла в 1951 году, когда Таунс, работая в Колумбийском университете, искал способ генерации когерентного излучения в микроволновом диапазоне. В 1953 году совместно с аспирантами Джеймсом Гордоном и Гербертом Цайгером он построил действующий мазер на основе аммиака. Устройство использовало инверсию населённостей энергетических уровней молекул аммиака для усиления микроволнового сигнала. За это достижение Таунс, а также независимо от него работавшие советские физики Николай Басов и Александр Прохоров, были удостоены Нобелевской премии по физике в 1964 году.

Разработка лазера

В 1958 году Таунс и его шурин, физик Артур Шавлов, опубликовали теоретическую работу, в которой обосновали возможность создания оптического мазера — лазера (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Они предложили использовать резонатор Фабри — Перо для получения когерентного света в видимом и инфракрасном диапазонах. Хотя первый действующий лазер был построен Теодором Майманом в 1960 году, теоретические основы, заложенные Таунсом и Шавловым, стали ключевыми для развития лазерной техники.

Молекулярная спектроскопия и радиоастрономия

Таунс внёс значительный вклад в молекулярную спектроскопию, разработав методы изучения вращательных и колебательных спектров молекул. Он также одним из первых применил мазеры для усиления слабых радиосигналов из космоса, что привело к открытию межзвёздных молекул (аммиака, воды, формальдегида) в 1960–1970-х годах. Эти исследования положили начало молекулярной радиоастрономии.

Квантовая оптика и нелинейная оптика

Работы Таунса по взаимодействию интенсивного лазерного излучения с веществом привели к развитию нелинейной оптики. Он изучал такие явления, как самофокусировка света, генерация гармоник и параметрические процессы. В 1960-х годах он также участвовал в первых экспериментах по оптическому смешению и созданию сверхкоротких лазерных импульсов.

Классификация и типы мазеров и лазеров

Хотя Таунс не создавал классификацию лазеров, его работы определили основные типы устройств, основанных на вынужденном излучении:

• Мазеры: работают в микроволновом диапазоне. Примеры: аммиачный мазер (Таунс, 1953), водородный мазер (Норман Рамзей, 1960).
• Лазеры: работают в оптическом диапазоне. Примеры: рубиновый лазер (Майман, 1960), гелий-неоновый лазер (Али Джаван, 1960), полупроводниковые лазеры.
• Квантовые усилители: устройства, использующие вынужденное излучение для усиления сигнала без генерации.

Применение и значение

Работы Таунса нашли применение в:

• Научных исследованиях: спектроскопия, квантовая оптика, радиоастрономия.
• Медицине: лазерная хирургия, терапия, диагностика.
• Промышленности: лазерная резка, сварка, маркировка.
• Связи: оптоволоконные линии, лазерные дальномеры.
• Военных технологиях: лазерные системы наведения, оружие направленной энергии.

Критика и споры

В научном сообществе не было серьёзной критики в адрес Таунса. Однако в 1960-х годах возник спор о приоритете в создании лазера между Таунсом и Гордоном Гулдом, который независимо предложил идею лазера в 1957 году. В 1977 году Гулд получил патент на лазер, но Таунс и Шавлов остались признанными авторами теоретических основ. Также Таунс критиковался за участие в разработке лазерных систем для ПРО США (противоракетная оборона), что некоторые считали милитаризацией науки.

Интересные факты

• Таунс был одним из первых учёных, предложивших использовать лазеры для связи с внеземными цивилизациями (проект SETI).
• В 2005 году он подписал «Обращение учёных к мировым лидерам» с призывом к ядерному разоружению.
• В честь Таунса назван астероид (13149) Таунс.
• Он был членом Национальной академии наук США, Американской академии искусств и наук, а также иностранным членом Лондонского королевского общества.

Источники

• Charles H. Townes. How the Laser Happened: Adventures of a Scientist. — Oxford University Press, 1999.
• Charles H. Townes. Nobel Lecture: «Production of Coherent Radiation by Atoms and Molecules» (1964).
• Bertolotti M. The History of the Laser. — CRC Press, 2004.
• Hecht J. Beam: The Race to Make the Laser. — Oxford University Press, 2005.
• Документы и статьи из архива Чарльза Таунса (Библиотека Калифорнийского университета в Беркли).