Физика

Нобелевские лауреаты: Чарльз Хард Таунс

От мазеров к черным дырам

Американский физик Чарлз Хард Таунс

Academy of Achievement/Jonathan Breeze/Imperial College London/Indicator.Ru

Как стать дважды бакалавром-отличником одновременно, поставить на место ВВС США и перейти вместе с микроволнами от земных исследований к космическим, рассказывает новый выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Чарльз Хард Таунс

Родился 28 июля 1915 года, Гринвилл, Южная Каролина, США

Умер 27 января 2015 года, Окленд, Калифорния, США

Нобелевская премия по физике 1964 года (совместно с Александром Прохоровым и Николаем Басовым). Формулировка Нобелевского комитета: «За фундаментальные работы в области квантовой электроники, которые привели к созданию генераторов и усилителей на лазерно-мазерном принципе (for fundamental work in the field of quantum electronics, which has led to the construction of oscillators and amplifiers based on the maser-laser principle)».

Человек, который придумал и создал мазер, был четвертым из шести детей в семье адвоката Генри Кейта Таунса и его супруги Элен Самтер Хард (в честь девичьей фамилии матери будущий лауреат Нобелевской премии и получил свое второе имя).

Как потом вспоминал сам Таунс, интерес к природе с самых ранних лет пробудила у него жизнь на ферме в 20 акров. Впрочем, интерес и любопытство сопровождались способностями к учебе: Чарльз блестяще учился в школе, перескочил через класс и поступил в Университет Фурмана в Гринвилле в 16-летнем возрасте. При этом он окончил его дважды в возрасте 20 лет, получив две бакалаврские степени с отличием — в области физики и в области языков. Потом Таунс весьма сносно владел, помимо родного, русским, итальянским, испанским, немецким и французским языками.

В Университете Дьюка он стал магистром (1936), в Калифорнийском технологическом — PhD с диссертацией «Разделение изотопов и определение спина ядра углерода-13» (1939). Талантливым ученым заинтересовался бизнес: его рекрутировала Bell Laboratory, где он проработал восемь лет (в том числе всю Вторую мировую) по военной тематике — разрабатывая радары для бомбометания. Однажды ему удалось показать, что более высокочастотный радар, который хотели военные, может быть и будет теоретически более точным, но не будет работать, поскольку водяные пары атмосферы будут поглощать более высокочастотное излучение. Военные не послушались — и потом Таунс с превосходством смотрел на них.

В 1948 году исследователь перевелся в Колумбийский университет и решил заняться развитием той темы, над которой он размышлял, делая радары для военных. Излучение радаров генерировалось электронами, осциллирующими внутри металлических резонаторов, размеры которых определяли длину волны радарного излучения. Самая короткая достижимая длина волны радара была около 1 мм (300 000 мегагерц). Физик задумался, можно ли обойти этот предел, и придумал использовать естественные свойства молекул.

К тому времени уже 30 лет было известно индуцированное излучение, открытое Альбертом Эйнштейном, — третий процесс при взаимодействии излучения с материей в дополнение к поглощению и спонтанному излучению. В нем возбужденные атомы или молекулы, подверженные воздействию излучения, энергия фотонов которого соответствует разности между возбужденным и основным уровнями, немедленно возвращаются в основное состояние, испуская фотоны, такие же, как те, которые возбудили атом или молекулу. Таунс понял, что это вынужденное излучение дает способ освобождения избытка энергии возбужденных молекул путем усиления излучения, вызвавшего такое возбуждение. Одновременно с Таунсом к таким же выводам пришли советские физики Александр Прохоров и Николай Басов, но, в отличие от них, Таунс сумел практически воплотить свои идеи. В декабре 1953 года в Колумбийском университете заработал первый в мире мазер (от microwave amplification by stimulated emission of radiation). Еще через пять лет Таунс вместе со своим шурином Артуром Шавловым запатентовали принципы «мазера в видимом диапазоне» — лазера. Но Нобелевскую премию дали все-таки Таунсу и Басову с Прозоровым. Впрочем, Шавлов свою премию еще получит — но за совсем другие работы (определение энергии атомных уровней).

Артур Шавлов

Getty Images

В 1967 году Таунс перебрался в Университет Калифорнии в Беркли, где сменил направление и обратился к астрофизике. Точнее — к радиоастрономии. Таунс начал разрабатывать устройства для микроволновой астрономии — и совершил важный вклад в астрохимию, став первым ученым, который обнаружил в межзвездном пространстве многоатомные молекулы — воду и аммиак. Он же стал одним из тех, кто первыми измерили массу сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики.

На этом он не остановился — созданная при его участии сеть инфракрасных телескопов, которые работали в режиме интерферометрии (Infrared Spatial Interferometer), помогла определить размер и неправильную форму звезды-гиганта Бетельгейзе.

Без малого век, прожитый Чарльзом Таунсом, вместил в себя успехи во всех начинаниях и смену сразу нескольких научных областей — слишком много для одной Нобелевской премии.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.