1964年诺贝尔物理学奖

1964年诺贝尔物理学奖

1964年的物理学奖有三位获奖者，分别是美国的查尔斯·汤斯（Charles H.Townes）（获得奖金的一半）和前俄罗斯的亚历山大·普罗霍罗夫（Aleksandr M.Prokhorov）和尼古拉·巴索夫（Nikolay G.Brasov）（二者分享另一半奖金）。表彰他们在量子电子学领域的基础性研究，为微波激射器、激光器的发明奠定了理论基础，并且研制出微波激射器。

查尔斯·哈德·汤斯（Charles Hard Townes，1915—2015），生于南卡罗来纳州格林维尔（Greenville）。1930年进入福曼（Furman）大学，他不仅物理学得很好，还对语言科学有特殊的兴趣。1935年，他19岁时，就获得了物理和语言学两个学科的学位。大学期间，他在很多方面都得到了发展，曾是博物馆的讲解员和校刊记者，参加了游泳队和足球队。1936年在杜克（Duke）大学获得硕士学位。1939年在加州理工学院获得博士学位。第二次世界大战期间以及战后的几年中，他在贝实验室从事雷达投弹系统的设计工作。1948年他遇到拉比。拉比建议他去哥伦比亚大学。这正合汤斯的心愿，遂进入哥伦亚大学物理系。1967年起担任加州大学伯克利分校教授直到去世。

二战期间，汤斯在贝尔实验室技术部工作，致力于雷达轰炸瞄准系统，并取得了多项技术专利，因此，他对微波技术比较熟悉。当时，人们力图提高雷达的工作频率以改善测量精度。美国空军要求他们研制频率为24000MHz的雷达，实验室把这个任务交给了汤斯。汤斯对这项工作有自己的看法，

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他认为这样的高的频率对雷达不适用，因为辐射极易被大气中的水蒸汽吸收，导致雷达信号无法在空间传播。但是美国空军坚持让他这样做下去。结果仪器做出来了，在军事上毫无价值，却成了汤斯手中极为有利的实验装置。这台仪器达到了当时前所未有的高频率和高分辨率，汤斯从此对微波波谱学产生了兴趣，成了这方面的专家，他研究的是微波和分子间的相互作用。

这时，珀赛尔和庞德在哈佛大学已经实现了粒子数反转（指的是高能级的集居数密度大于低能级的集居数密度的特殊情况，这时有可能发生受激辐射），不过信号太弱，无法加以利用。当时人们已经认识到，粒子数反转是信号放大的必要条件。汤斯认为，并不是不能实现粒子数反转，而是没有办法放大。他一直在苦思这个问题。他设想如果将介质置于调谐腔内，利用振荡和反馈，也许可以放大。汤斯很熟悉无线电工程，所以别人没想到的，他先想到了。

1951年的一天，汤斯在华盛顿参加一个毫米波会议，他和肖洛（A.L.Schawlow）同住一个房间，后来肖洛成为汤斯的重要合作者。汤斯起床很早，为了不打扰肖洛，他到外面公园的长椅上坐下，等待早餐店开门。这时，他的头脑中思考着是什么原因无法制成毫米波发生器的问题。他需要找到一种制作体形极小而又精致的谐振器的方法。这种谐振器具有可以与电磁场耦合的某种能量。也许是早晨新鲜的空气给汤斯的头脑注入了活力，让他突然想到一个方案。如果用分子，而不用电子线路，不是就可以得到波长足够小的无线电波吗？分子具有各种不同的振动形式，有些分子的振动正好

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和微波波段范围的辐射相同。问题是如何将这些振动转变为辐射。就氨分子而言，在适当的条件下，它每秒振动2.4×1010次，因此有可能发射波长为1.25厘米的微波。他设想通过热或电的方法，把能量泵入氨分子中，使它们处于“激发“状态。然后，再想办法使这些受激的分子处于具有和氨分子的固有频率相同的微波束中——这个微波束的能量可以是很微弱的。一个单独的氨分子就会受到这一微波束的作用，以同样波长的形式放出它的能量，这一能量继而作用于另一个氨分子，使它也放出能量。这个很微弱的入射微波束相当于对一场雪崩的促发作用，最后就会产生一个很强的微波束，最初用来激发分子的能量就全部转变为一种特殊的辐射。汤斯在公园的长凳上思考了所有这一切，并把一些要点纪录在一只用过的信封的反面。

在接下来的会议上，汤斯没有透露任何想法，他立即返回哥伦比亚，把他的研究组成员召集起来，开始按他的新方案进行工作。这个组的成员有博士后齐格尔（H.J.Zeiger）和博士生戈登（J.P.Gordon）。后来齐格尔离开哥伦比亚，由中国学生王天眷接替。汤斯选择氨分子作为激活介质，这是因为他从理论上预见到，氨分子的锥形结构中有一对能级可以实现受激辐射，跃迁频率为23870MHz。氨分子还有一个特性，就是在电场作用下，可以感应产生电偶极矩。氨的分子光谱早在1934年就有人用微波方法进行了透彻研究，1946年又有人对其精细结构进行了观察，这都为汤斯的工作提供了条件。汤斯小组历经两年时间，终于在1953年制成了第一台微波激射器，取名为“微波激射放大器”（Microwave

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Amplfication by Stimulated Emission of Radiation），简称MASER。

与此同时，还有几个科研团队在尝试实现微波的放大。其中有前苏联莫斯科的列别捷夫物理研究所的普洛霍洛夫和巴索夫小组，他们一直在研究分子转动和振动光谱，探索利用微波波谱的方法建立频率和时间的标准。他们认定，只要人为改变能级的集居数（电子在分子骨架上的确定密度），就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。他们也用非均匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组的晚了几个月才运转。

亚历山大·米哈伊洛维奇·普罗霍罗夫（Aleksandr Mikhailovich Prokhorov，1916—2002），出生于澳大利亚昆士兰州艾瑟顿一个流亡的俄国革命工人家庭里，1923年回到祖国苏联。从小学到大学，他的学习成绩始终名列前茅。1939年以优异成绩毕业于列宁格勒大学物理系，同年进入苏联科学院列别捷夫研究所振动实验室当研究生。1941年—1944年战争期间在作战部队服役，负伤后复员回到列别捷夫研究所，继续从事研究工作。普罗霍罗夫在他当研究生的1944年—1950年间，就建立了关于电子管振荡器中的频率稳定性理论，首次获得同步加速器中电子的超高额相干辐射，并开始了气体波谱学的研究。就在这些研究中，他萌发了研制分子振荡器的想法。普罗霍罗夫所依据的原理是物质中电子的受激发射效应。实际上就是爱因斯坦早在1916年就提出的受激辐射概念。设有两个能级，其能量分别为E1及E2，若上能级粒子数密度大于下能级粒子数密度，就形成了“粒子数反转”

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