查爾斯·H·湯斯（1915－2015）

呂吉爾/編譯

查爾斯·H·湯斯（1915－2015）

呂吉爾/編譯

諾貝爾物理學獎得主、激光的共同發明者、伯克利加州大學教授查爾斯· H·湯斯（Charles H. Townes），于2015年1月27日在美國加州西部港市奧克蘭去世，享年99歲。

湯斯博士對物理學的最大貢獻是發明了微波激射器——激光器的前身——并發展了可見光范圍內平行相干光子發生裝置的理論，為激光的研制奠定了理論基礎。激光器是一種具有廣泛應用領域——如醫學、商業、通信和宇宙學——的實用裝置。

湯斯生前說，他的主要興趣在于理解事物，并養成了平均10年～15年換一個領域的習慣，從一個主題轉到另一個主題。因為他總是在尋找需要破解的難題，好奇心驅使他的研究從原子轉到天文，又從光束轉到黑洞。然而在大蕭條時期，由于找不到合適的教學職位，湯斯加入了紐約的貝爾電話實驗室（后遷至新澤西州），在那兒從事發展雷達和導航裝置的工作。

湯斯經常說，自己的物理學背景和在貝爾實驗室的訓練，致使他從事微波激射器的研究工作——一種通過所謂的"受激輻射發射"過程獲得微波放大的裝置。而激光則產生于此種方式放大的光波。1964年，湯斯與前蘇聯科學家尼科萊·巴索夫(Nikolay G.Basov)和亞歷山大·普羅霍羅夫（Aleksander M.Prokhorov）一起分享了當年度的諾貝爾物理學獎，以表彰他們的工作導致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器。

異想天開的閃光點子

1951年4月26日，當時在哥倫比亞大學工作的湯斯（后任職該校輻射實驗室主任）在華盛頓參加會議。一天他坐在富蘭克林廣場上的長凳上思索著如何產生短波（長）、高頻率光束的方法，突然間，他想到了利用共振腔使分子振動而發出相干光束，進而產生微波純爆的方法。湯斯意識到，這需要一個對自然發光狀態約束并加以放大的裝置。后來他把這一過程稱為“受激發射”。

通常，光束是一些"興奮"的電子回規正常能級時產生的。一般情況下，這是個無序的，即"不相干的"過程，在這個過程中，電子可向任意方向輻射。1954年，湯斯和他在哥倫比亞大學的學生造出了一臺微波激射器原型裝置，該裝置利用通電的氨分子產生的微波受激發射。其過程是，當電子進入興奮狀態后，在受控的連鎖反應中會發出額外的能量，光子數會成倍的增加。這樣，相對較弱的光束會變得越來越強大和相干。

三年后，湯斯和貝爾實驗室的阿瑟·L·肖洛（Arthur L.Schawlow）建議將類似的程序應用于光波。光學微波激射器——后來稱為激光器——的概念就是這樣產生的。1958年，湯斯和肖洛在《物理學評論》上發表了一篇描述“光學微波激射器”的論文[1960年，加州休斯實驗室的希奧多·梅曼（Theodore Maiman）演示了基于紅寶石材料的第一束可見波長激光]。在1960年申請專利時，湯斯和肖洛被確認為最早的激光器發明者。

期間，哥倫比亞大學的研究生戈登·古爾德（Gordon Gould）也在研制激光器，并在1957年稱其為“鐳射”（LASER），后經錢學森建議改譯為“激光”，意即“輻射受激光放大器”。雖然湯斯等在古爾德之前申請了專利，但古爾德還是提起了反訴求，直到1977年授予古爾德另一項激光專利才告休戰。包括梅曼在1960年制造出第一臺激光裝置后，并在《自然》雜志上宣告了這一成果，也使圍繞到底是誰發明了激光器的爭論進一步復雜化。

今天，激光在現代生活中已經司空見慣。它們已被用于原子鐘、光纖通訊、眼外科手術和超市的條形碼閱讀器上，包括十多項諾貝爾獎被授予與激光有關的研究。甚至湯斯在90多歲的時候，他還在用激光技術研究恒星的形狀和大小。

追根究底的有為青年

1915年7月28日，湯斯出生在美國南卡羅來納州的格林維爾。父親是一名律師，家中有6個孩子，湯斯是其中最好問的一個。在1999年的回憶錄《激光器如何產生：一名科學家的探索》中有這樣的敘述，10歲的他寫了一封圣誕許愿信給18歲的姐姐：

“你曾問我想要什么圣誕禮物。我最想要的是五金工具，因此你最好買下一家五金店。我想要一些馬口鐵剪刀，一些買鐵和木片的錢……一把扁銼，一把玻璃刀，一些來福槍彈丸和一、兩便士的釘頭。”

兩三年之后，他在南卡羅來納州薩魯達河里捕捉到一條色彩斑斕的魚，但無法判定到底是什么魚。隨后他把這條魚泡在甲醛里，并寄給了史密森研究所。當專家回信說從未見過這種魚，并問他能否捕捉到更多這種魚時，湯斯的興趣已經轉向了別的事物上。

在16歲那年，湯斯考入了福爾曼大學。期間，他是學校樂隊的小號手、游泳隊隊員，并為校報撰稿。同時為掙些零花錢他也兼職家庭教師和賣自家農場的蘋果。1935年，19歲的他以優異的成績從福爾曼大學畢業，獲得現代語言學和物理學兩個學士學位。一年后，湯斯在杜克大學獲得碩士學位。1937年他來到了加州理工學院，1939年獲得博士學位。畢業后不久，他加入了貝爾實驗室團隊，從事雷達系統的研發工作，并于1941年結婚。1948年，他在哥倫比亞大學獲得了教職；1961年，他曾短期為美國防務分析研究所工作，不久便受聘擔任麻省理工學院（MIT）教務長職位。

1967年，湯斯來到了伯克利加州大學任職博文講座教授，自那時起，他一直在那兒工作。來到伯克利后不久，湯斯的興趣開始轉向天文學：主持研發了短波無線電望遠鏡和微波分光計以尋找太空中的復雜分子；他是第一個在銀河系中心附近發現氨和疑似水蒸氣的人；他還幫助研發了用于太空研究的若干紅外光譜工具和技術。

湯斯一生的大部分時間都在學術機構中度過的。期間他不斷地尋找新的挑戰，1985年，在花費十年時間研究紅外線和無線電輻射之后，他帶領的團隊發現了一個位于銀河系中心的大質量黑洞。這一發現極大地提升了人類對宇宙的認識。

湯斯曾在眾多政府高級顧問小組任職，并發展了把激光器應用于天文學的方法。作為一位執著的研究者，湯斯一直堅持在辦公室或空間科學實驗室工作，直到去世前幾個月。在任職政府顧問小組成員期間，湯斯參與了載人航天計劃、MX導彈平臺和核武器測試的聯邦科學政策的制訂。

多年來，湯斯獲得了不少享有聲望的獎項。除了諾貝爾獎，有美國國家科學獎章、美國國家科學院的Comstock獎、尼爾斯·玻爾國際金質獎章、美國物理學會的厄爾勒·普利勒獎、美國宇航局的杰出公共服務獎章，以及入選美國國家科學院和美國藝術和科學院院士。

除了獻身科學之外，湯斯還著迷于宗教與科學的交集。在1966發表的"科學與宗教的融合"一文中，他探索了科學與宗教可能的交互作用并互相啟迪的方式。作為一名發現科學與宗教并無沖突的基督徒，湯斯“因精神知識方面的進步”于2005年獲得150萬美元的坦普爾頓獎。他把獎金的大部分捐給了學術和宗教機構。

與許多科學家不同的是，湯斯博士從不畏避談論宗教。他曾說他相信，物理學的法則——這些法則導致地球上的生命——是“偶然的”這個說法是“完全靠不住的”。

他還說他相信，“從長遠來看，科學和宗教終將融合，因為兩者都在致力于理解我們的宇宙。前者致力于理解宇宙是如何運行的，后者則試圖理解宇宙的目的。……這個目的與宇宙運行的方式一定是有密切聯系的。”

[資料來源：www.washingtonpost.com] [責任編輯：則鳴]