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激光在大多数人眼中并不难理解,它定向发光、亮度极高、颜色纯正,从大型演出、超市收银台、CD播放器到眼科诊所,随处能见到它的身影。然而,从理论撰写到实际应用,激光的发明道路走得并不顺遂。微波激射器作为激光发射器的前身,在诞生之初还被不少物理学家称为“草率的计划”。作为23岁就参与了微波激射器制造的物理学家,詹姆斯·戈登(James P. Gordon)曾用一瓶波旁酒做赌注,与抱质疑态度的同事打赌。
1954年,在美国物理学家查尔斯·汤斯(Charles H. Townes)的引领下,戈登联合一干同事制造了一部“受激辐射微波放大器”(microwave amplification by stimulated emission of radiation),按英文首字母缩写后便是“微波激射器”(MASER)。这台机器对日后第一束激光的发射起了不可忽略的作用,而后用光(light)代替微波(microwave)得出的激光(LASER)被广泛地应用于生活、军事等诸多领域。
2013年6月21日,为激光发射做了重要铺垫的戈登,因癌症并发症于美国曼哈顿逝世,享年85岁。
詹姆斯·戈登1928年3月20日出生于美国纽约布鲁克林区,高中时就读于寄宿学校菲利普斯埃克塞特学院,大学时就读于麻省理工学院。1951年,因麻省理工学院拒绝了自己的研究生申请,戈登转而进入哥伦比亚大学跟随导师汤斯做起了“微波”研究。
早在1916年,美国物理学家爱因斯坦便从理论上预言了受激辐射的存在——即一定频率的电磁波可以“刺激”受激原子或分子,使之跃迁到低能级并产生更强的电磁辐射。1947年,哥伦比亚大学物理学家威利斯·兰姆(Willis Lamb)与罗伯特·雷瑟福(Robert Retherford)利用受激辐射来放大氢分子产生的辐射,以更精确地测量特定分子跃迁的频率。
因对微波技术十分熟悉,汤斯很快想到了实现受激辐射的办法。他设想将腔体内大量受激分子以合适的尺寸聚集,一些分子放出的射线反射回来与其他分子相互作用,这样就使受激辐射不断增强,通过腔体与分子之间形成的反馈机制将信号急剧地放大。
微波激射器的制造过程遭遇了无数意想不到的困难,不少理论物理学家认为汤斯设想的装置根本无法实现,但1954年世界第一台微波激射器的诞生,将那些质疑一一击破。
这台机器的操作理念在于将一束受激的氨分子射入谐振腔内,由于腔内分子辐射产生受激分子,而受激分子进一步增强辐射,并提供源源不断的受激分子,因而辐射得以持续。只是,第一台微波激射器只产生了厘米尺度的辐射,功率很小,仅为十毫微瓦左右(10-8W)。
其后,研究者在汤斯等人研究的基础上纷纷仿效加以改进。大量媒体也开始关注微波激射器,1958年,《波士顿环球报》报道称微波激射器已被20所大学和电子公司用作军事用途研究,其中一项是参与射程长达4000英里的导弹发射研究。
但微波激射器最重要的作用还是替激光的发明铺平了道路。1958年,汤斯联合新泽西州贝尔实验室的阿瑟·肖洛(Arthur L. Schawlow)写了篇名为《红外和光学微波激射器》(Infrared and Optical Masers)的论文,来阐述制造一种在红外和可见光区工作的激射器,并为此获得专利权。但直到1960年,美国休斯飞机公司物理学家西奥多·梅曼(Theodore H. Maiman)才将第一台激光激射器制造出来,并宣布获得了波长为0.6943微米的激光。这是人类有史以来获得的第一束激光,激光也由此获得“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”等称号。
1964年,汤斯和两位俄国学生尼古拉·巴瑟夫(Nikolai G. Basov)、亚历山大·普罗霍罗夫(Aleksandr M. Prokhorov)因对微波激射器和激光的贡献同获当年的诺贝尔物理学奖。戈登则用老师赠予的诺贝尔奖金买了辆别克旅行车。在与研究室另一位物理学家关于微波激射器的赌约中,戈登当然轻松赢得了那瓶波旁酒。
有不少人认为,戈登也应同享诺贝尔的荣誉,因为在微波激射器的制造过程中,汤斯也将戈登的贡献记录在内。“我和戈登共事良久,他让这项发明真正运转了起来。”很多年后,汤斯说,戈登操作了大部分微波激射器的设计工作,也是研究小组1954年7月在《物理评论》(Physical Review)期刊上发表论文描述该项发明的主要作者之一,更当着美国物理学会的面首次陈述该项发明的理念。
在2008年戈登80岁的生日宴上,年届93岁的汤斯说戈登之所以没得诺贝尔奖,一是诺贝尔奖有不能被同时颁发至3人以上的规则,另外,戈登当时还是在校研究生也对此造成了限制。
在转至美国贝尔实验室研究量子电子学后,戈登的研究科目拓展至宇宙起源的追踪探索、光镊技术在原子物理学中的应用等。2010年,戈登成为美国光学学会的荣誉会员。
在外人看来,戈登的大多数研究都能让普通人受益。“戈登的工作造福了无数应用领域,尤其是光学通信的研究对高速因特网助益良多。”光学学会主席詹姆斯·怀亚特(James C. Wyatt)说。
林恩·莫兰诺尔(Linn Mollenauer)曾是戈登在贝尔实验室的同事,两人曾一同研究将激光运用至长途电话。在林恩的印象里,戈登对辅助后辈不遗余力,当后辈在研究中遇到瓶颈时,戈登总是竭力为这些难题寻找解决方案。“他会非常耐心且仔细地听你说话,”林恩说,“听完他就走了,几天之后,他会呈上一份写得十分漂亮工整的理论模型论文。
朱棣文在成为奥巴马政府的能源部长之前,曾是戈登在贝尔实验室的同事。1997年,朱棣文因发明了用激光冷却和俘获原子的方法而获诺贝尔物理学奖,在当年的获奖致辞中,朱棣文提到了戈登的名字。他说自己曾向同事咨询一个十分复杂的物理问题,同事回答他说,“只有戈登才能真正理解你说的 偶极力量 。”
虽然同事们对戈登的能力和贡献推崇备至,戈登却很大方地说,没有一项重要科学发明的诞生是孤立出现的,每位科学家的成功都建立在他人研究的基础上。就像物理学家爱因斯坦、波尔、普朗克为量子电子学提供了理论基础,二战直接促进了量子电子学的技术进步,戈登的研究则是为接下来18位获得8项诺贝尔奖的后人铺路而已。
研究之余,戈登喜欢玩网球,还获得过一次美国锦标赛的冠军。平时,戈登十分钟爱穿一件浣熊大衣坐在屋前门廊上抽海泡石烟斗。有一次,戈登的妻子苏珊娜取笑他头发太过蓬乱似鸟窝,“你以为你是谁,爱因斯坦吗?”戈登回答得很自信,“至少我比大多数人都更接近他。”
文/廖阳