查爾斯·哈德·湯斯

　　查爾斯·哈德·湯斯，美國物理學家。1915年7月28日生於南卡羅來納州格林維爾。 湯斯是一位律師的獨生子。1935年以人成等成績畢業於故鄉的福曼大學。他在杜克大學獲得碩士學位，然後去西部深造，於1939年在加利福尼亞理工學院獲得博士學位。在第二次世界大戰期間以及戰後的幾年中，他在貝實驗室從事雷達投彈系統的設計工作。 1948年他遇到拉比。拉比建議他去哥倫比亞大學。這正合湯斯的心願，遂進入哥倫亞大學物理系。1950年起在那裡就任正教授。 雷達技術涉及到微波的發射和接收，而微波是指頻譜介於紅外和無線電波之間的電磁波。在哥倫比亞大學，湯斯以最全面的方式孜孜不倦地致力於這個課題。 湯斯渴望有一種產生高強度微波的器件。通常的器件只能產生波長較長的無線電波，若打算用這種器件來產生微波，器件結構的尺寸就必需極小，以致於無實際實現的可能性。 1951年的一個早晨，湯斯坐在華盛頓市一個公園的長凳上等待飯店開門，以便去進早餐。這時他突然想到，如果用分子，而不用電子線路，不是就可以得到波長足夠小的無線電波嗎？分子具有各種不同的振動形式，有些人發子的振動正好和微波波 段範圍的輻射相同。問題是如何將這些振動轉變為輻射。就氨分子來說，在適當的條件下，它每秒振動24，000，000，000次，因此有可能發射波長為1.25厘米的微波。 他設想通過熱或電的方法，把能量泵入氨分子中，使它們處於“激發“狀態。然後，再設想使這些受激的分子處於具有和氨分子的固有頻率相同的微波束中---這個微波束的能量可以是很微弱的。一個單獨的氨分子就會受到 到這一微波束的作用，以同樣波長的數波形式放出它的能量，這一能量雙繼而作用於另一個氨分子，使它也放出能量。這個很微弱的入射微波束相當於起立腳點對一場雪崩的促發作用，最後就會產生一個很強的微波束。最初用來激發分子的能量就全部轉變為一種特殊的輻射。 湯斯在公園的長凳上思考了所有這一切，並把一些要點紀錄在一隻用過的信封的反面。（科學史上又一件帶浪漫色彩的事實！）1953年12月，湯斯和 他的學生終於製成了按上述原理工作的的一個裝置，產生了所需要的微波束。這個過程被稱為“受激輻射微波放大”。按其英文的首字母縮寫為M.A.S.E.R,並由之造出了單“maser}（脈澤）（這樣的單詞稱為首字母縮寫詞，在技術語中越來越普遍使用）。 脈澤有許多有趣的用途。氨分子的振動穩定而精確，用它那穩定精確的微波頻率，可用來測定時間。這樣，脈澤實際上就是一種“原子鐘”，它的精度遠高於以往所有的機械計時器。 脈澤還可以用來向不同的方向發射微波束。如果以太存在的話，那麼地球在以太中運動，於是頻率將隨方向而變化。1960年1月做了這個試驗，結果是波長沒有發生變化。這個實驗的精度是前無先例的，能測出小到10^-12的相對頻率偏差，這更確鑿地證實了七十多年前邁克耳孫-莫雷的實驗結果，這個實驗以及當時發現不久的穆斯堡爾效應，都證實了愛因斯坦的相對論理論。 湯斯意識到，若用固體分子來替代氨分子，根據肖克利所建立的固體和新概念，用途更廣泛的裝置也能製成。在五十年代後期，湯斯和其他一些科學家確實製成了固體脈澤。這種脈澤在放大微波信號時所造成的隨機輻射（“噪聲”）比以往的任何放大方式都低得多，這意味著它對極微弱信號的放大遠比其它已知的方法更為有效。1960年，用這種方法放大了從皮爾斯的“回聲I號”衛星射到金星後又射回來的幾乎消失殆盡的微弱信號。 1957年，湯斯開始思索設計一種能產生 紅外或可見光---而不是微波---脈澤的可能性。他和他的姻弟在1958年發表了有關這方面的文章。1960，梅曼首先製成了這樣的器件---用一根紅寶石棒產生間斷的紅光脈衝。這種光是相干的，也就是傳播時不會漫散開，幾乎始終保持成一窄束光。即使將這樣的光束射到二十多萬英里之外的月球上，光點也只擴展到一、二英里的範圍。它的能量耗損也很小，這樣，人們就自然想到向月球表面發射脈澤束，以繪製月面地形圖，這種方法遠比以往的望遠鏡有效得多。大量的能量聚集在和很窄的光束中，使它還能用於醫學（例如在某些眼科手術中）和化學分析，它能使物體的一小點汽化，從而進行光譜研究。 這種光比以往產生的任何光具有更強的單色性。光束中的所有光都具有相同的波長，這意味著這種光束經調製後可用來傳送信息，和普通無線電通信中被調製的無線電載波幾乎一樣。由於光的頻率很高，在給定的頻帶上，它的信息容量遠大於頻率較低的無線電波，這就是用光作載波的優點。 可見光脈澤稱為“光脈澤”或“萊塞”(laser),它是來自“受激輻射光放大”英文全稱的首縮詞。萊塞又稱激光。 為此，湯斯榮獲了1964年諾貝爾物理學獎，同時獲獎的還有普科和巴索夫，他們也獨立地完成了這方面的理論工作。