Charles Hard Townes头像

Charles Hard Townes

身份简介:

美国物理学家

中文译名:

查尔斯·哈德·汤斯

国籍:

美国

出生地:

美国 南卡罗来纳州 格林维尔市

出生日期:

1915年7月28日

逝世日期:

2015年1月27日

太阳星座:

狮子座

学历:

弗曼大学双学士

杜克大学硕士

加州理工学院博士

专业:

物理学专业

现代语言学专业


获奖经历


2012年 南希·德罗伊·费斯洛伊和罗兰德·R·费斯洛伊奖章

2012年 金鹅奖

2010年 国际光电工程学会金奖

2006年 万尼瓦尔·布什科学终身成就奖

2005年 坦普尔顿奖

1996年 弗雷德里克·埃夫斯奖章

1994年 俄罗斯科学院外籍院士

1982年 美国国家科学奖章

1979年 尼尔斯·玻尔国际奖章

1976年 入选美国国家发明家名人堂

1976年 英国皇家学会外籍院士

1970年 威廉·埃克斯纳奖章

1969年 美国成就学院金盘奖

1964年 诺贝尔物理学奖

1962年 约翰·J·卡蒂科学进步奖

1962年 斯图尔特·巴兰坦奖章

1961年 大卫·沙诺夫电子奖

1961年 伦福德奖

1959年 里希特米尔纪念奖

1958年 康斯托克物理学奖

1957年 美国文理科学院院士

1956年 美国国家科学院院士

人际关系


父亲:

亨利·基思·汤斯 (Henry Keith Townes)

母亲:

艾伦·萨姆特·汤斯(Ellen Sumter Townes)

妻子:

弗朗西斯·H·布朗(Frances H. Brown)

子女:

琳达·卢森文·汤斯(Linda Rosenwein Townes)
艾伦·安德森·汤斯(Ellen Anderson Townes)
卡拉·凯斯勒·汤斯(Carla Kessler Townes)
霍利·汤斯(Holly Townes)

好友:

莱弗雷特·戴维斯(Leverett Davis)
亚瑟·L·肖洛(Arthur L. Schawlow)


·脉泽

·激光

·诺贝尔奖

成长经历


查尔斯·哈德·汤斯出生在一个信仰基督教的传统家庭,排行家中第四。汤斯的祖上是来自英国和法国的移民。他的父亲是一名律师,母亲是家庭主妇。由于父母都受过良好的教育,汤斯从小就获得了很好的培养和熏陶。在家中,孩子们可以自由探讨任何问题,包括对《圣经》的不同看法。

汤斯聪明懂事,很小的时候就学会了独立自主。在上公立学校期间,一到每年夏天的假期,汤斯都会要求到街边去摆摊,向过路人卖苹果和鞭炮,以获取一点微薄的收入。高中毕业后,汤斯进入南卡罗莱纳本地的弗曼大学。他在大学期间非常活跃,除了为学校的生物夏令营收集标本,为校报撰稿外,他还是一名出色的体育生。汤斯是弗曼大学游泳队和橄榄球队的成员,很受欢迎。

1935年,汤斯以最优等的成绩从弗曼大学毕业,他获得了物理学士和现代语言两个学士学位。之后,他进入杜克大学,攻读自己喜爱的物理学硕士。汤斯对物理非常热爱,他认为这门学科具有“优美的逻辑结构”。1936年,他顺利从杜克毕业。当时,加州理工云集了世界上最出色的物理学家,汤斯非常向往。他买了一张车票,直接前往西海岸的洛杉矶,希望到加州理工求学。

汤斯的物理天赋出色,基础也非常扎实,这让他获得了加州理工学院的录取通知。经过几年的学习,汤斯的物理学术水平获得了巨大的提升。1939年,他获得物理学博士学位。他的博士论文是关于同位素分离和核自旋领域。

职业生涯


1940年,汤斯在纽约贝尔电话实验室找到了一份工作。当时二战全面爆发,汤斯作为研究人员,主要研究如何帮助美军在湿度很高的南太平洋战场,保证雷达系统的有效运作。这份工作让汤斯获得了巨大的启发,他认为,战时雷达研究中的微波技术未来可以应用到光谱学上。他预见,光谱学将为研究原子和分子的结构提供强有力的新工具,并可能成为控制电磁波的新基础。

二战结束后,汤斯重新回到了物理学术界。1948年,他进入哥伦比亚大学,担任副教授。在那里,他遇到了另一位研究员亚瑟·肖洛,后者成为他的助理。汤斯继续自己之前的判断,将重心放在了研究微波物理上。他的研究方向包括:微波和分子之间的相互作用,使用微波光谱研究分子、原子和原子核的结构等。1950年,汤斯担任哥伦比亚辐射实验室的执行主任。两年之后,他开始担任物理系主任。

上世纪50年代,物理学界研究微波光谱学的科学家并不少。因为这项技术被普遍认为具有光明的前景,就连美国军方也对此兴趣浓厚,并给出了重金资助。不过,要研究一种比雷达波更短的人造波,技术难度很大。汤斯为此也绞尽脑汁,但始终找不到突破口。一次,汤斯在前往华盛顿开会的时候,独自一人坐在公园的长椅上冥思苦想时,一个瞬间的灵感翩然而至,为什么不用一个可放大电磁波的微波激射器来解决这个问题呢?汤斯如获至宝,赶紧将这个创意记下。

1951年,汤斯首次正式提出了制造微波激射器的想法。几个月后,他和同事们开始研制一种使用氨气作为活性介质的装置。经过几年不间断的试验和改进,1954年初,该装置首次实现了受激辐射对电磁波的放大和产生。汤斯和他的学生们为这种装置创造了“脉泽”(Maser)这个名词,它是“受激辐射放大微波”的英文首字母缩略词。

1955年,汤斯和肖洛合著了在物理学界引发巨大震动的《微波光谱学》一书。肖洛后来成为了汤斯的姐夫。汤斯在实验中发现,氨分子的振动稳定而精确,它的微波频率是一种测定时间极为有效的工具。1958年,汤斯和肖洛从理论上展示了可以让脉泽在光学和红外区域工作,并提出了如何在特定系统中实现这一点。这项工作让他们联合发表了一篇关于光学和红外脉泽的论文,再次获得了物理学界的一致赞誉和肯定。

激光诞生


从1957年开始,汤斯就一直在思索,如何在微波脉泽的理论基础上,设计产生一种红外线或可见光。汤斯意识到,若用固体分子来替代最初的氨分子,用途更广泛的放大装置也能制作成功。在50年代后期,汤斯和其他一些科学家先后成功研制了固体脉泽。这种脉泽对极微弱信号的放大效果,远比其它任何方法更有效。1960年,科学家成功用这种方法放大了“回声I号”卫星从金星反射回来的极其微弱的信号。

汤斯的理论创新和不断的试验最终催生了物理学一个重大突破。1960年5月,美国物理学家西奥多·梅曼发明了第一台可操作的红宝石激光器,波长为0.6943微米。这种“可见光脉泽”源自于汤斯的理论,它可以将光束发射到几十万公里之外的月球上,而散开效果和能量损耗都极为理想。继脉泽之后,“镭射(激光)”(Laser)正式出现,它是“受激辐射光放大”英文全称的首字母缩写。

激光的发明是一个巨大的科技进步,代表着人类在探索医药、电信、电子、计算机和许多其他领域有了飞跃式武器。1964年,汤斯和尼古拉·巴索夫、亚历山大·普罗霍罗夫一起获得了1964年诺贝尔物理学奖。他们都各自独立完成了“量子电子学领域的基础性工作,在脉泽-激光原理的基础上建立了振荡器和放大器”。之后,汤斯还发展了脉泽和激光在天文学上的应用,他是第一个在太空中发现复杂分子的团队一员,通过探测确定了银河系中心特大质量黑洞的质量。

1961年,汤斯进入麻省理工学院,担任教务长和物理学教授。1967年,他成为加州大学伯克利分校教授,继续在量子电子学和天文学领域的研究,直到退休。汤斯拥有超过25个机构的荣誉学位,并获得了近100项荣誉和奖项。2005年,汤斯因为在科学和宗教之间建立桥梁,而被授予坦普尔顿奖。他在1996年撰写了一篇开创性文章《科学与宗教的融合》,被认为是寻找这两个学科之间共性的尝试。

Charles Hard Townes

2015年1月27日,汤斯在加州奥克兰去世,享年99岁。伯克利大学物理学教授莱因哈德·根泽尔这样评价汤斯。“他是上世纪最重要的实验物理学家之一,他的力量来自他的好奇心和不可动摇的乐观主义,这些都建立在他深厚的基督教精神基础上。”在汤斯的家乡格林维尔的主街上有一座汤斯的雕像,以纪念他坐在华盛顿特区公园长椅上的那个著名历史时刻。

参考信息:

Charles H. Townes

ABOUT CHARLES TOWNES

Charles H. Townes

Laser inventor Charles Townes dies

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