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激光的故事—查尔斯·汤斯
2002年11月21日
主持人：会当凌绝顶，一览众山小，圣凯诺·世纪大讲堂。在去年的3月份的时候，我们曾经请过一位年纪非常大的嘉宾，他就是杨振宁，他当时是79岁。后来我们又请了一位中国科学院的资深院士，叫柯俊，他当时是85岁。今天，主持人阿忆给大家来请来了美国加州大学伯克里分院的教授，他是查尔斯·汤斯，他的年龄是87岁，1915年生人，他给我们带来的主题讲演是《激光的故事》因为正是他，为我们这个世界带来了激光器，我们掌声欢迎他。
欢迎。
这是大家热烈的掌声在欢迎您，因为您远道而来。
好，我现在给大家介绍一下，查尔斯·汤斯是一位什么样的科学家。查尔斯·汤斯，他是实验和理论物理学家，刚才我已经说过了，1915年生人，他24岁的时候，获得了加州理工学院博士学位，当即进入贝尔实验室，直至1947年，说到这呢，我的第一个问题就出现了，我们知道贝尔实验室是1925年建立起来的，然后呢，30年代的集成电路芯片，四十年代的这种“蜂窝”的概念，致使贝尔实验室成为蜂窝电话的鼻祖。50年代，它又推出了咱们现在非常喜欢的电脑音乐。60年代，它又出现了半导体的激光器。
我们也知道，后来90年代末期的时候，有两位我们特别熟悉的诺贝尔奖的华裔得主，一个是朱棣文，一个是崔琦，他们也曾经年轻的时候，在贝尔实验室工作过，我这个问题就是，汤斯先生那么年轻进了贝尔实验室，是不是当时就怀着远大志向，要发明出自己特别好的技术。想没想到，我就是要拿诺贝尔奖？发明出自己特别棒的技术？
汤斯：不，我不是为了获得诺贝尔奖而工作的，它不是我的目的。为了获得认可和奖金而工作是一种错误。工作是为了做好某件事情，你的工作可能会得到认可，可能你会得到奖励，但是如果你是为了获得诺贝尔奖而工作的话，那么可能你就会走入歧途。
主持人：下面马上就由汤斯先生给我们带来估计是特别精采的讲演报告，这个报告的名字也非常通俗，叫做《激光的故事》有请。
汤斯：我将谈一谈激光，关于它如何产生的，即“激光的故事”。我首先给大家一个一般的概念。科学就是人们试图了解万事万物，如整个宇宙是什么样，我们自己又是怎样的。我们总是想了解所有的这一切，这样我们就满足了人类的好奇心，包括对于万事万物的原理和我们自己本身的奥秘。这就是科学。而技术则是用这种知识来做对人类有益的事情。这就是技术。我们了解得越多，我们就可以做得更多。科学和技术联系得非常紧密，他们之间相互作用，所以让两者结合是非常重要的。但是科学能对技术做出什么贡献，通常是不可预见的。因为科学发现是发现新事物。在我们发现它们之前，我们无法知道它们是什么和它们能做什么。激光就是这样。没有人会计划制造一台激光器，因为没有人能想到，它可能产生出激光。
我一会儿再给大家解释这一点。但是首先我想谈一下，什么是激光？激光是利用分子或者原子的能量来放大光。分子可以位于低能级，就像这样。也可以处于高能级。如果说一个光子或光照射进来而分子处于低能级，那么分子就从光那里获得了能量。但是如果这个分子能级较高而光照射进来，它就将激发这个分子，使这个分子能级下降并将能量给了光，结果光的能量增加了，就像从分子那里获得了能量。这就是我们所说的受激辐射，既分子在高处，光进来激发它，分子就放出能量，跃回低能级并将能量给了光。这就是受激放大，也就是受激辐射。所以激光就是受激辐射的光放大。只要有许多分子处于高能级，有合适的能量，光照射后就会激发分子并从其获得能量，光就得到了放大，变得更强。
这就是整个的过程。这个过程是由爱因斯坦发现的，爱因斯坦认识到光可以激发分子使其放出能量，即受激辐射。1917年爱因斯坦提出了这个理论，但是没有人认为它在技术上有什么用。
激光实际上来自用微波对分子进行研究。我们叫它微波光谱学，即微波研究分子的学科。我做这个研究，是因为我在贝尔实验室工作。我的老板要我作一个关于雷达方面的研究。这是在二战期间。贝尔实验室认为开发雷达系统非常重要，安排我在这个方面做研究。这是工程，我不想做工程，我只想做科学。但这是在战争期间，我们每个人都得出力。所以我必须做雷达的研究。但这项工作后来对我非常重要。我对雷达有了非常多的了解。当我对雷达有更多的了解的时候，我意识到其中一些雷达波会被空气中的水蒸气吸收。我们发射出雷达束，波长大约为1。25厘米的那一部分就会被水蒸气吸收，所以我对此进行了仔细的研究，意识到微波和分子之间的相互作用可以让我们非常精确地测量分子和原子的光谱。我们把这叫做微波光谱学。战争之后，我说服我贝尔实验室老板，让我来做分子微波光谱学的研究。正是从这个领域中，最后诞生了激光。
我可以肯定地说激光是从这个领域中诞生的，因为有两个在莫斯科的俄国人跟我有类似的想法，也和我一起获得了诺贝尔奖，他们也是在微波光谱学方面进行研究。 另外还有一个人是在马里兰大学从事微波光谱学研究的，他也有这样的想法。所以说，从这个领域中诞生了如何制造强光的想法。 我一会儿会给大家讲激光是如何诞生的，但现在让我来谈一下激光本身。激光器能作什么呢？它可以产生非常强烈的光，对光进行放大。在加利福尼亚，人们制造的激光束有一千兆瓦。一千兆瓦，比美国用的所有的动力都要多。但这束光只持续很短的时间，百万分之一秒。这是非常短脉冲的光，但非常强。而且可以聚焦在我们看不见的一微米大小的尺度上，即一厘米的万分之一。所以说一千兆瓦可以聚焦到比你能看见的任何物体都要小的面积上。这是极大的能量聚集。
激光器也可以产生出非常微弱的受控光，它可以聚集在一个细胞上，把这个细胞完整的取出来放在另外一个地方。我们把它叫激光镊子，这是非常非常轻柔的激光。当然你们也知道激光可以用在商店收银台处，进行扫码，告诉你要交多少钱。激光在记录和读取信息方面也非常重要，在计算、记录和读取信息方面非常重要。在一束激光中我们可以放入大量的信息，这可以是非常宽带的信息。原则上来讲，我们可以把美国所有的电视台、电话和无线电台放在一束激光中。这在通讯方面来讲太棒了。激光现在特别用于光纤中进行长途通讯，这是一个非常大的产业。
激光还可以进行切割，它是很锋利的光束。它可以切割最硬的东西，可以切割钻石，还可以用于汽车制造。它也可以是非常短的脉冲，可以短到一飞秒。这些非常短的脉冲可以蒸发掉你手上的一小块皮肤而不烧伤你的手，因为脉冲极短。这在医药界和工业界都非常重要。激光可以精确地测量距离，我们可以向月球发射一束激光，反射回来后测量从地球到月球的时间，我们测量得到月球的距离误差可以精确到2厘米。在加州理工学院，人们正在做实验来衡量引力波，一共是4公里的距离。他们认为，他们的测量可以精确到10的20次方分之一秒，也就是一亿兆分之一秒。这就是它的精确度。但更有趣的是激光测量这四公里可以精确到一个原子大小的万分之一。这是激光可以达到的精确度。激光可以做很多很多事情，这真是出乎意外。一个典型的新发现。这就是科学如何帮助技术发展。它导致了极大的技术进步。
现在我给大家谈一下在这一领域开始发展时遇到的一些问题。为什么从1917年爱因斯坦提出受激辐射到1958年我们写出关于激光的论文，花了40年之久。40年呀。部分原因是因为人们在朝着不同的方向思考。研究量子力学的试图了解量子力学。出现了不确定原理之后，所有的物理学家都对这种原理激动万分。人们总是被自己的想法约束住。他们总是沿着自己的思路走。可以说刚开始我也是这样的，被热力学的思路所引导。 我为自己对热力学的了解感到自豪。热力学原理会阻止分子发出高强度的微波。但实际上我错了，因为分子不必遵循热力学定律。我的想法确定以后对自己说，了解和应用一般原理当然好，但我把它用过头了。那个时候，其他的物理学家把不确定原理应用的过头了。我所在的系有一个叫托马斯的教授，它发现了量子力学中的托马斯效应。他一直告诉我，不，你那样做不可能造出好的振荡器，它不能发出单纯的频率。你不明白，它不可能产生纯的频率。他谈的是不确定原理。一束分子通过一个腔，并在腔中进行振荡。分子在腔中的时间很短。而不确定原理说，你在这么短的时间内不可能测量分子的频率，所以你错了。你不懂。但我想我懂。我仔细地研究了这些方程。当然了，当有人对你质疑时，你要仔细地思考你是否真的是正确的。如果你非常确信你是正确的，他们是错的，那非常好。我认为我是对的。我们制造出了微波振荡器。就是在它成功之后，我们发现它的频率非常纯。我们又制造出了一台微波激射器，这样我们就有两台了，它们的频率非常接近。我们让它们一起振荡，它们的频率大约是300亿赫兹，即每秒振荡300亿次。我们也让它们做拍频振荡结果产生了一个500赫兹的频率，如果我们把它放在无线电频率上播放的话，我们可以用耳朵听到。帮助我建立第二台激光器的人叫王明。他是中国人，后来又回到了中国。他帮助我建立了第二台微波发射器并证明它的频率非常纯。我做到了。在我的学术休假期我访问了丹麦，并同尼尔斯？玻尔谈及此事。尼尔斯？玻尔是一个非常著名的物理学家，你们知道，他帮助发现和发展了量子力学。他问我现在干什么？我就告诉他振荡器的事情。他说：不，你一定搞错了，它不可能产生一个纯的频率。一定有什么地方弄错了。而我说：是的，它产生了。我们已经证明它没问题，而且我们知道它能产生很纯的频率。他说：一定有些奇怪的事情。然后他就不再追问了。后来在普林斯顿大学的一个会议上，我遇到了另一个著名的教授，冯诺依曼教授，他是杰出的数学物理学家。他问我在干什么？我告诉了他。他说：不，那样不行，因为它不能产生纯的频率。我说：你们的思路集中在不确定原理上，而没有考虑到这样一个事实，那就是受激辐射一定是互相干涉的。其他的物理学家已经证明了这一点，但没有人给予足够的重视。而我可以用一个方程来证明它。冯诺依曼教授说：不，它不可能正确。我说：不，它是对的。后来他就离开了。十五个以月后，他回来对我说：是的，你是正确的。
所以了解情况，特别是不要拘泥于你的惯性思维，这是一个非常重要的方面。另一个重要的方面是我受过一些工程训练。当我同工程师谈起振荡器时，他们说：嗯，嗯，分子产生了放大，对，当然了，频率将非常纯。他们认识到，在反馈的帮助下，分子进入空腔并放出辐射。空腔又将辐射返回给分子，这就叫反馈。他们知道在电子工程上的反馈振荡器。但他们不懂量子力学。那个时代的工程师不懂量子力学，所以他们不知道这些分子的行为方式，但他们知道它能产生纯的频率。物理学家懂量子力学，但他们对工程不是很敏感。而从事微波光谱学的人必须既懂工程，微波工程，又懂量子力学，这就是为什么激光诞生于微波光谱学。我已经提到了微波的一些应用，对于这些应用我也写了一些文章。尽管我们已经发表了关于激光的论文，甚至激光器已经被制造出来，我的许多朋友还是没有看到它们的应用。他们习惯于跟我开玩笑说：这个发明不错，但它是一个到处寻找应用的发明。它能做什么呢？它还在到处寻找它的应用。激光是非常新，它改变了一切。一些人看不见它的用途，但我知道它有用，因为它把电子学和光学结合在一起。电子学和光学都有许许多多的用途。激光把电子学和光学结合在一起，一定能产生很多用途，我可以预见到。我可以马上预见到的一个用途是通讯。采用激光，通讯将会非常强大。我也可以预见到其它一些用途。我想它也许有一些医学的用途，而且我写了一篇文章。一个医生想与我共同写�