Альфред Кастлер

Биография

Французский физик Альфред Кастлер родился в деревне Гебвиллер в Эльзасе, принадлежавшем тогда Германии, в семье Фредерика Кастлера и урожденной Анны Фрей. Детская любознательность и сильное впечатление, произведенное солнечным затмением, рано пробудили в нем интерес к естественным наукам. После окончания начальной школы мальчик поступил в Оберреальшуле – реальное училище, переименованное после присоединения Эльзаса к Франции по окончании первой мировой войны в лицей Бартольди. В 1920 г. К. был принят в Эколь нормаль сюперьёр.

По окончании ее К. преподавал физику в лицеях Мюльхауса, Кольмара и Бордо, а затем поступил в аспирантуру и одновременно на работу в качестве ассистента университета Бордо (1931). В 1936 г. он успешно защитил в том же университете докторскую диссертацию по физике, посвятив ее возбуждению атомов ртути. Следующие два года К. преподает в университете Клермон-Феррана и в 1938 г. назначается полным профессором физики в университете Бордо. По возвращении в 1941 г., в Париж К. преподавал в Эколь нормаль сюперьёр, а в 1945 г. был утвержден в звании профессора. В этом учебном заведении он работал вплоть до выхода в отставку. С 1953 по 1954 г. К. был приглашенным профессором в Лувенском университете (Бельгия).

Первые работы К. были посвящены взаимодействию между светом и электронами в атомах. Если говорить упрощенно, то можно считать, что электроны обращаются вокруг атомного ядра по различным орбитам, одновременно вращаясь вокруг собственной оси, наподобие волчков. Квантовая теория разрешает электронам двигаться по вполне определенным орбитам, соответствующим дискретным уровням энергии. Поглощая энергию от падающего света, они переходят на более высокие энергетические уровни. При обратных переходах, на более низкие уровни, электроны высвобождают поглощенную ранее энергию, испуская свет. Как и любая другая разновидность электромагнитного излучения, свет состоит из порций энергии, называемых фотонами. Энергия поглощенного или испускаемого фотона, пропорциональная частоте поглощенного или испущенного света, равна разности энергий тех уровней, между которыми происходит переход.

Атом каждого химического элемента имеет свой особый, присущий только ему набор разрешенных энергетических уровней. Так как возбужденные атомы испускают свет только на частотах, соответствующих разностям энергий между уровнями, спектры испускания, наблюдаемые, например, с помощью спектроскопа, состоят из серии цветных линий (цвет линии соответствует частоте видимого света). Спектр позволяет не только идентифицировать химический элемент, но и получать информацию о характерном для его атомов расположении энергетических уровней, т.е. о структуре его атомов. Более тщательное рассмотрение показывает, что спектральные линии в действительности представляют собой полосы из тонких, плотно расположенных линий (тонкая или сверхтонкая структура атома). Атомные энергетические уровни представляют собой целую совокупность подуровней. Расщепление уровней на подуровни определяется различными свойствами электрона, например его спином. Детали атомной структуры могут быть обнаружены по сдвигу спектральных линий подуровней, происходящему под действием электромагнитных полей. Однако оптическая спектроскопия не смогла достаточно точно разделить близко расположенные линии.

К концу 40-х гг. в наиболее изощренных экспериментах использовалась радиочастотная спектроскопия. Один из таких методов, известный под названием метода магнитного резонанса в атомных пучках, связан с Изидором А. Раби и его группой из Колумбийского университета. Раби и его коллеги использовали свой метод для точных измерений атомных энергетических уровней в основном состоянии (т.е. в состоянии с наинизшей энергией). Основное состояние может иметь несколько магнитных подсостояний, которые слегка разделяются магнитным полем. Следовательно, воздействуя на атомы с помощью магнитного поля надлежаще подобранной частоты можно индуцировать переход с одного подуровня на другой. Под надлежаще выбранной частотой электромагнитного поля понимается такая, при которой энергия фотонов равна разности энергий между подуровнями. Именно такие частоты лежат в радиодиапазоне. Располагая особым образом магниты и щели, колумбийская группа сумела получить узкие пучки атомов, находящихся всего лишь в нескольких магнитных подсостояниях, причем детектора могли достигать только атомы в определенных состояниях. Если поле настроено на правильную частоту, то изменение числа атомов, достигающих детектора, свидетельствует о том, что переход с одного уровня на другой совершился. Зная энергию фотонов, вызывающих переходы, группа Раби сумела вычислить энергетические уровни, соответствующие подсостояниям. Такое соответствие между радиочастотой поля, вызывающего переход, и разностью энергий между подуровнями называется резонансом Герца (в честь Генриха Герца, предложившего первое экспериментальное доказательство существования радиоволн). Именем Герца ныне названа и единица частоты.

Метод магнитного резонанса в атомном пучке имеет свои ограничения: среднее время жизни возбужденного состояния до того, как оно испустит энергию и возвратится в невозмущенное основное состояние, очень мало (порядка одной десятимиллионной секунды), и только небольшое число атомов претерпевает индуцированный резонансом переход. К. вместе со своим студентом Жаном Бросселем разработал и несколько методов, в которых свет используется для преодоления некоторых из ограничений магнитного резонанса в атомном пучке. Метод К. получил название метода двойного резонанса.

В этом методе пучок света соответствующей частоты возбуждает атомы до определенного энергетического уровня. Но при этом не все подуровни оказываются занятыми. Следовательно, при обратных переходах атомов в основное состояние свет испускается неодинаково в различных направлениях, кроме того, в каждом направлении он частично поляризован. Если электромагнитное поле, приложенное к возбужденным атомам, имеет частоту (энергию фотонов), необходимую, чтобы индуцировать переходы между занятыми и незанятыми подуровнями, то испускаемый свет изменяет как пространственное распределение, так и поляризацию. Это изменение свидетельствует о том, что радиочастота настроена на разность энергий между подуровнями (находится в резонансе с разностью энергий). Метод К. является средством точной фиксации положений подуровней возбужденных атомных состояний.

В 1950 г. К. сообщил еще об одном методе, получившем название оптической накачки и позволившем ему сдвигать электроны в атомах с одного магнитного подуровня основного состояния на другой. В этом методе особым образом поляризованный свет направляется на группу атомов. Если основное состояние имеет два магнитных подуровня, то атомы на одном подуровне поглощают свет и переходят в возбужденное состояние, тогда как атомы на другом подуровне этого не делают. Испуская излучение и возвращаясь в основное состояние, атомы занимают и поглощающие, и непоглощающие уровни. В этом случае говорят, что свет «накачал» атомы в непоглощающее основное состояние.

Стремясь к дальнейшему усовершенствованию своей экспериментальной методики, К. и Броссель в 1951 г. создали специальную группу при физической лаборатории Эколь нормаль сюперьёр. Более пятнадцати лет исследования их группы и других ученых способствовали уточнению атомных подуровней и изучению квантовомеханических явлений.

Помимо получения важной информации о подуровнях основных состояний многих атомов, физики научились ориентировать в желательном направлении ядра атомов в парах ртути и кадмия. Это позволило им точно измерить некоторые магнитные свойства ядер. Используя оптическую «накачку», экспериментаторы смогли создать мишени, состоящие из поляризованных атомов. Затем такие мишени подвергались бомбардировке пучками частиц в экспериментах по ядерной физике.

К. был удостоен Нобелевской премии по физике 1966 г. «за открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах». Представляя нового лауреата, Ивар Валлер из Шведской королевской академии наук остановился на описании характера работ К. и некоторых выводах из них. «Большое число ядерных моментов было определено с высокой точностью, – заметил Валлер. – Идеи К. относительно оптической «накачки» сыграли важную роль в создании лазера. Оптическая «накачка» позволила сконструировать удобные в обращении и очень чувствительные магнитометры и атомные часы».

После ухода в отставку в 1968 г. К. до 1972 г. занимал пост руководителя научных исследований в Национальном центре научных исследований.

В 1924 г. К. вступил в брак с школьной учительницей Элиз Косее. У супругов Кастлер родились два сына и дочь. Необычайно скромный, самоуглубленный человек, К. тем не менее принимал активное участие в ряде политических событий. Он выступил в поддержку Израиля, был убежденным противником ядерного оружия, резко критиковал роль США во вьетнамской войне. Он оказывал поддержку алжирскому движению за независимость. К. скончался 7 января 1984 г. в Бандоле на Французской Ривьере.

Помимо Нобелевской премии К. был удостоен премии Хольвека Лондонского физического общества (1954), премии за научные исследования Французской академии наук (1956), международной медали Ч.Э.К. Миса Оптического общества Америки (1962) и других почетных наград. Он был избран членом Французской академии наук (1964) и почетным членом научных обществ Польши, Германии, Венгрии и Бельгии. В 1952 г. К. стал кавалером, а в 1977 г. командором ордена Почетного легиона. К. был почетным доктором университетов Лувена, Пизы и Оксфорда.