Артур Шавлов

Биография

Американский физик Артур Леонард Шавлов родился в г. Маунт-Верноне (штат Нью-Йорк). За десять лет до этого события его отец, Артур Шавлов, иммигрировал в Соединенные Штаты из Риги (Латвия). Поселившись в Нью-Йорке, он стал работать агентом по страхованию и женился на канадской подданной Элен Мейсон. Когда Артуру исполнилось три года, семья (вместе с родившейся дочерью) переселилась в Канаду.

Выросший в Торонто, Ш. посещал Винчестерскую начальную школу. Нормальную образцовую школу при учительском колледже и Воган-Роуд-колледж среднее учебное заведение, которое окончил в 1937 г. Он надеялся продолжить свое образование и в соответствии с проявившимся еще в детские годы интересом к естественным наукам избрал специальность радиоинженера в Университете Торонто, но из-за трудностей, вызванных депрессией, родители не смогли оказать ему должной материальной поддержки. Мечте о профессии радиоинженера не суждено было сбыться, но Ш. завоевал почетную стипендию по математике и физике. По его собственным воспоминаниям, «физика казалась мне весьма близкой к радиоделу, поэтому я решил заняться изучением физики».

К тому времени, когда Ш. получил степень бакалавра (1941), Канада вступила в войну, и он преподавал на курсах для военного персонала при Университете Торонто до 1944 г., после чего принял участие в работе над проектом создания микроволновой антенны на заводе, занимавшемся изготовлением радарного оборудования. В 1945 г. он возвращается в Университет Торонто, где выполняет диссертационную работу по оптической спектроскопии под руководством Мал-кольма Ф. Кроуфорда, о котором он отзывался впоследствии как о «необычайно творческой личности». Степень доктора по физике Ш. получает в 1949 г.

Стипендия для постдокторантов компании «Карбайд энд карбон кемиклс» позволяет ему провести два года в Колумбийском университете, работая с Чарлзом Х. Таунсом над проблемами микроволновой спектроскопии.

В 1951 г. Ш. становится сотрудником лаборатории компании «Белл» в Мюррей-Хилле (штат Нью-Джерси). Основной областью его исследований становится сверхпроводимость явление, открытое в 1911 г. нидерландским физиком Хейке Камерлинг-Оннесом и состоящее в полном исчезновении электрического сопротивления в некоторых веществах при охлаждении их до температур, близких к абсолютному нулю (–273°С). Ш. не порывал связи с Таунсом. Они встречались в конце недели и работали над завершением книги «Микроволновая спектроскопия» ("Microwave Spectroscopy"), начатой еще в бытность Ш. в Колумбийском университете. Книга была опубликована в 1955 г.

За два года до этого Таунсу и двум его коллегам удалось разработать устройство, которое они назвали мазером по первым буквам английских слов: микроволновое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения. Индуцированное излучение было предсказано Альбертом Эйнштейном в 1917 г. Опираясь на переворачивающую привычные представления новую квантовую теорию, ученые показали, что атом состоит из электронов, обращающихся вокруг плотного центрального ядра (модель Нильса Бора). Движение электронов ограничивается только разрешенными дискретными орбитами, т.е. строго определенными значениями энергии. В таких случаях принято говорить, что атом существует в определенных энергетических состояниях (или на определенных энергетических уровнях), обусловленных связью электрона и ядра. Самый нижний уровень называется основным состоянием. Поглощая или испуская излучение, электроны могут возбуждаться и переходить на более высокие уровни. Так как Макс Планк показал, что излучение состоит из отдельных порций, которые Эйнштейн назвал квантами (теперь они называются фотонами), разности энергий между уровнями соответствуют определенным квантам, или фотонам Планк показал также, что частота излучения пропорциональна энергии фотона. Возбужденный электрон вскоре переходит на более низкий энергетический уровень, испуская фотон, энергия которого равна разности энергий этих уровней, и порождая характерные спектры излучения, строго коррелированные с разностями энергий между уровнями, образующими единственную для каждого атома систему.

Возбужденные атомы обычно испускают фотоны случайным образом и различных длин волн. Эйнштейн теоретически показал, что если достаточное число атомов можно было бы возбудить до определенного энергетического уровня, то излучение, фотоны которого обладают энергией, равной разности энергий между этим и каким-либо другим более низким атомным уровнем, могло бы вызвать целый каскад переходов. Возбужденные атомы, населяющие верхний уровень, вынужденно переходили бы на нижний уровень с одновременным испусканием большого числа фотонов одной и той же частоты и в одной и той же фазе (в одной и той же точке частотного цикла). Таунс экспериментально подтвердил это теоретическое предсказание, используя микроволны, фотоны которых обладали энергией, равной разности энергий двух уровней атомов аммиака вещества, с которым работал Таунс. (Молекулы также обладают энергетическими уровнями, связанными с состояниями атомов, входящих в состав молекул, и обусловленными взаимодействием атомов.) Поскольку сравнительно слабый микроволновый сигнал индуцирует сравнительно большой выход фотонов с одной и той же частотой, результат можно интерпретировать как усиление сигнала. Некоторые из высвободившихся фотонов возбуждают атомы, вынуждая их снова переходить на верхний энергетический уровень, в результате чего усилитель превращается в генератор, способный поддерживать непрерывные колебания, а не только одиночный всплеск.

Микроволны имеют более низкие частоты (меньшие энергии фотонов) и, следовательно, большие длины волн (от 1 до 50 мм), чем видимый свет (от 0,0004 до 0,0007 мм). В 1957...1958 гг. Таунс и Ш. занимались поисками способа получения мазерного эффекта на видимом свете и в декабре 1958 г. опубликовали в журнале «Физикал ревью» ("Physical Review") статью «Инфракрасные и оптические мазеры» ("Infrared and Optical Masers"), в которой объяснили, как это можно сделать. В 1960 г. американский физик из компании «Хьюз эйркрафт» Теодор Меймен продемонстрировал первый действующий лазер – сокращение, образованное из начальных букв английских слов: световое усиление с помощью индуцированного (стимулированного) излучения. В том же году Ш. и другим физикам также удалось построить лазеры. В этот же период мазеры и лазеры были построены независимо от американских физиков Николаем Басовым и Александром Прохоровым.

В 1960 г. Ш. возвращается в Колумбийский университет, на этот раз в качестве приглашенного профессора. На следующий год он становится профессором физики в Станфордском университете, где и остается, пробыв в течение пяти лет деканом физического факультета. Он продолжает совершенствовать лазерную технологию, стремясь добиться выхода полностью монохроматического (одночастотного) излучения с регулируемой частотой (лазеры с перестраиваемой частотой). Однако в большинстве своих работ Ш. использует лазеры для исследования атомов и молекул, с начала 60-х гг. он становится одной из ведущих фигур в быстро развивающейся области лазерной спектроскопии.

В основе лазерной спектроскопии лежит тот фундаментальный факт, что атомы и молекулы поглощают и испускают электромагнитное излучение на характеристических частотах (энергиях фотонов), соответствующих разностям энергий между их различными энергетическими уровнями. Спектр частот излучения, испускаемых после возбуждения и перехода в более высокие энергетические состояния или предпочтительно поглощаемых из падающего излучения, помогает идентифицировать элементы, устанавливать структуру атомов и молекул и проверять выводы фундаментальной теории вещества и излучения. Создание лазера с перестраиваемой частотой явилось важным достижением, поскольку излучение такого лазера практически монохроматично (что позволяет точно измерять частоту), обладает высокой интенсивностью (что позволяет снимать спектры при относительно малом числе атомов или молекул) и облегчает настройку лазера на желательную частоту.

Во многих типах спектроскопии спектральные линии (узкие полосы частот) подвержены эффекту Доплера. Под эффектом Доплера мы понимаем изменение наблюдаемой частоты при движении источника излучения относительно наблюдателя. Частота возрастает, когда излучатель приближается к наблюдателю, и убывает при удалении от наблюдателя, причем величина повышения или понижения частоты зависит от того, как быстро приближается или удаляется источник. В случае звуковых волн эффект Доплера вызывает хорошо известное повышение или понижение звучания свистка паровоза или гудка автомашины, движущихся мимо наблюдателя. В спектроскопии частоты, испускаемые атомами или молекулами, которые всегда находятся в движении, зависящем от их температуры, сдвигаются в сторону повышения или понижения в зависимости от направления их движения. Поскольку атомы и молекулы движутся в различных направлениях, спектральная линия уширяется.

В случае спектров поглощения «наблюдателем» является атом или молекула, на которые падает излучение «Полученная» частота выше или ниже, чем частота внешнего источника, в зависимости от того, движется ли атом или молекула к источнику или от источника. Спектральные «линии» в действительности представляют собой пики со спадающими краями. Из-за уширения линий два близко расположенных пика могут перекрываться, и небольшой пик может оказаться трудноразличимым на фоне более крупного соседа и поэтому остаться незамеченным.

Работая вместе с Теодором В. Хеншем в Станфорде, Ш. разрабатывает несколько способов, позволяющих преодолеть трудности, связанные с доплеровским уширением, путем выделения спектров поглощения, испущенных атомами, скорость которых не содержит компоненты, параллельной лазерному пучку. Поскольку такие атомы не приближаются к источнику излучения и не удаляются от него, эффект Доплера полностью исключается. В 1972 г. Ш. и его сотрудники получили первые оптические спектры атомарного водорода, на которых не сказывался эффект Доплера, что позволило измерить с недостижимой ранее точностью постоянную Ридберга – одну из наиболее важных констант в физике.

Спектры молекул, вообще говоря, гораздо сложнее, чем спектры атомов, и Ш. воспользовался лазерами для упрощения молекулярных спектров с помощью так называемых лазерных меток. Молекулы «накачиваются» в определенное энергетическое состояние с помощью лазерного излучения, настроенного на нужную частоту (энергию фотона), после чего экспериментатор наблюдает за возвращением их на более низкие энергетические уровни. Поскольку это верхнее состояние выделено из всех возможных соседних состояний, оно называется меченым. Ш. разработал также метод лазерной спектроскопии, позволяющий определять следы элементов в окружающем материале.

В 1981 г. Ш. вместе с Николасом Бломбергеном был удостоен половины Нобелевской премии «за вклад в развитие лазерной спектроскопии». Другая половина премии была присуждена Каю Сигбану за близкую по тематике работу в области электронной спектроскопии. На церемонии презентации лауреатов представитель Шведской королевской академии наук Ингвар Линдгрен сказал:

«Эти методы позволили исследовать внутреннюю структуру атомов, молекул и твердых тел гораздо подробнее, чем это было возможно прежде».

В 1951 г. Ш. женился на младшей сестре Чарлза X. Таунса Аурелии. У супругов один сын и две дочери. Кларнетист-любитель, Ш. любит традиционный джаз и собрал большую коллекцию записей. Он пользуется известностью как лектор, участвовал в создании учебно-образовательных фильмов и телевизионных научных программ.

Кроме Нобелевской премии, Ш. удостоен медали и премии Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1952), медали Томаса Юнга Лондонского физического института (1963), медали Фредерика Айвса Американского оптического общества (1976). Он состоит членом американской Национальной академии наук. Американской ассоциации фундаментальных наук, Американского физического общества, Американского оптического общества и Института инженеров по электротехнике и электронике. Среди почетных ученых званий Шавлова – степень почетного доктора Государственного университета в Генте, Брэдфордского университета и Университета Торонто.