Николас Бломберген
Биография
Нидерландско-американский физик Николас Бломберген родился в Дордрехте (Нидерланды) и был вторым из шести детей у Оке Бломбергена и Софии Марии (в девичестве Квинт) Бломберген. Его отец был инженером-химиком со степенью и работал служащим в компании по производству удобрений. Его мать, дочь директора школы, имевшего докторскую степень по математической физике, обладала дипломом, который позволял ей преподавать французский язык, однако она посвятила себя заботам о семье. Воспитанный в консервативной, дисциплинированной и интеллектуальной атмосфере, мальчик любил читать, а вне дома активно проводил время: плавал, занимался парусным спортом, катался на коньках, что всячески поощрялось в его семье.
Вскоре после того, как семья переселилась в Билтховен, пригород Утрехта, Николас поступил в начальную школу. В двенадцать лет он стал учиться в муниципальной гимназии Утрехта, где упор делался на гуманитарные дисциплины, а ученики готовились к поступлению в университет. Почти у всех его учителей были докторские степени. Его склонность к естественным наукам выявилась лишь в последних классах, когда он стал изучать основы физики и химии.
В 1938 г. Бломберген поступил в Утрехтский университет, чтобы изучать физику. «Выбор физики, – писал он позднее, – был, вероятно, вызван тем, что этот предмет казался мне наиболее трудным». После оккупации Германией Нидерландов в 1940 г. многие сотрудники факультета были уволены или схвачены гестапо. Тем не менее Бломберген получил эквивалент магистерской степени в 1943 г., как раз перед тем, как нацисты закрыли университет. В течение следующих двух лет он скрывался от нацистов. К концу войны Европа была разорена, так что Б. для получения дальнейшего образования пришлось обратиться в американские учебные заведения, и он был принят в аспирантуру Гарвардского университета в 1945 г. Поддержанный своей семьей, он продолжал там занятия, посещая лекции таких ведущих физиков, как Джулиус С. Швингер и Джон X. Ван Флек.
Всего лишь за шесть недель до приезда Б. в США Эдуард М. Перселл и двое его коллег обнаружили ядерный магнитный резонанс (ЯМР) – поглощение и испускание атомным ядром электромагнитной энергии высокой частоты, связанной с ядерным спином. Ядро ведет себя подобно вращающемуся волчку. Поскольку оно положительно заряжено, его движение равносильно электрическому току, который генерирует магнитное поле, аналогичное полю, создаваемому током в обмотках электромагнита. Ядерный магнетизм, как и всякий магнетизм, обладает величиной и направлением, а также взаимодействует с внешними электромагнитными полями.
Как аспирант Перселла Б. помогал разрабатывать первые ЯМР-приборы и вместе с Перселлом и Р.В. Паундом в 1948 г. опубликовал важную статью о релаксационном эффекте в ЯМР возвращении ядерных магнитных ориентации к прежнему состоянию после возбуждения электромагнитными полями от внешнего источника. Это возвращение вызывается окружающей структурой и зависит от деталей этой структуры. Многие из этих материалов вошли в докторскую диссертацию Б., которую он представил в Лейденский университет в этом же году, а сам он, получив стипендию для проведения исследовательской работы, переехал туда в 1947 г. и начал работать в лаборатории имени нидерландского физика Хейке Камерлинг-Оннеса.
Вернувшись в Соединенные Штаты в 1949 г., Б. был избран членом весьма престижного Общества выпускников Гарварда. Он стал там же адъюнкт-профессором в 1951 г., полным профессором в 1957 г., профессором физики в 1974 г. и университетским профессором в 1980 г.
В 1953 г. Чарлз Г. Таунс вместе с двумя коллегами испытал в Колумбийском университете мазер (аббревиатура от английского выражения, означающего «микроволновое усиление с помощью стимулированного излучения»), прибор, дающий интенсивный, узконаправленный, монохроматический пучок микроволн. Стимулированное (индуцированное) излучение было предсказано еще Альбертом Эйнштейном в 1917 г. на основе квантовой теории и модели атома, предложенной Нильсом Бором, согласно которой отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженного плотного центрального ядра. Движение электронов ограничено некоторыми орбитами (или энергетическими уровнями), и они могут переходить с более низкого на более высокий уровень, возбуждаясь в результате поглощения электромагнитного излучения. Макс Планк показал, что такое излучение состоит из дискретных порций, ныне называемых фотонами, и что его частота пропорциональна энергии фотона. Фотон, поглощаемый атомом, обладает энергией, равной разности между двумя характеристическими энергетическими уровнями атома. Возбужденный электрон вскоре переходит обратно на более низкий уровень, излучая фотон соответствующей энергии (и соответствующей частоты), равной разности между двумя уровнями. Обычно фотоны излучаются в случайные моменты времени и совершенно не связаны фазами Эйнштейн показал, что если бы атомы (или молекулы, которые также обладают энергетическими уровнями, но устроены сложнее атомов) удалось возбудить до определенного энергетического уровня и удержать на нем, то излучение с подходящей энергией (частотой) фотонов вызвало бы их одновременный переход на более низкий уровень. Подходящая частота и энергия фотонов должны соответствовать разности между двумя энергетическими уровнями. В результате должно возникнуть лавинообразное выделение в одно и то же время фотонов, обладающих одинаковой частотой и одинаковой фазой (положением в колебательном цикле), порождающих мощное когерентное (все в одной фазе) излучение. Поскольку относительно небольшой электромагнитный сигнал вызывает относительно большой сигнал той же частоты на выходе, то в результате индуцированного излучения происходит усиление.
В мазере Таунса использовался газообразный аммиак с двумя особыми энергетическими уровнями, разность которых соответствовала фотонам с частотой радиодиапазона. Когда Б. писал в 1956 г. свою работу по магнитному резонансу, он предложил взять за основу при разработке мазеров принцип трех уровней, позволяющий использовать твердые материалы, такие, как кристаллы. По этой схеме кристалл, возбуждаясь под воздействием подающегося излучения подходящей частоты, переходит на самый верхний из трех специальных энергетических уровней. В результате естественного выхода из возбужденного состояния произойдет переход на промежуточный уровень, служащий источником индуцированного излучения. Излучение с частотой, соответствующей разности между двумя самыми низкими уровнями, вызывает затем испускание нужного излучения. Артур Л. Шавлов позднее назвал схему Б. первым практически полезным мазером.
Первый прибор, дающий индуцированное (стимулированное) излучение видимого света, был построен в 1960 г. американским физиком Теодором Мейменом и получил название «лазер» (л – от английского слова "light" – «свет»). В том же году Шавлов и другие физики также построили лазеры.
За тот же период и мазер, и лазер были независимо созданы Николаем Басовым и Александром Прохоровым. В 1965 г. Арно А. Пензиас и Роберт У. Вильсон использовали твердотельный мазер на основе кристалла рубина для обнаружения космического реликтового излучения, остатка гипотетического «большого взрыва», в результате которого родилась наша Вселенная.
Б. известен как один из создателей нелинейной оптики, общей теории взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, более общей, чем та, которая была сформулирована в XIX в. Джеймсом Клерком Максвеллом. Согласно теории Максвелла, воздействие на вещество со стороны видимого света или любой другой формы электромагнитного излучения прямо пропорционально интенсивности излучения.
В 1962 г. Б. вместе с тремя коллегами опубликовал общую теорию нелинейной оптики, которую впоследствии существенно расширил. Он сделал значительный вклад в разработку лазеров, показав, что в силу законов нелинейной оптики в лазере могут появиться гармоники, кратные основной частоте и подобные обертонам в звуке, в результате произойдет излучение пучков энергии более высокой частоты. Описав предполагаемое взаимодействие трех лазерных пучков, в результате которого образуется четвертый пучок, частотой которого можно управлять с высокой точностью, Б. заложил теоретические основы для создания настраиваемого лазера. Используя настраиваемые лазеры, другие исследователи, среди которых нужно выделить Шавлова, разработали утонченную методику лазерной спектроскопии, позволившую получить новые, весьма подробные сведения о строении атомов и молекул. В спектроскопии лазерные пучки возбуждают атомы, переводя их на энергетические уровни, более высокие по сравнению с самым низким (основным) состоянием. Отмечая, какие именно частоты предпочтительно поглощаются или испускаются, спектроскопист может определить характеристические энергетические уровни, т.е. строение исследуемого материала. Точное знание частоты пучка, что обеспечивается монохроматической (одночастотной) природой лазерного света, а также возможность точно настраивать частоту на различные энергетические уровни позволяют провести более глубокий анализ.
«За вклад в развитие лазерной спектроскопии» Б. и Шавлов разделили между собой в 1981 г. половину Нобелевской премии по физике. Другой половиной был награжден Кай Сигбан за электронную спектроскопию с помощью рентгеновских лучей. В заключение Нобелевской лекции Б. указал на некоторые приложения нелинейных оптических процессов, включая развитие оптических систем связи, временной и линейной метрологии, и сбор информации.
На конференции физиков в Нидерландах в 1948 г. Б. встретил Хуберту Делиану Бринк, уроженку Индонезии, которая изучала медицину. Она последовала за ним в следующем году в Америку по студенческому обмену, и Б. сделал ей предложение в первый же день после ее приезда. Они поженились в 1950 г., у них сын и две дочери. Он стал американским гражданином в 1958 г. «Добрый старый голландский джентльмен», как охарактеризовал его один из коллег, Б. любит играть в теннис, совершать пешие прогулки и кататься на лыжах Семья живет в Лексингтоне (штат Массачусетс).
Кроме Нобелевской премии, Б. получил премию Оливера Бакли Американского физического общества (1958), премию Мориса Либмана Института радиоинженеров (1959), медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского института (1961), Национальную медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1974) и медаль Фредерика Айвса Американского оптического общества (1979).Он является членом Американской академии наук и искусств, американской Национальной академии наук и Голландской королевской академии наук.
