Charles Hard Townes

Charles Hard Townes se narodil 28. července, 1915 v Greenville v Jižní Kalifornii v USA a zemřel 27. ledna 2015 ve věku 99 let.

Townes byl nadaným studentem od dětství a v roce 1935 ve věku 19 let završil summa cum laude studium na místní Furmanově Univerzitě Svobodných Umění, kde získal titul bakaláře věd  v oboru fyzika a bakaláře umění v oboru moderních jazyků. Od druhého ročníku byl fascinován fyzikou pro její „nádhernou logickou strukturu.“ O jeho všestrannosti svědčí i to, že během studií sloužil též jako kurátor univerzitního muzea a během letních biologických táborů se zabýval sběrem exponátů, byl členem plaveckého a fotbalového týmu a redakce univerzitních novin.

Magisterský titul MA získal na Duke University v roce 1936 a následně nastoupil ke studiu na Caltech (California Institut of Technology), na němž získal doktorát v roce 1939 za práci o separaci izotopů a jaderném spinu.

V té době již 3 roky pracoval jako technik v Bellových laboratořích (Bell Telephone Laboratories). Během druhé světové války byl zapojen do vývoje radarových systémů pro letectvo. Poznatky, které zde načerpal, později zúročil při rozvoji spektroskopických metod na Kolumbijské univerzitě, kam nastoupil v roce 1948. Pomocí interakce mikrovln s molekulami studoval strukturu molekul, atomů i jader. V roce 1951 začal rozvíjet myšlenku čpavkového maseru. Řešení, jak spolehlivě generovat krátké vlny, napadlo Townese na lavičce v parku na jaře roku 1951, kdy si udělal jen náčrt na obálku. O tři roky později se jeho týmu podařilo sestrojit maser (akronym pro microwave amplification by stimulated emission of radiation), který byl schopný generovat a zesilovat mikrovlnné záření. První maser v ČSSR sestrojil v roce 1963 v našem ústavu, který se tehdy jmenoval Ústav radiotechniky a elektroniky, tým vedený Dr. Viktorem Trkalem.

V roce 1958 Charles Townes se svým švagrem Arthurem Schawlowem opublikovali myšlenku, jak by šlo maser vytvořit pro optické kmitočty a připravil tak pole pro vynález laseru [Townes1958].
Zde se také objevil vztah pro limitní šířku laserové čáry, známý jako Schawlowa-Townesova rovnice, která se dnes pro čtyřhladinový laser zapisuje jako

kde Δν_R je FWHM šířka rezonančního maxima rezonátoru, ν je kmitočet laseru, h je Planckova konstanta a P_L výstupní výkon laseru. Tento vztah říká, že nejmenší dosažitelná šířka laserové čáry je limitována spontánní emisí, která při každém oběhu rezonátorem přidává poli v rezonátoru  amplitudový a fázový šum. Zatímco amplitudové fluktuace jsou tlumeny a díky saturaci zisku se amplituda vždy vrací k ustálené hodnotě, fázové fluktuace tlumené nejsou a fáze náhodně fluktuuje s výkonovou spektrální hustotou

což vede ke konečné šířce čáry Δν_L. Prakticky bývá laserová čára mnohem širší.

Townes byl však jmenován ředitelem výzkumu pro americkou vládu v Institutu Analýzy Obrany (Istitute for Defense Analyses) v roce 1959, což zpomalilo jeho úsilí o vybudování optického přístroje (laseru) a předběhl ho Theodore Maiman, který předvedl první funkční laser v roce 1960.

V roce 1964 získal Nobelovu cenu za rozvoj kvantové elektroniky a za vynález maseru, který následně vedl k vynálezu laseru.

Na Kolumbijské univerzitě byl vedoucím Kolumbijské radiační laboratoře a vedoucím katedry fyziky. V letech 1960-1967 působil na MIT (Massachusetts Institute of Technology). V roce 1967 přijal místo profesora na Kalifornské univerzitě.

Townes sám masery používal dál v radio-astronomii, lasery v infračervené astronomii a interferometrii. Townes sestavil interferometr, opět za použití laseru, který díky kombinaci infračerveného světla snímaného třemi různými teleskopy snímal obraz s vysokým rozlišením, který by jinak mohl snímat jen mnohem výkonější dalekohled. Tímto interferometrem (Infrared Spatial Interferometer Array) lze měřit průměry hvězd, které se jinak objevují jen jako body světla ve většině dalekohledech. Charles Townes podporoval využití maserů a laserů v oblastech tak rozmanitých, jako přesné měření času (atomové hodiny) a v mimozemské komunikaci. S pomocí laserů se svými kolegy také detekovali první komplexní molekuly v mezihvězdném prostoru a prvně změřili hmotnost černé díry v centru naší galaxie. Jeho techniku používají dnešní nejvýkonější dalekohledy na světě.

Charles Townes dostal za svůj život desítky ocenění, medailí, čestných doktorátů a státních ocenění. V roce 2005 získal Charles Townes Templetonovu cenu za přínos v porozumění náboženství. Townes tuto cenu získal za svůj celoživotní přínos pro sbližování vědy a víry. Propagoval názor, že věda hledá zákony, jimiž se náš vesmír řídí, zatímco náboženství se snaží porozumět smyslu vesmíru. Jeho článek na toto téma naleznete zde.

Pokud lidé chtějí rozšířit své poznání, nesmějí podle Townese ignorovat ani vědu, ani víru, protože obě se snaží o poznání pravdy, o které jde především.

Publikace:

1. [Townes1958]  A. L. Schawlow and C. H. Townes, “Infrared and optical masers”, Phys. Rev. 112 (6), 1940 (1958)

<< zpět na rok světla