图：Dan Rubin，1958（公有领域）

查尔斯·汤斯

Charles Hard Townes

1915–2015 · 生于美国南卡罗来纳州格林维尔 · 美国

光学量子力学

在公园长椅上想通了受激辐射怎么放大，同事让他别再浪费经费

诺贝尔物理学奖 1964 在量子电子学领域的基础性工作，导致基于微波激射器与激光器原理的振荡器与放大器

「我的两位同事对我说，那东西行不通，你在浪费大学的钱，别干了。」
—— 回忆 1953 年拉比与库施到办公室劝阻的经过，据其自述意译

汤斯是被战争推进微波这一行的。1939 年他在加州理工拿到博士学位后进了贝尔实验室，1941 年被派去做雷达轰炸瞄准系统——一件他本来没兴趣的差事，却逼着他把微波技术摸了个透。1948 年他转往哥伦比亚大学，做分子的微波波谱学。

这一行卡在波长上：要看清更精细的分子结构就需要更短的微波，而当时的电子管做不出来。

出路早在 1917 年就写在爱因斯坦的纸上——受激辐射，一个高能级原子被光子撞上时会复制出第二个一模一样的光子。可它在教科书里躺了三十多年也没人拿来做成器件：寻常状态下低能级的原子远比高能级多，光穿过物质净效果是被吸收。

公园长椅

1951 年 4 月的一个清晨，汤斯在华盛顿开会。他起得早，走到富兰克林公园的一条长椅上坐下等餐馆开门。

他正在想一个具体的技术问题：微波波谱学需要更短的波长，而当时的电子管做不出来。他忽然意识到，也许根本不该用电子管——分子本身就能产生微波，只要能让处在高能级的分子多于低能级的。

这叫粒子数反转。做法是把处在两种能级的氨分子用不均匀电场分开，只把高能级的送进一个共振腔。他当场在信封上算了一遍，数量级说得通。

「你在浪费学校的钱」

回到哥伦比亚后，他和研究生戈登、博士后蔡格花了两年造这台机器。

1953 年，两位资深同事走进他的办公室：拉比和库施。两人都是诺贝尔奖得主，也都是这个系的前任系主任。他们直接告诉汤斯，那东西不会work，他在浪费大学的钱，应该停手。

汤斯回答说自己有终身教职，可以自己决定研究什么。

几个月后机器运转起来了。他给它起名 maser——受激辐射微波放大。

从微波到光

这台机器立刻显出用处：它极其安静，成了射电天文与早期卫星通信的低噪声放大器；氨钟和氢钟成为最精确的频率标准之一。

再往下走是把波长从厘米推到微米，那不是把尺寸缩小就行。1958 年他和妹夫肖洛合写了一篇论文，给出了绕开这道坎的办法。

真正抢先做出实物的却是别人：1960 年，休斯实验室的梅曼用一根红宝石棒点亮了第一束激光。

1964 年的诺贝尔奖由他与苏联的巴索夫、普罗霍罗夫共享——那两人是各自独立想到同一条原理的。

一个人的第二职业

1967 年，五十二岁的汤斯转去伯克利，换了个领域：天体物理。

他把微波技术带了过去。1968 年他的小组在星际空间探测到氨分子，随后是水分子——此前人们普遍认为星际空间太稀薄、辐射太强，复杂分子无法存在。这两项发现开创了星际分子天文学，如今已发现两百多种星际分子。

他也把红外光谱对准了银河系中心：1970 年代后期，他的小组测出中心电离气体的转速，推断那里集中着几百万倍太阳质量——这是银心大质量天体最早的动力学证据。1980 年加入这个小组的博士后根策尔，后来用恒星轨道把这件事坐实，拿了 2020 年的诺贝尔奖。汤斯自己后来又转向红外干涉测量，用几台望远镜合成一台的分辨率。九十多岁时他还在爬梯子调设备。

2015 年他去世，九十九岁。今天全世界每年产出的激光器以亿计——条码扫描、光纤通信、白内障手术、金属切割、光盘、激光笔、引力波探测器 LIGO 的干涉臂。而它起于一个人在公园长椅上等餐馆开门时的十分钟。