Laser – co to je a jak se to stalo (2. část)

Laser – co to je a jak se to stalo (2. část)

Přeloženo z C. H. TOWNES: The laser – What it is and how it happened.
International Journal of Modern Physics B, 2002, vol. 16, No. 31, pp. 4655–4664.

Po návratu na Columbia University jsem si pečlivě zapsal schéma svého návrhu jak dostat záření z molekul a napadlo mě, že bych mohl mít postgraduálního studenta, který by to vyzkoušel v rámci doktorandské disertace. Myslel jsem si, že pro první experiment, spíše než se pokoušet vyprodukovat žádané submilimetrové vlny, bude lepší se pokusit to rozchodit na centimetrových vlnách. Pro ty jsme měli spoustu vybavení a mohli jsme snadno postavit rezonanční dutinu. V průběhu dvou tří měsíců se ten pravý student našel – Jim Gordon. Nejenže to byl bystrý student, ale měl i předchozí zkušenosti s molekulárními svazky. A navíc byl ochoten to zkusit.

O práci na pokusu vytvořit molekulární oscilátor se samozřejmě na katedře fyziky California University trochu mluvilo. Profesor L. H. Thomas, vynikající teoretický fyzik, podle kterého byl pojmenován „Thomasův efekt„^*), se k mému pokusu stavěl velmi skepticky. Kdykoliv jsme se potkali, vždy řekl, že takový systém nebude pracovat tak, jak si myslím. Tomu jsem prostě nerozuměl. Že prý to nemůže dát velmi čistou frekvenci. Nikdy jsem nepochopil, jakým způsobem uvažoval – dal mi najevo pouze tolik, že mi stále říkal, že jsem to nepochopil. Ale já jsem si oživil své poznámky z kursu kvantové mechaniky o elektromagnetickém záření, na který jsem chodil k W. V. Houstonovi jako student na Caltechu^**). Z těchto poznámek se mi teorie stimulovaného záření, včetně toho, že indukované záření bude koherentní, zdála jasná. A tak naším jediným problémem bylo vytvořit dostatečný počet excitovaných molekul ve svazku a umožnit tak čistou kladnou zpětnou vazbu pro oscilace.

Druhý jev, který pravděpodobně poněkud zpomalil objevení maserů a laserů, je všeobecná nesnadnost rozpoznat důležité využití poznatků základního výzkumu v praxi. Jak jsem již řekl, lasery byly vyvinuty na základě výsledků výzkumu v oblasti mikrovlnné spektroskopie molekul. Ale kdo by to byl předpovídal? Mikrovlnná spektroskopie sama „vyrostla„ z vývoje radaru v průběhu 2. světové války a z následné práce fyziků s rádiovými vlnami a mikrovlnami. Avšak přestože mikrovlnná spektroskopie začala v průmyslových společnostech – Bell Labs, RCA, General Electric a Westinghouse, které měly mikrovlnné vybavení a kde pracovali zainteresovaní fyzici , manažeři všech uvedených společností, s výjimkou Bell Labs, práce na takovýchto projektech ukončili. Bylo tomu tak proto, že nepředvídali žádnou dostatečně užitečnou aplikaci jejich výsledků. Bell Labs se zachovaly velkomyslně tím, že mi dovolily pokračovat v práci na mikrovlnné spektroskopii. Přestože jsem se pokoušel upozornit na některé možné elektronické aplikace (a myslel jsem si, že je čestné říci, že to nebude moci poskytovat zesílení, ale pouze ekvivalent rezistoru a kondenzátoru nebo cívek), Bell Labs nebyly ochotny rozšířit toto pole výzkumu za hranice práce mne samotného. Brzy jsem se přestěhoval na Columbia University. Zde byly výsledky základního výzkumu jasnou prioritou. Rovněž v jejím okolí nebyly žádné průmyslové společnosti. A tak se stalo, že všechny tři nezávislé myšlenky o maseru vznikly v laboratořích základního výzkumu.

Třetí typ důležitého jevu, který byl, jak věřím, zásadní pro vývoj maseru a laseru, je interdisciplinární vzájemné působení a znalosti, zejména mezi kvantovou fyzikou a elektroinženýrstvím. Elektroinženýři v první části tohoto (rozuměj dvacátého) století nebyli, obecně vzato, příliš obeznámeni s kvantovou mechanikou a fyzici zas nebyli dost dobře obeznámeni s elektronikou, do doby, než aspoň někteří z nich získali určitou zkušenost v průběhu 2. světové války, když se podrobně zaobírali radarem. Pro inženýry bylo charakteristické, že nebyli obeznámeni se stimulovanou emisí, a na druhé straně fyzici neměli dostatečné znalosti o zpětné vazbě oscilátorů, koherentním zesilování a ani jim příliš neimponovala důležitost toho, pro co původně masery a lasery měly být. Zkušenosti z 2. světové války pomohly mně, stejně jako některým jiným, do celého tohoto pole jasně vidět.

Hned potom, co začal maser fungovat, jsem krátce navštívil Nielse Bohra v Dánsku. Jak jsme kráčeli jakousi ulicí v Kodani, přirozeně se mě zeptal na můj výzkum a já jsem mu řekl o maserovém oscilátoru s jeho velmi čistou frekvencí. Hm, řekl, tady musí jít o nějaké nedorozumění. Ta frekvence nemůže být tak dobře definovaná. Skutečně je, odpověděl jsem. Po krátké další diskusi a odmítnutí z jeho strany nakonec řekl „dobře, možná, že máte pravdu„. Ale nikdy jsem si nebyl jist, že byl přesvědčen. Zřejmě musel být uzavřen v tom nadevše důležitém principu neurčitosti a konečném čase, který molekuly tráví v dutině, jež měří jejich frekvenci.

O něco později, na jakési párty v Princetonu, jsem se přidal k Johnu von Neumannovi, který se mě zeptal, jakou fyziku momentálně dělám. Řekl jsem mu o maseru. To ne, to nemůže být pravda. Musel jste to nějak nepochopit. Ano, odpověděl jsem mu, je to pravda a pokoušel jsem se mu vysvětlit proč. Ale stejně ne, cítil, že to tak nemůže být, a opustil mne, aby si vzal další nápoj. Za asi patnáct minut se vrátil a řekl důrazně „Ano, máte pravdu.„ Správně to vyhodnotil. Von Neumann se mne potom začal vyptávat, zda jsem uvažoval o tom, udělat podobnou věc s elektronovými hladinami v polovodičích. Odpověděl jsem mu, že ano, myslel jsem si, že by to v podstatě mohlo fungovat, ale že jsem neměl nic praktického pro realizaci. Ale z jeho otázek a zájmu o polovodiče jsem nebyl moudrý. O pár let později jsem pochopil, proč se ptal, protože jsem četl dopis publikovaný jako součást jeho memoárů, ve kterém navrhoval Edwardu Tellerovi, že v polovodiči lze pomocí intenzivního toku neutronů z jaderného reaktoru excitovat mnoho elektronů, a to že by mohlo vytvořit intenzivní světelný zdroj. Provedl rozsáhlý teoretický rozbor tohoto procesu a chápal to, ale nikdy neuvažoval koherenci nebo koherentní zesílení. Na Tellera toto sdělení zřejmě neučinilo dojem, a na dopis neodpověděl.

Věřím tomu, že každý elektroinženýr, jakmile byla postulována stimulovaná emise a zpětná vazba, by okamžitě předpokládal koherentní oscilaci s velmi čistou frekvencí. Ve skutečnosti odborníci tak skutečně reagovali, když jsem se zmínil o tom, že jsem dostal stimulovanou emisi z molekul. Co se teoretických fyziků týče, koherence a zpětná vazba nebyly středem jejich pozornosti, zato princip neurčitosti ano.

Profesor Rabi, dřívější vedoucí katedry fyziky na Columbia University, a profesor Kusch, tehdy vedoucí katedry, přišli do mé kanceláře s jakýmsi poselstvím téměř dva roky poté, co jsme začali pracovat na maseru. Usadili se a začali mi s určitou tvrdostí vysvětlovat, že moje myšlenka by neměla fungovat, a že jsou si jisti, že já také vím, že to nebude fungovat. Že musím skončit s mrháním peněz Columbia Radiation Laboratory na tento bezcenný a neužitečný experiment. Naštěstí umím být tvrdohlavý. Samozřejmě jsem velmi pečlivě prověřil všechna čísla, a tak jsem věřil, že jsme velmi blízko okamžiku, kdy to bude fungovat. Řekl jsem jim: „Ne, věřím, že to má naději na fungování, a já hodlám pokračovat.„ Naštěstí jsem měl trvalý pracovní poměr, a tak mě pouze užaslí opustili. Asi za tři měsíce vpadl Jim Gordon do jednoho z mých seminářů a řekl „Funguje to.„ Okamžitě jsme všichni opustili učebnu a šli jsme se na to do laboratoře podívat. Rabi a Kusch nebyli ke mně pouze nepřátelští; poté, co maser fungoval, mne Rabi nominoval na moji první důležitou veřejnou cenu a Kusch řekl, že si měl uvědomit, že budu vědět o tom, co dělám, víc než on.

Jakmile začal maser pracovat, ihned se stal „horkým„ tématem pro fyziky, kteří se zabývají rezonancemi mikrovlnných rádiových frekvencí, ale jeho aplikace mnozí stále ještě neviděli. Chtěl jsem vyrobit laditelný maser a pracoval jsem na tom během sabatického pobytu ve Francii s kolegy. Používali jsme při tom elektronovou spinovou rezonanci v magnetickém poli. Woody Strandberg, mikrovlnný spektroskopista na MIT, zjevně měl podobnou myšlenku a přednášel o ní na kolokviu. Nico Bloembergen z Harvardu byl mezi přítomnými a po Strandbergově přednášce se zeptal: „No, ale proč to vůbec chcete dělat?“ Strandberg zdůraznil, že by to byl nejcitlivější zesilovač, jaký jsme dosud měli. Hm byla Blombergenova odpověď. Jak se vracel na Harvard, brumlal si ji pro sebe. Jako expert na elektronovou spinovou rezonanci přišel na tu pravou myšlenku – tříhladinový elektron-spinový maser^***), který se stal základem pro četné dobré masery – další ukázka výměny myšlenek mezi vědci a ukázka počátečního nedocenění potenciálních aplikací stimulované emise.

Ačkoliv toto pole začalo být velmi ceněno a stalo se atraktivním pro fyziky poté, co masery na molekulových svazcích a elektronovém spinu začaly pracovat, pouze málo fyziků z této oblasti si myslelo, že by vůbec kdy mohly fungovat na tak krátkých vlnových délkách, jaké má světlo. Dokonce já sám jsem zpočátku chtěl dospět až do infračervených vlnových délek, které tehdy byly cílem mých původních představ. Byl jsem si jist, že toho lze dosáhnout, ale neměl jsem jistotu v tom, jak malé by vlnové délky měly být. V létě roku 1957 jsem byl požádán, abych se skupinou jiných vědců a inženýrů pomohl sepsat zprávu o tom, co z vědy a techniky bude nejdůležitější pro U. S. Air Force v průběhu příštích 25 let, a tudíž jaký výzkum by se měl podporovat. Zařadili mě do výboru týkajícího se elektroniky. A já jsem napsal určitou část zprávy. V ní jsem poznamenal, že důležitý bude další rozvoj maserů a že jejich vývoj by měl být veden směrem k menším vlnovým délkám, přičemž jsem předpovídal, že by popřípadě bylo možné dosáhnout střední infračervené oblasti ( 10 µm). Skupina byla požádána, aby nemluvila moc o práci související s vesmírem a satelity, protože politici ve Washingtonu měli pocit, že by neměli Air Force zneklidňovat takovými pokusy. Ale téhož podzimu odstartoval Sputnik a úplně změnil politické preference. Air Force se rozhodla zprávu nevydat, a naopak v létě příštího roku (1958) ji nechat zrevidovat studijní skupinou tak, aby mohla obsahovat více vesmírné techniky. Já jsem se ke druhé studii nepřipojil a později jsem shledal, že můj návrh dotlačit maser k menším vlnovým délkám byl odstraněn coby součást techniky pro příštích 25 let. Bylo to považováno za nerealistickou myšlenku sebestředného Charlese Townese a vyřazeno. Ale lasery se dočkaly existence už o dva roky později.

Do roku 1957 jsem byl osobně trochu zklamán, že mě nenapadlo, jak nejlépe přimět maser dobře fungovat při vlnových délkách menších než 1 mm. Jistě bylo možné něco udělat, ale žádný vhodný způsob, jak toho dosáhnout, mne nenapadal. Rozhodl jsem se prostě sedět v kanceláři, promýšlet nejlepší myslitelné metody a odhadovat, při jak až malých vlnových délkách by to mohlo pracovat. Když jsem psal odpovídající teoretické vzorce, náhle jsem si všiml, že by vůbec nemuselo být tak nesnadné jít rovnou s vlnovými délkami až do optické oblasti. Předtím jsem se pokoušel uvažovat intuitivně, ale teď napsané vzorce a výpočty odhalily, že pro to, abychom dosáhli odpovídajícího zisku pro oscilace viditelného světla, je třeba udržovat dostatečný počet atomů v horním stavu optickým čerpáním. Zapsal jsem si všechno do svého poznámkového bloku, včetně jakéhosi blíže neurčeného zrcadla ve tvaru krychlové krabice, v souvislosti s nímž jsem si uvědomoval, že oscilace v podobě jednoho módu by byly nepraktické. Ale doufal jsem, že přijdu na lepší rezonátor.

Bell Labs mě tehdy požádaly, abych se s nimi radil na širší téma, a to především v podobě návštěv jednou nebo dvakrát týdně a rozhovorů s jejich výzkumným personálem – příjemná a podnětná úmluva. Jel jsem tam a zastavil jsem se v kanceláři svého švagra Arta Schawlowa. Když jsem mu řekl, že jsem dospěl k závěru, že by optický maser mělo být možné sestrojit, odpověděl, že on o tom také obdobně přemýšlel a zajímal se o to. Dali jsme tedy hlavy dohromady – a byl to Art, kdo přišel s myšlenkou použít dvě paralelní zrcadla jako rezonátor.

Zdálo se jasné, že na rozdíl od prvních myšlenek týkajících se maseru tu nyní bude mnoho zainteresovaných fyziků, kteří s námi budou soutěžit v diskusi anebo v tom, jak optický maser realizovat. O optickém maseru nikdo z těch, o kterých jsme věděli, nemluvil. Ale já jsem se bál, že jakmile se o této myšlence zmíníme, strhne na svou stranu příliš pozornosti, a když se budu pokoušet jeden optický maser postavit, mnozí další již budou s námi soutěžit, na rozdíl od prvního maseru. A tak raději než stavět optický maser jsme se rozhodli napsat teoretický článek o této možnosti. A jelikož šlo o Bell Labs, musely si nejdříve tyto laboratoře nechat myšlenku správným způsobem patentovat, a to ještě dříve, než byl článek uvolněn ke zveřejnění. A tak zatímco se myšlenka zrodila na podzim 1957, teprve v létě 1958 bylo vše sepsáno a správně patentováno. Až poté byl náš článek uvolněn. Je zajímavé, že článek obíhal mezi mnohými jednotlivci ještě dřív, než byla dokončena zmíněná zpráva Air Force, která vylučovala jakoukoliv zmínku o posunutí vyzařování maserů k menším vlnovým délkám. Evidentně to studijní skupině buď nedošlo, nebo tomu stále nevěřila. Článek byl oficiálně publikován ve Physical Review v prosinci 1958.

Hned jak byl Schawlowův a můj článek dostupný, řada lidí se dychtivě obrátila k materiálům pro optický maser nebo laser a k tomu, aby takový laser postavili. Já osobně jsem byl zcela zaneprázdněn prací na plný úvazek, která představovala poradce ve vědě a technice ve Washingtonu, a nemohl jsem věnovat čas intenzivní práci na laseru, ačkoliv moji studenti na Columbia University i já jsme se tím skutečně zabývali. První laser, využívající rubín a výbojku, byl vytvořen Tedem Maimanem z Hughes Laboratory. Předtím byl studentem „Willis lamb„ a pracoval v mikrovlnné spektroskopii. Druhý typ laseru, pro který byl zvolen jiný materiál, ale také krystal a výbojka, byl doveden k činnosti Sorokinem a Stevensonem. Sorokin byl dříve studentem Bloembergena a Stevenson byl mým studentem, oba prováděli výzkum v mikrovlnné spektroskopii. Mezitím Ali Javan, tehdy v Bell Telephone Labs, ale předtím můj student, navrhl velmi dobrý systém s použitím výboje He-Ne; to také brzy fungovalo. Je pozoruhodné, ale docela logické, že všechny první lasery byly postaveny v průmyslových laboratořích. Byly však vytvořeny studenty s docela nedávnou praxí v mikrovlnné rádiové spektroskopii na univerzitách. V té době již byly masery uznány za užitečné a jejich výzkum byl vcelku dobře podporován průmyslem. Průmyslníkům bylo zřejmé, že tento obor má svou technickou cenu a vědci v průmyslu se na tento výzkum mohou zaměřit s větší intenzitou, než by mohli v akademickém světě.

Později se objevila spousta příspěvků týkajících se problematiky laserů, jejichž vývoj vycházel z idejí mnoha lidí z různých oborů – to je pro každý průlom typické. Při předvídání dalších variant a aplikací jsou užitečná nová hlediska a východiska. Myslím si, že o tomto oboru lze říci, že je ve svém jinošském věku – jeho síla a rozsah schopností jsou zřejmé, ale jeho plný rozvoj je stále ještě věcí budoucnosti.

Takový začátek práce v oboru, jak již bylo popsáno, zatímco v tom konkrétním je jedinečný, je pravděpodobně zcela typický pro vědeckotechnické převratné objevy. A jasně ukazuje, že:

Základní výzkum by neměl být podporován pouze pro technické výstupy, které lze předvídat, ale spíše jako průzkum s určitou pravděpodobností, že dosáhne naprosto nečekaných výsledků.
Interdisciplinární vztahy mohou být velmi plodné pro vznik inovačních myšlenek a objevů.
Musíme být otevření k nazírání, myšlenkám a experimentům, které nezapadají do přijatelného vědeckého myšlení a trendů, a které dokonce vyvolávají provokace proti standardním stěžejním myšlenkám.
Sociologie vědy, tj. diskuse a vzájemné působení mezi vědci a celou vědeckou komunitou, má zásadní význam pro rozvoj nového oboru.

Osobně, když se dívám na vývoj laseru a na spoustu jevů, které jeho vznik doprovázely, mě napadá historka, kterou jsem slyšel, o bobrovi, jenž seděl pod hrází přehrady Hoover Dam (jedna z našich nejúžasnějších přehrad a velkolepá stavba na řece Colorado) a říkal svému příteli králíkovi: „Ne, ve skutečnosti jsem tu přehradu sám nepostavil – ale vychází z mého nápadu.“

^*) Thomasův efekt je relativistický jev týkající se pohybu elektronů, známý také jako Thomasova precese.
^**) California Institut of Technology
^***) Základem tříhladinového maseru (laseru) je kvantově mechanický systém (např. elektronů) se třemi energetickými stavy, základním, excitovaným a metastabilním. Dodáním energie je tento systém převáděn ze základního do excitovaného stavu. Z excitovaného stavu systém samovolně přechází do stavu metastabilního. Přechod z metastabilního stavu do stavu základního za podmínek umožňujících tzv. indukovanou emisi vede ke generaci koherentního záření.