二`科學的創新3(2 / 3)

那麼,《物理評論快報》的主編為什麼會誤認為梅曼的激光器就是微波激射器呢?和這個問題相關的問題是:激光和微波激射有什麼聯係和區別,激光器和微波激射器又有什麼聯係和區別呢?

我們知道,所謂“微波”和“激光”都是電磁波,兩者在這個意義上並沒有本質的區別,隻不過激光的波長更小(或者說頻率更高)罷了。但是,發明了微波激射器,並不等於能製成激光器——製成能夠生產頻率更高的激光的激光器困難得多!

在這裏,我們又感受到了一次“量變到質變”——就是這頻率由低變到高,科學家們就用了10年時間!

所以,有的文獻就把激光的誕生編成了“四部曲”:奠定理論基礎(1916年,愛因斯坦),借助於微波波譜學的發展(20世紀20~40年代),“預演”成功(1954年,湯斯等研製成功微波激射器),激光誕生(1960年,梅曼)。

正因為如此困難和重要,所以在湯斯發明了微波激射器以後,當時世界上的許多實驗室都在激烈競爭——盡快製成激光器!例如,美國物理學家桑德斯(1924~),出生在伊朗的、湯斯的學生賈萬(1926~),前蘇聯物理學家克羅辛和波波夫等。其中,在貝爾實驗室工作的賈萬、別耐脫、海利奧托在1960年2月還製成了著名的氦氖激光器。接下來,外腔式氣體激光器、玻璃激光器、有機液體激光器、喇曼激光器、半導體激光器……相繼誕生。

這裏,還有一個特別“奇怪”的問題:為什麼梅曼能捷足先登,後來居上?

原來,梅曼有用紅寶石做微波輻射器的多年經驗,並由此預感到用紅寶石做激光材料的可能性,在試驗了包括紅寶石在內的多種材料都不理想之後,果斷地殺“回馬槍”。

這個“回馬槍”的高明之處在於,沒有迷信魏德爾在1939年的論文中說紅寶石晶體的量子熒光效率也許隻有1%的結論。實際上,梅曼在實驗中用螺旋形脈衝氙燈激勵含鉻0.05%的鍍銀紅寶石圓柱體——直徑和高都是19毫米,得到的這個參數達到75%以至後來的100%。於是,波長為694.3納米的、峰值功率為10千瓦的、頻譜純度很高的深紅色激光產生了。

由此可見,梅曼的“三大法寶”是持之以恒(積累經驗)、科學預見(選紅寶石做材料)和開拓創新(不放棄1%)。顯然,毋庸置疑的是,他開創激光新紀元的成功絕非偶然。

在發明激光的過程中,還有三個物理學家作出了重要的貢獻——法國的卡斯特勒(1902~1984)和他的學生布羅塞爾,以及美國的比特。在隔洋相對的朋友比特有關“光抽運”的思想啟發下,卡斯特勒和布羅塞爾於1955在實驗中觀察到了光抽運現象。接著,他們還實現了光抽運和“光磁共振”的結合,完成了研製激光的核心技術。遺憾的是,比特羞於麵子,拒絕了卡斯特勒邀請他一起署名發表有關論文的邀請。於是,1966年的諾貝爾物理學獎,隻能讓“激光之父”卡斯特勒獨享。

由於激光的亮度比太陽光還要高100億倍,具有普通光沒有的很多優良性能,所以,它初降人世,就立即得到科學家們的青睞。

目前,科學家們已經獲得了各種激光——紅外光激光、可見光激光、紫外光激光、X光激光(例如1984年10月美國普林斯頓大學研製出的波長為18.2納米等波長的X激光,和勞倫斯利弗莫爾實驗室研製出的15.5納米的X激光),以及可調諧激光(例如梅曼紅寶石激光),等等。

激光器種類繁多。從工作物質來分,有同體激光器(例如梅曼的紅寶石激光器)、液體激光器、氣體激光器、自由電子激光器等。此外,還有在一定範圍內可連續改變輸出波長的可調諧激光器、光學諧振腔較大的大光腔激光器,等等。

1963年,美國的汽車工程師雷斯特在一家大醫院坐以待斃——6次手術、3次放射性治療、多次化學藥物治療之後,右肩上3個黑色毒瘤依舊“死而複生”。醫生們會診後決定讓新式武器——激光上陣。在接連照射了18天激光以後,雷斯特從“地獄”門口回到了人間“天堂”。從此,激光在醫學上開始大顯神通。

2005年上半年,美國發明了一種勝過警犬的激光探測器,用來探測隱藏的地雷和其他爆炸物。

除了用於通信、治療疾病和探測以外,激光還有許多用途:光纖傳感器、測距和基準測量、參數測量、改變生物性狀、材料加工、全息照相、照排、武器、跟蹤和製導、核聚變、分離同位素……

一路走來的製冷技術

“為了拯救地球,不含氟氯化碳的氣霧已踏上征程。可就在這同時,充滿氟裏昂的電冰箱正躲在陰暗的角落裏,窺視時機,以求一逞……”這是一張科普報紙對日益擴大的臭氧洞的憂慮。

我們的故事,就從含氯氟裏昂——一種讓人愛了幾十年之後又“忍痛割愛”的“功臣”開始。

1930年,美國化學家米奇利發明了一種沒有毒性的新型電冰箱製冷劑——氟裏昂-12(學名二氟二氯甲烷),並在第二年取得專利。從此,各種含氯氟裏昂(freon的音譯)製冷劑相繼誕生。

由於氟裏昂的化學性質穩定,在底層大氣中幾乎不參與任何化學反應,所以不會危害生物。但是,當它“平安”地上升到高層大氣後,其中的氯卻是“罪惡滔天”——“殺‘臭’如麻”地“吞噬”無數臭氧,破壞保護地球的臭氧層。於是三位化學家奮起“聲討”——他們的論文《臭氧層的空洞是如何形成的》震動了全世界。這三位榮獲1995年諾貝爾化學獎的化學家是:P.保羅·克魯森、馬裏奧·莫利納和F.舍伍德·羅蘭。