(科学档案)宇宙探测的先锋──雷射发现者汤斯/张文亮

 

 

 

 

 

文/张文亮

 

 

 

“喂,汤斯教授吗?这里是武器系统评估中心。”武器系统评估(Weapons Systems Evaluation)中心,是美国国防部所属一个极机密、鲜为外人所知的单位。

“我是!”汤斯教授在电话上冷静答道。

“情报显示,苏俄已经发展出洲际飞弹。为了架设环球核子武器防卫网,卡特总统曾计划制造两百个MX洲际飞弹,现在里根总统要增加到两千个。你的看法怎么样?”

“我要想想看。”听完对方的诉求后,他轻轻挂掉电话。

一个最了解MX核子弹头可怕的人,要去判断生产多少弹头;一个尊重生命的人道主义者,却奇妙地被放在一个世界核武竞赛的枢纽上。

星期日聚会后,他祷告得特别久。忽然有个念头进入心中……

不久,他向国防部提出:“飞弹可布置在犹他州到内华达州沙漠间,既能保持高度的弹性,不易受攻击又可采灵活主动性。”

“好主意!要多少飞弹才够?”

“四十个。”

“什么,才四十个?”

“是的,四十个移动性的飞弹基地,比得上两千个固定型的。”

最后国防最高机密定案──四十个MX飞弹。

这个在祷告中,想到扭转世界核武竞赛的汤斯教授,是谁啊?

他是──

雷射的发现者。

1964年诺贝尔物理奖得主。

美国太空总署(NASA)阿波罗登陆月球计划首席顾问。

太空分子学的开创大师。

美国中央情报局(CIA)间谍卫星的技术指导。

美苏核武限制谈判的推动人。

哈伯望远镜设计制造的关键人物。

 

 

最好的儿童玩具

 

1915年7月28日,汤斯(Charles H. Towns)生于美国南卡罗莱纳州的格林威尔(Greenville)。他从小就喜欢自然,以自然收藏家自居。当四周的同学在玩汽车模型、小机械玩偶时,他在观察天空的星星、树叶、昆虫、野鸟、石头。

汤斯后来写道:“一个人如果喜欢大自然,大自然会成为他一生的玩伴。”一个孩子最好的玩具,其实不是昂贵金钱买来的,一草一木、一块石头、一块布、一条橡皮筋都可以让孩子发展几近无限的想像力,太精致的玩具反而扼杀孩子的想像空间。

汤斯的父母是虔诚的基督徒,经常带孩子接近大自然。在培养孩子对大自然的兴趣外,也让他体会到“上帝无所不在,而且在我的身边”──汤斯八十岁时,回首童年,如此写道。

1931年,汤斯进入一所没没无闻的教会学校就读,起初念生物系,不久又转到语文系,后又转到物理系。幸好那所学校很好转系,不然恐怕就限制了这个三心二意的学生日后的发展。汤斯写道:

“我从十三岁就开始询问:什么是我一生最重要的事?我对什么都有兴趣,但是信仰帮助我看出什么是重要的。我选物理,因为那是最接近真实世界的学问。”

 

 

他是我患难时的力量

 

大学里转了三个系,影响了汤斯的成绩。申请研究所时,他的申请全部遭到拒绝,汤斯写道:“我祷告,希望仍有一线希望。”最后杜克大学接受他的入学申请,但是不提供奖学金资助。

汤斯带着仅有的五百美金前往杜克大学,1937年取得硕士学位时已经囊空如洗。他申请博士班时,因为在研究所表现平平,再度四处碰壁。汤斯还是祷告。忽然著名的加州理工学院收他,并给他奖学金。

汤斯写道:“我的求学生涯遇到很多挫折,但是我像一部压路机,一直坚持压到底。当我回顾我的一生,发现最大的成功,都是靠上帝的帮助,从失败中站起来。

“很多人会问:‘如果有上帝,事情怎会失败至此?’我的答覆是:‘失败不是怀疑的时候。失败不能限制上帝;当我失败时,上帝仍与我同在,他是我的力量。’”

1939年,汤斯以优异的成绩,取得加州理工学院物理博士学位。

 

 

经得起被人扭来扭去

 

汤斯取得博士后,写信到几所大学申请教职,却都石沉大海。当时开采石油可带来大笔利润,使地质系成为热门科系,汤斯的同学因此都跳入地质钻探行业。汤斯不为所动,他写道:“我的人生不为热门,而为重要。我宁愿去高中教物理,也不去石油公司看地层图。”

忽然,贝尔电话实验室(Bell Lab.)通知他受雇。学物理的去搞电话?太不像话!汤斯又想推辞,他的指导教授听了跳起来,叫道:“天啊,这是好工作!”

一年以后,贝尔公司的主管找他去:“汤斯博士,为了作战,空军需要轰炸用的良好侦测系统,一种波长1.5公分的微波导弹器。这是你的任务,尽快做出来。”

汤斯不肯:“念物理系时,电子学是我最弱的一门课。”

“那是你的问题,不是公司的。”

“但我纯粹是物理学家,不能做工程的事!”

“连物理都懂,会不懂工程?”

汤斯带着一肚子的气回去钻研微波电子学,竟发现自己进入一个尚未广为人知的新领域。汤斯制造出一台微波侦测器,不过他发现空气中的水蒸气会吸收这一段微波。在空袭日本与太平洋岛屿时,因为空中潮湿,所以1.5公分波长的微波侦测器可能派不上用场。但是空军不听取他的建言,立刻拿去使用,果然效果不佳,两年辛苦所制顿成废铁。

汤斯难过却不失望,他写道:“年轻就是开发新领域的本钱。我无意间发现微波是研究分子特性的重要工具。”但是对发展波长更短的微波,贝尔公司不感兴趣。

1947年哥伦比亚大学聘请汤斯担任教职,他终于如愿以偿。四年后,他以热激发氨分子,发射0.1公分波长的光,制造出第一台微波发射器(maser)。1960年,他继续以更高的能量激发电子,所放出的波长更短,甚至已到红外线与紫外线光区了,这称为雷射(laser)。

今天雷射的使用非常广泛,在医学手术上、高能侦讯、精密焊接,甚至连超市的商品条码的读码器,也使用雷射。这都是汤斯的贡献,为此,他获得诺贝尔物理奖。

 

 

银河系的讯号

 

1967年,汤斯转至加州柏克莱大学任教,他开始教“天文分子学”(molecular astronomy),利用微波探测宇宙的物质,是近代研究宇宙学的重要技术。

过去科学家认为星球之间完全真空,没有任何物质存在。汤斯早先在贝尔电话公司工作时,就发现朝向银河系的雷达,持续收到一些微弱的电波。他向公司报告,主管回覆:“那是雷达收讯不良的噪音,不要管就是了。”

汤斯实在倔强,他将银河系传来的微弱讯号,利用微波技术作光谱分析,发现“那片遥远的空间,除了有氢分子、氦分子以外,还有有机芳香环分子存在,这些有机碳是生命的组成结构。难怪科学家会在宇宙陨石中,发现有机质。如果根据生命是进化而来的假设,这些有机质在宇宙间飘浮了几亿年,会凝聚成什么生命体?”

汤斯继续观测,他又写道:“由飘浮的有机分子到凝聚的宇宙星云,变化范围为每平方公分10个分子到108个分子。这些不同密度的宇宙星云,温度都非常低,在绝对温度10~70度(摄氏温度 -263 ~ -203度)之间。所有的分子,几乎都是在静止不动的状态下,不可能产生生命的。”

 

 

宇宙生命的探索

 

整个宇宙至少有一兆兆个星球,地球是唯一有生命存在的地方吗?星际之间还有没有生命存在?汤斯写道:“有人认为生命是像矿物的结晶,由有机分子凝聚而成,这是不正确的。矿物的分子是根据热力学定律,摆在最低乱度的位置。生命却是更复杂多变的有机分子,而且每一个分子都被奇妙地摆在‘精确’的位置上。

“有人认为,地球上的生命是宇宙陨石上的有机质带来的。这个看法也是错误的。宇宙星尘上的有机物,具有左旋光特性与具有右旋光特性的有机质,各占百分之五十,但是地球上生命体的关键有机分子,全是左旋光特性。可见生命的开始,是在一种特殊的情况下,不是随便来一颗陨石就产生。

“也有人认为,宇宙这么大,一兆兆个星球里,总会有生命的机率吧?但是生命的产生不是一种机率,而是一个奥秘。除非我们能了解生命产生的初始条件(initial condition),谈生命在不同星球上存在的机率才有意义,否则问生命存在的机率是没有意义的。

“如果生命是一个奥秘,那么科学家在宇宙间寻找什么?是寻找宇宙的知识,满足人类无止境发出‘我到底在哪里?我要往哪里去?’的探求。不同的时代对于宇宙的起源有不同的说法,最有意思的不是这些理论,而是人类为什么这么关心其起源?”

“在过去的历史里,对于宇宙学与天体论,科学与信仰有过冲突,其实那是字句之争,是肤浅之视。事实上,科学了解宇宙形成的法则,信仰了解宇宙存在的意义。一个科学家长期委身在研究里,他相信探索这些宇宙法则是有意义的。科学与信仰是相辅相成的朋友。”

1969年,汤斯在研究教学之余,兼任美国太空总署的外太空探测工作。1986年自柏克莱大学退休,以荣誉教授身份继续用哈伯望远镜探索宇宙。对他而言,宇宙是充满无限赞叹的美丽诗篇。

 

资料来源:

 

  1. Towns, C. H., 1995. Making Waves. American Institute of Physics. New York.
  2. Heidi, F., and F. Wlotzka. 1995. Meteorites-Messengers from Space.
  3. Springer-Vela. Germany.

 

 

作者为台湾大学教授,已出版《科学大师的求学、恋爱与理念》等多本著作。

 

 

 

 

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