梅曼的激光比太阳还亮

“它运转了！它运转了！”1953年的一天，一个美国小伙子飞快地闯进一次波谱学会议的会议室，急切地大声叫喊。

是谁，为什么事，这么急切，全然没有“学者风度”，跑来“扰乱会场秩序”？

这个小伙子名叫约翰·彼德逊·戈登（1928～），是哥伦比亚大学的美国物理学家汤斯（1915～）带的研究生。他们（还有汤斯带的另一个研究生蔡格）从1951年开始，就在一起研究制造新型微波振荡器——氨分子微波激射放大器。在经过了两年艰辛，花费了近3万美元之后，终于取得成功。表达成功后的喜悦，当然应该“激动”一把！

1954年7月，他们正式宣布实验成功。

微波激射放大器的英文原意是“受激辐射的微波放大”，缩写为MASER（脉塞）。

那么，他们为什么要搞MASER呢？

1916年，爱因斯坦发表了论文《关于辐射的量子理论》，提出了“受激辐射”的概念，随后，微波波谱学的研究开始了。但是，由于当时一些“近视眼”认为这些研究都是“纯科学”的，没有诸如商业价值这类实际意义，所以一些实验室——例如第二次世界大战中美国最早开始研究的几个工业实验室，在战后都停止了研究。于是，这类研究转移到了大学。

但是，也有别具慧眼之人，例如美国的碳化物和碳(Carbide＆Carbon)化学公司就给哥伦比亚大学一笔奖学金，支持对微波波谱学的研究。其实，早在此前的1945年，这个公司的舒尔兹，就认为微波波谱学的研究成果会促进化学的发展：“利用特定频率的电磁辐射，通过感应振荡来影响参加作用的分子的活性。”

在这种背景下，MASER诞生在汤斯小组的所在地，就不足为奇了。汤斯知道许多科学家都在进行这个项目的研究，所以就立即申请了专利，并在1960年3月获得专利证书。

那么，汤斯又是怎么想到MASER的方案的呢？

“很偶然，当时我正在与肖洛同住一个房问，”汤斯后来回忆说，“我起身很早，为了不打扰他，我出去在公同旁的长凳上坐下，思考是什么原因未制成毫米波生器……突然，在我头脑中出现了一种得到从分子发出的非常单一形式电磁波的实际方法……几分钟内我就拟好了方案……”

汤斯提到的“非常单一形式电磁波”，就是受激辐射的微波。而肖洛（1921～）——汤斯的妹夫，是当时在贝尔实验室工作的美国物理学家。

1958年12月，汤斯和肖洛在美国的《物理评论》杂志上，发表了论文《红外区和光学激射器》。论文的主要内容是，根据MASER的成功，论证把微波辐射技术扩展到红外光区和可见光区的可能性。但是，他们用钾蒸汽得到激光的试验却失败了。因为对激光的研究，肖洛还和出生在荷兰的美国物理学家布伦伯根（1920～）分享了1981年诺贝尔物理学奖的一半。另一半则由发展高分辨光电子能谱学的瑞典物理学家塞格巴恩（1918～）获得。

这篇激光史上重要的论文发表以后，引起了科学界的强烈反响——激光的时代马上就要来到！汤斯也因此和后面要提到的前苏联两位物理学家巴索夫（1922～）、普罗霍洛夫（1916～）共享了1964年诺贝尔物理学奖——汤斯得奖金的一半，后两人共得奖金的另一半。

但是，汤斯和肖洛都没有做成激光器。

大致在同一时期，其他国家的科学家也没有闲着。例如，在1951年，前苏联科学家法布里坎特就向邮电部提出一份题目很长的、进行受激辐射研究的专利申请书，但直到1958年才得到批准和发表。

1952年，列别捷夫物理研究所的巴索夫和普罗霍洛夫合作发表论文，阐述受激辐射放大器的原理，并在1955年用氨气把这一原理变成了现实——制成了一种氨分子激射器。1958年，巴索夫又提出了用半导体制造激光器的原理。

在经过几年准备、花费5万美元之后的1960年5月，美国加利福尼亚州南部的休斯研究所量子电子部负责人西奥多·梅曼（1927～），研制出了世界上第一台激光器。它是一台红宝石激光器——一种固体激光器。

经过接近半个世纪的风雨之后，终于迎来了激光时代的“彩虹”！

所谓“激光”，是“光受激辐射放大”（LASER，是Light Ampli-fication of Stimulated Enlission of Radiation的缩写）的简称，也翻译为“莱塞”或“镭射”。通俗地说，激光就是受激而发射出来的光。这种光具有“团队精神”，“步调一致”地以发散度很小（大约0.057度）的“光束”向目标前进——例如射到远达38.4万千米之外的月球表面，光斑直径不超过0.2～2千米。而不是像普通的光那样“军心涣散”，向“四面八方”“各奔前程”——即使用方向最好的普通探照灯光射向月球，光斑直径至少也会分散到几百千米。

那么，为什么科学家要发明激光呢？

原来，普通的光在亮度和单色性等方面，都不能满足人们的需要。于是科学家们探索光学新技术和寻找新光源的研究就写下了前面的篇章。

可是，书写这个篇章并不容易。而且，在梅曼的激光器和激光诞生以后，依然有人“不识货”。

“不识货”的是《物理评论快报》的主编——他拒绝发表梅曼写来的发明激光器的论文。

那么，这位主编为什么要对论文“亮红灯”呢？原来，他认为梅曼搞的依然是微波激射器，而微波激射器已经被科学家们发展到了很高级的程度，就没有必要用“快报”的形式发表了。

在这种情况下，梅曼只好在1960年7月7日的《纽约时报》上发布了制成激光器的消息，并把成果寄到英国《自然》杂志社。《自然》杂志社很快在8月6日正式发表了梅曼的这个成果。而美国的《物理评论快报》在第二年才发表了梅曼的详细论文。

那么，《物理评论快报》的主编为什么会误认为梅曼的激光器就是微波激射器呢？和这个问题相关的问题是：激光和微波激射有什么联系和区别，激光器和微波激射器又有什么联系和区别呢？

我们知道，所谓“微波”和“激光”都是电磁波，两者在这个意义上并没有本质的区别，只不过激光的波长更小（或者说频率更高）罢了。但是，发明了微波激射器，并不等于能制成激光器——制成能够生产频率更高的激光的激光器困难得多！

在这里，我们又感受到了一次“量变到质变”——就是这频率由低变到高，科学家们就用了10年时间！

所以，有的文献就把激光的诞生编成了“四部曲”：奠定理论基础（1916年，爱因斯坦），借助于微波波谱学的发展（20世纪20～40年代），“预演”成功（1954年，汤斯等研制成功微波激射器），激光诞生（1960年，梅曼）。

正因为如此困难和重要，所以在汤斯发明了微波激射器以后，当时世界上的许多实验室都在激烈竞争——尽快制成激光器！例如，美国物理学家桑德斯（1924～），出生在伊朗的、汤斯的学生贾万（1926～），前苏联物理学家克罗辛和波波夫等。其中，在贝尔实验室工作的贾万、别耐脱、海利奥托在1960年2月还制成了著名的氦氖激光器。接下来，外腔式气体激光器、玻璃激光器、有机液体激光器、喇曼激光器、半导体激光器……相继诞生。

这里，还有一个特别“奇怪”的问题：为什么梅曼能捷足先登，后来居上？

原来，梅曼有用红宝石做微波辐射器的多年经验，并由此预感到用红宝石做激光材料的可能性，在试验了包括红宝石在内的多种材料都不理想之后，果断地杀“回马枪”。

这个“回马枪”的高明之处在于，没有迷信魏德尔在1939年的论文中说红宝石晶体的量子荧光效率也许只有1%的结论。实际上，梅曼在实验中用螺旋形脉冲氙灯激励含铬0.05%的镀银红宝石圆柱体——直径和高都是19毫米，得到的这个参数达到75%以至后来的100%。于是，波长为694.3纳米的、峰值功率为10千瓦的、频谱纯度很高的深红色激光产生了。

由此可见，梅曼的“三大法宝”是持之以恒（积累经验）、科学预见（选红宝石做材料）和开拓创新（不放弃1%）。显然，毋庸置疑的是，他开创激光新纪元的成功绝非偶然。

在发明激光的过程中，还有三个物理学家作出了重要的贡献——法国的卡斯特勒（1902～1984）和他的学生布罗塞尔，以及美国的比特。在隔洋相对的朋友比特有关“光抽运”的思想启发下，卡斯特勒和布罗塞尔于1955在实验中观察到了光抽运现象。接着，他们还实现了光抽运和“光磁共振”的结合，完成了研制激光的核心技术。遗憾的是，比特羞于面子，拒绝了卡斯特勒邀请他一起署名发表有关论文的邀请。于是，1966年的诺贝尔物理学奖，只能让“激光之父”卡斯特勒独享。

由于激光的亮度比太阳光还要高100亿倍，具有普通光没有的很多优良性能，所以，它初降人世，就立即得到科学家们的青睐。

目前，科学家们已经获得了各种激光——红外光激光、可见光激光、紫外光激光、X光激光（例如1984年10月美国普林斯顿大学研制出的波长为18.2纳米等波长的X激光，和劳伦斯利弗莫尔实验室研制出的15.5纳米的X激光），以及可调谐激光（例如梅曼红宝石激光），等等。

激光器种类繁多。从工作物质来分，有同体激光器（例如梅曼的红宝石激光器）、液体激光器、气体激光器、自由电子激光器等。此外，还有在一定范围内可连续改变输出波长的可调谐激光器、光学谐振腔较大的大光腔激光器，等等。

1963年，美国的汽车工程师雷斯特在一家大医院坐以待毙——6次手术、3次放射性治疗、多次化学药物治疗之后，右肩上3个黑色毒瘤依旧“死而复生”。医生们会诊后决定让新式武器——激光上阵。在接连照射了18天激光以后，雷斯特从“地狱”门口回到了人间“天堂”。从此，激光在医学上开始大显神通。

2005年上半年，美国发明了一种胜过警犬的激光探测器，用来探测隐藏的地雷和其他爆炸物。

除了用于通信、治疗疾病和探测以外，激光还有许多用途：光纤传感器、测距和基准测量、参数测量、改变生物性状、材料加工、全息照相、照排、武器、跟踪和制导、核聚变、分离同位素……摩擦力为什么会“消失”

“啊，提高了40%，这不可能！”

法国的海军工程师们惊叫起来。

像其他船厂一样，20世纪40年代巴黎的一家海军造船厂，也用人工水池来检测舰船模型的性能。这个模型长约2米，是真船大小的1/100。

每过几个月，工程师们就要在同样的水池、同样的船模和同样的功率下，重复试验。

可是有一天，他们发现试验绪果无法重复了。实验室里一片困惑，于是有了前面的惊叫。

原来，“罪魁祸首”就是水池中的水。因为换大水池中的水费用很高，所以他们好几个月没有换水了，于是水中就滋生了一种小海藻。这种海藻会分泌出微量的高分子——一种长链的多糖，它能减少固体和液体间的摩擦力。找到了原因，工程师们很快就解决了这个问题：往水池里多加些氯气，防止海藻滋生。这样，船模就立即降到稳定而正常的速度。

那么，可不可以发明一种高分子物质，来减少固体和液体间的摩擦力呢？

科学家们发明出来了，而且得到了实际应用。

一幢高层大楼的11层发生火灾，上面有一个小女孩困在大火里。消防队员把水龙头对准了11楼，可是，不管他的水龙头怎样威猛，水也只能射到8楼。怎么办呢？

消防队员把一小撮奇妙的高分子材料——长链的多氧素加到水里，消防龙头的水柱立刻增高了30%。水喷到了11楼，小女孩得救了！

消防队员“以少胜高”——10升水里只加了2克多氧素，而它1千克才几十元。他们的功劳有科学家的一半——多氧素大大地减小了水和水龙头之间的摩擦力。

类似的故事发生在英国。布列斯托尔市是英国西部一个已经建城800多年的港口城市，它的下水道，是19世纪中叶的维多利亚时代建造的，后来日益陈旧，不堪重负。要检修整个系统费用极高。市政工程师们又想起了多氧素——加进一丁点就让污水“健步如飞”。

为什么在溶液里有了一点高分子物质，固体和流体之间的摩擦力就会大减呢？

在水里加一点高分子物质——就像在汤里加一点面条，会使水的黏度变大。一般来说，黏滞的流体总比清澈的流体流得慢——就像蜂蜜比牛奶流得慢一样。但是，在水中加了高分子物质以后，我们却看到了恰恰相反的现象 水反而流得快了。

有研究者认为，多氧素的小颗粒可能会堆积在一起，在流体中形成一个个小弹簧，产生弹性效应，因此降低了摩擦力。

那么，摩擦力的降低到底和液体的边界层有没有关系呢？科学家们争论了10年之久。

有趣的是，解决争端的，并不是理论，而是德国科学家进行的一个聪明的实验。

这个实验是在一个流着水的长管子里做的。管子中部有一个喷嘴同一段细管相连，多氧素从喷嘴喷向水流的下游。显然，管子里的流体明显被分成了三部分。

在喷嘴左边“上游”的P区，是纯水区。通过测量P1、P2的压力差，可以知道这个区域里的摩擦力比较大。

在喷嘴右边“下游”的D区，是均匀区。由于液流引起的湍流，多氧素流到这里的时候，已经和水很均匀地混合起来了。这里的摩擦力比较小。这一点。符合我们前面在大楼救火、城市下水道里看到的情况。

“中游”L区在高分子喷嘴A和区域D之间。由于水流速度相当快，多氧素一旦进入水里，不会反向流动。在这个区域，高分子开始逐渐充满管子，但是还没有到达管壁。令人吃惊的是，这里的摩擦力已经大大降低了。显然，在L区不可能形成上面所说的湍流边界层。

实验结果很明确——摩擦力下降，和边界层的性质无关。

法国海军造船厂在半个世纪之前就看到了这一现象，虽然至今还没有完全弄明白到底是什么原因。但是，上面的实验事实胜于10年无谓的争辩。这给了我们一个很重要的启示。

出生在德国的玻恩（1882～1970），1943年在英国工作的时候，做了一个题为《物理实验和理论》的报告。报告的最后一句话是：“对那些想要学会科学预见艺术的人们，我建议他们不要把自己约束在抽象的推理上，而应当尽力去译解大自然文库所传达的自然界密码，这个大自然文库就是——实验事实。”

这句精彩的名言，出自玻恩这位量子力学的创立者之一、1954年诺贝尔物理学奖两位得主之一的理论物理学家，就显得更加精彩。于是，我们再次想起了那句同样精彩的名言：“实践是检验真理的惟一标准。”

当然，多氧素加进水中以后，摩擦力并没有完全消失，但是大大减小了。

摩擦力让人又恨又爱、爱深恨也深。

“想说爱你不容易”的例子是，在我们需要物体快速运动的时候，摩擦力一定会“反其道而行之”——像前面消防队员水龙头中的水那样，或者在我们需要“车子快跑”的时候。

“爱你在心口易开”的例子是，如果没有摩擦力，铁钉和螺钉会从墙上或螺母中滑出来，我们的手也拿不住东西，行驶的车辆刹不住车。1927年12月21日，伦敦地面结了冰，车辆行动都发生困难，大约有1 400人摔坏了手脚，被送入医院。

“爱有多深，恨也有多深”的例子是，如果没有摩擦力，车辆无法启动和行驶；而一旦行驶起来，又想摩擦力小一些而“多装快跑”，并且节约燃料。但是，在“紧急刹车”的时候，我们却希望它是“无穷大”，让车辆“戛然而止”——不过，此时车辆中的人也会因惯性而“勇往直前”，和车辆中前面的物体“亲密接吻”了。