Βραβείο στο νομπελίστα Charles Townes, εφευρέτη του λέιζερ και πατέρα του οπτικού SETI

Άρθρο, Ιούνιος 2003

Ο Charles Townes (1915) πήρε το βραβείο Frank Drake (που είναι ο πατέρας του SETI) για την ανάπτυξη του οπτικού SETI, για το 2002. Ο Townes έχει πάρει και το Νόμπελ φυσικής του 1964, για το έργο του στην παραγωγή του λέιζερ και μέιζερ.

Ο Townes ανέπτυξε τον πρόδρομο του laser, το μέιζερ, ενώ ήταν καθηγητής της φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια. Όμως ο πρόεδρος του τμήματος της φυσικής, ο Isador Rabi, ένας άλλος νομπελίστας του 1944 για την ανακάλυψη του NMR, είχε ωθήσει τον Townes να εγκαταλείψει την εργασία για το μέιζερ για παραγωγικότερες έρευνες, διότι πίστευε ότι δεν είχε μέλλον το μέιζερ. Η ιδέα του Townes για το μέιζερ συνάντησε παρόμοιο σκεπτικισμό και από τον πρωτοπόρο της κβαντικής φυσικής Niels Bohr καθώς και τον φημισμένο μαθηματικό John von Neumann.

Ο Townes όμως παρέμεινε σταθερός στις πεποιθήσεις του ότι το μέιζερ θα λειτουργούσε και θα παρήγαγε σημαντικά επιστημονικά επιτεύγματα. Απτόητος από την κριτική των διάσημων συναδέλφων του, ενέμεινε στις απόψεις του, και το 1954, το πρώτο μέιζερ ήταν γεγονός. Το "παιδί" του Townes, το μέιζερ, απέδειξε σύντομα ότι παρείχε τεράστια βοήθεια στους ραδιοαστρονόμους, που εκμεταλλεύονταν την ικανότητα του μέιζερ να ενισχύει τα πολύ ασθενικά σήματα από το διάστημα.

Η ενίσχυση των μικροκυμάτων ήταν μόνο η αρχή. Γνωρίζοντας ότι η τεχνική ενίσχυσης μέσω του μέιζερ πρέπει να λειτουργεί και σε υπόλοιπα τμήματα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ο Townes έστρεψε την προσοχή του στην οπτική περιοχή και το 1958 δημοσίευσε, μαζί με τον Arthur Schawlow, μια εργασία για ένα οπτικό maser, που αργότερα ονομάστηκε laser.

Τα εργαστήρια Bells του αρνήθηκαν στην αρχή να κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας η εφεύρεση του. Στους περισσότερους ανθρώπους, το λέιζερ φαινόταν μια απλή καινοτομία που έκανε όμορφα κόκκινα φωτεινά σημάδια στον τοίχο. Απτόητος όμως ο Townes πίεσε και τελικά τα εργαστήρια Bells κατάλαβαν τη σπουδαιότητα της ανακάλυψης.

Η αναγνώριση από τον Townes της δυνατότητας του λέιζερ στην επικοινωνία είχε άμεσα αποτελέσματα και σε μια άλλη περιοχή. Όταν ο Townes το 1959 διάβασε μια βασική αναφορά για το SETI, που δημοσιεύθηκε  από τους Morrison και Cocconi, στη περιοδικό Nature, o Townes συνειδητοποίησε ότι οι απόμακροι και τεχνολογικά προηγμένοι πολιτισμοί θα μπορούσαν εύκολα να εκμεταλλευτούν και την οπτική και την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος όπως και την περιοχή των ραδιοκυμάτων. Έγραψε την πρώτη του εργασία για το οπτικό SETI το 1961, ένα έτος αφότου πραγματοποίησε ο Frank Drake το πρώτο παγκόσμιο  επιστημονικό πείραμα SETI, το πρόγραμμα Ozma.

Από τότε πέρασαν τρεις δεκαετίες πριν η τεχνολογία του λέιζερ ωριμάσει σε τέτοιο σημείο, που να γίνουν στην πράξη ευαίσθητες και ακριβείς αναζητήσεις στο οπτικό τμήμα του φάσματος.

Κατά τη διάρκεια του 1997 σε μια επιτροπή που συγκλήθηκε από το ίδρυμα SETI για να σχεδιάσει την πορεία της έρευνας για τις πρώτες δύο δεκαετίες του 21ου αιώνα, η συμμετοχή του Townes ήταν καταλυτική για το οπτικό SETI. 

Η πρόβλεψη του Townes και η συνεπής υπεράσπιση του οπτικού SETI του έδωσαν το βραβείο Drake για την ανακάλυψη εξωγήινων πολιτισμών στο Σύμπαν.

Στην τελετή που έγινε για τη βράβευση του, υπενθύμισε στο πλήθος ότι είναι σημαντικό να ακολουθηθούν οι ιδέες που προσπαθούν να προωθήσουν τα πράγματα. Μόνο έτσι αυξάνεται η γνώση. Σύμφωνα με αυτή την άποψη, το SETI είναι εξαιρετικά σημαντικό, σημείωσε. Οι διακλαδώσεις της ανακάλυψης ενός σήματος, ή της μη ανακάλυψης ενός σήματος, μετά από λεπτομερή έρευνα στη γειτονιά των άστρων μας, με τη χρησιμοποίηση των καλύτερων επιστημονικών εργαλείων που έχουμε, είναι εξίσου βαθιές, και το καθένα αποτέλεσμα μας λέει κάτι σημαντικό για τον πλανήτη μας και για μας τους ίδιους.

Προτού αφήσει την εξέδρα ο Townes, έδωσε στους ακροατές του μια ιδέα. Ίσως στα προσεχή χρόνια, τόλμησε να πει, οι μελλοντικές γενεές μπορούν να ωφεληθούν από τα πολύ ισχυρότερα λέιζερ. Και ίσως παρόμοια τεχνολογία υπάρχει στους απόμακρους πλανήτες, στέλνοντας λαμπερά σήματα, κοσμικούς χαιρετισμούς, στο διάστημα. Τόσο ισχυρά, που θα μπορούσαν να φανούν από έναν παρατηρητή αστρονόμο του ουρανού, χωρίς τη βοήθεια ενός τηλεσκοπίου.

Η ανακάλυψη του μέιζερ

Η λέξη Μέιζερ (Maser) προέρχεται από το "Ενίσχυση Μικροκυμάτων μέσω Εξαναγκασμένης Εκπομπή Ακτινοβολίας", και η λέξη λέιζερ προέρχεται από την αντικατάσταση της λέξης Μικροκύματα από τη λέξη Φως. Άρα το μεν Μέιζερ προκαλεί μια μικροκυματική δέσμη σύμφωνης ακτινοβολίας μεγάλης έντασης και ισχύος ενώ το Λέιζερ οπτική ακτινοβολία. Οι δέσμες αυτές χρησιμοποιούνται για πάρα πολλούς σκοπούς, από πειράματα ελέγχου της θεωρίας της σχετικότητας, ακριβή μέτρηση αποστάσεων, κατασκευή ατομικών ρολογιών μέχρι πειράματα σύντηξης και χειρουργικά εργαλεία. 

Το κλειδί στην εφεύρεση τους είναι η έννοια της εξαναγκασμένης εκπομπής, που για πρώτη φορά εισήχθη από τον Einstein το 1917. Από μια θεωρητική ανάλυση της σχέσης της ακτινοβολίας Planck βρήκε ότι η γνωστή διαδικασία της απορρόφησης πρέπει να συνοδευτεί από μια συμπληρωματική διαδικασία, δια της οποίας η λαμβανόμενη ακτινοβολία μπορεί να υποκινήσει τα άτομα να εκπέμψουν το ίδιο είδος ακτινοβολίας. Σε αυτήν την διαδικασία βρίσκεται η δυνατή ενίσχυση.

Εντούτοις, η διεγερμένη εκπομπή θεωρήθηκε τότε πολύ ως μια καθαρά θεωρητική έννοια που δεν θα μπορούσε ποτέ να δουλέψει ή ακόμα και να παρατηρηθεί, επειδή η απορρόφηση θα ήταν η εντελώς κυριαρχική διαδικασία κάτω από κανονικές συνθήκες. Η ενίσχυση μπορεί να εμφανιστεί μόνο εάν η διεγερμένη εκπομπή είναι μεγαλύτερη από την απορρόφηση. Αυτό απαιτεί ότι πρέπει να υπάρξουν περισσότερα άτομα σε μια υψηλή ενεργειακή κατάσταση απ' ό,τι σε μια χαμηλότερη. Μια  τέτοια ασταθή ενεργειακή συνθήκη στην ύλη ονομάζεται αντιστροφή πληθυσμού. Ένα ουσιαστικό βήμα προς την εφεύρεση του μέιζερ και του λέιζερ ήταν, επομένως, να δημιουργηθεί ένας πληθυσμός κάτω από τέτοιες περιστάσεις που η διεγερμένη εκπομπή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση.

Οι πρώτες μελέτες για το μέιζερ δημοσιεύθηκαν στα μέσα της δεκαετίας του '50 ως αποτέλεσμα των ερευνών που πραγματοποιήθηκαν ταυτόχρονα και ανεξάρτητα από τον Townes και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια στη Νέα Υόρκη και από τους Basov και Prochorov στο Ινστιτούτο Lebedev στη Μόσχα. Ακολούθως σχεδιάστηκαν διάφορα μέιζερ αρκετών διαφορετικών τύπων, ενώ πολλοί επιστήμονες είχαν σημαντική συνεισφορά σε αυτήν την ανάπτυξη. Συνήθως χρησιμοποιείται μέιζερ  με τη βοήθεια ιόντων ορισμένων μετάλλων που μπαίνουν σε ένα κατάλληλο κρύσταλλο. Αυτά τα μέιζερ εργάζονται ως εξαιρετικά ευαίσθητοι δέκτες για τα βραχέα ραδιοκύματα. Είναι μεγάλης σημασίας στη ραδιοαστρονομία και χρησιμοποιούνται στη διαστημική έρευνα για την καταγραφή των ραδιοσημάτων από τους δορυφόρους.