Ніколас Бломберген

Фотографія Ніколас Бломберген (photo Nikolas Blomberg)

Nikolas Blomberg

  • День народження: 11.03.1920 року
  • Вік: 96 років
  • Місце народження: Дордрехт, Нідерланди
  • Громадянство: Нідерланди

Біографія

Нідерландсько-американський фізик Ніколас Бломберген народився в Дордрехті (Нідерланди) і був другим з шести дітей у Оці Бломбергена і Софії Марії (у дівоцтві Квінт) Бломберген. Його батько був інженером-хіміком зі ступенем і працював службовцем у компанії з виробництва добрив. Його мати, дочка директора школи, мав докторський ступінь з математичної фізики, мала дипломом, який дозволяв їй викладати французьку мову, однак вона присвятила себе турботам про сім’ю. Вихована в консервативній, дисциплінованою та інтелектуальній атмосфері, хлопчик любив читати, а поза домом активно проводив час: плавав, займався вітрильним спортом, катався на ковзанах, що всіляко заохочувалося в його родині.

Незабаром після того, як сім’я переселилася в Билтховен, передмістя Утрехта, Ніколас поступив в початкову школу. У дванадцять років він почав вчитися в муніципальної гімназії Утрехта, де наголос робився на гуманітарні дисципліни, а учні готувалися до вступу в університет. Майже у всіх його вчителів були докторські ступені. Його схильність до природничих наук виявилася лише в останніх класах, коли він став вивчати основи фізики і хімії.

У 1938 р. Бломберген вступив в Утрехтський університет, щоб вивчати фізику. «Вибір фізики, – писав він пізніше, – був, ймовірно, викликаний тим, що цей предмет здавався мені найбільш важким». Після окупації Німеччиною Нідерландів в 1940 р. багато співробітників факультету були звільнені або схоплені гестапо. Тим не менш Бломберген отримав еквівалент магістерського ступеню в 1943 р., як раз перед тим, як нацисти закрили університет. Протягом наступних двох років він переховувався від нацистів. До кінця війни Європа була розорена, так що Б. для отримання подальшої освіти довелося звернутися в американські навчальні заклади, і він був прийнятий в аспірантуру Гарвардського університету в 1945 р. Підтриманий своєю сім’єю, він продовжував там заняття, відвідуючи лекції таких провідних фізиків, як Джуліус С. Швінгера і Джон X. Ван Флек.

Всього лише за шість тижнів до приїзду Б. в США Едуард М. Перселл і двоє його колег виявили ядерний магнітний резонанс (ЯМР) – поглинання і випущення атомним ядром електромагнітної енергії високої частоти, пов’язаної з ядерним спіном. Ядро веде себе подібно обертового вовчка. Оскільки воно позитивно заряджена, його рух рівносильно електричного струму, який генерує магнітне поле, аналогічне полю, створюваному струмом в обмотках електромагніту. Ядерний магнетизм, як і всякий магнетизм, має величиною і напрямком, а також взаємодіє із зовнішніми електромагнітними полями.

Як аспірант Перселла Б. допомагав розробляти перші ЯМР-прилади і разом з Перселлом і Р. В. Паундом в 1948 р. опублікував важливу статтю про відпочинковому ефекті в ЯМР повернення ядерних магнітних орієнтації до попереднього стану після порушення електромагнітними полями від зовнішнього джерела. Це повернення викликається навколишнього структурою і залежить від деталей цієї структури. Багато з цих матеріалів увійшли в докторську дисертацію Б., яку він представив в Лейденський університет в цьому ж році, а сам він, отримавши стипендію для проведення дослідницької роботи, переїхав туди в 1947 р. і почав працювати в лабораторії імені нідерландського фізика Хейке Камерлінг-Оннеса.

Повернувшись в Сполучені Штати в 1949 р., Б. був обраний членом вельми престижного Суспільства випускників Гарварду. Він став там же ад’юнкт-професором у 1951 р., повним професором в 1957 р., професором фізики в 1974 р. і університетським професором в 1980 р.

У 1953 р. Чарлз Р. Таунс разом з двома колегами випробував в Колумбійському університеті мазер (абревіатура від англійського виразу, що означає «мікрохвильове посилення з допомогою стимульованого випромінювання»), прилад, що дає інтенсивний, вузьконаправлений, монохроматичний пучок мікрохвиль. Стимулированное (індуковане) випромінювання було передбачене ще Альбертом Ейнштейном в 1917 р. на основі квантової теорії і моделі атома, запропонованої Нільсом Бором, згідно якої негативно заряджені електрони обертаються навколо позитивно зарядженого щільного центрального ядра. Рух електронів обмежений деякими орбітами (або енергетичними рівнями), і вони можуть переходити з більш низького на більш високий рівень, збуджуючись в результаті поглинання електромагнітного випромінювання. Макс Планк показав, що таке випромінювання складається з дискретних порцій, нині званих фотонами, і що його частота пропорційна енергії фотона. Фотон, поглощаемый атомом, володіє енергією, що дорівнює різниці між двома характеристичними енергетичними рівнями атома. Збуджений електрон незабаром переходить назад на більш низький рівень, випромінюючи фотон відповідної енергії (і відповідної частоти), що дорівнює різниці між двома рівнями. Зазвичай фотони випромінюються у випадкові моменти часу і абсолютно не пов’язані фазами Ейнштейн показав, що якби атоми (або молекули, які також володіють енергетичними рівнями, але влаштовані складніше атомів) вдалося порушити до певного енергетичного рівня і утримати на ньому, то випромінювання з відповідною енергією (частотою) фотонів викликало б їх одночасний перехід на більш низький рівень. Відповідна частота й енергія фотонів повинні відповідати різниці між двома енергетичними рівнями. У результаті повинно виникнути лавиноподібне виділення в один і той же час фотонів, що володіють однаковою частотою і однаковою фазою (положенням в коливальному циклі), що породжують потужне когерентне (все в одній фазі) випромінювання. Оскільки відносно невеликий електромагнітний сигнал викликає великий сигнал тієї ж частоти на виході, то внаслідок індукованого випромінювання відбувається посилення.

У мазере Таунса використовувався газоподібний аміак з двома особливими енергетичними рівнями, різниця яких відповідала фотонам із частотою радіодіапазону. Коли Б. писав у 1956 р. свою роботу по магнітному резонансу, він запропонував взяти за основу при розробці мазерів принцип трьох рівнів, що дозволяє використовувати тверді матеріали, такі, як кристали. За цією схемою кристал, збуджуючись під впливом подається випромінювання відповідної частоти, переходить на самий верхній з трьох спеціальних енергетичних рівнів. Внаслідок природного виходу з порушеної стану відбудеться перехід на проміжний рівень, службовець джерелом індукованого випромінювання. Випромінювання з частотою, що відповідає різниці між двома найнижчими рівнями, викликає потім випущення потрібного випромінювання. Артур Л. Шавлов пізніше назвав схему Б. першим практично корисним мазером.

Перший прилад, що дає індуковане (стимулированное) випромінювання видимого світла, був побудований в 1960 р. американським фізиком Теодором Мейменом і отримав назву «лазер» (л – від англійського слова «light» – «світло»). У тому ж році Шавлов та інші фізики також побудували лазери.

За той же період і мазер, і лазер були незалежно створені Миколою Басовим і Олександром Прохоровим. У 1965 р. Арно А. Пензіас і Роберт У. Вільсон використовували твердотільний мазер на основі кристала рубіна для виявлення реліктового космічного випромінювання, залишку гіпотетичного «великого вибуху», в результаті якого народилася наша Всесвіт.

Б. відомий як один з творців нелінійної оптики, загальної теорії взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, більш загальною, ніж та, яка була сформульована в XIX ст. Джеймса Клерка Максвелла. Згідно теорії Максвелла, вплив на речовину з боку видимого світла або будь-якої іншої форми електромагнітного випромінювання прямо пропорційна інтенсивності випромінювання.

У 1962 р. Б. разом з трьома колегами опублікував загальну теорію нелінійної оптики, яку згодом істотно розширив. Він зробив значний внесок у розробку лазерів, показавши, що в силу законів нелінійної оптики в лазері можуть з’явитися гармоніки, кратні основній частоті та подібні обертонів у звуці, в результаті відбудеться випромінювання пучків енергії більш високої частоти. Описавши передбачуване взаємодія трьох лазерних пучків, в результаті якого утворюється четвертий пучок, частотою якого можна керувати з високою точністю, Б. заклав теоретичні основи для створення настроюваного лазера. Використовуючи настроюються лазери, інші дослідники, серед яких слід виділити Шавлова, розробили тонку методику лазерної спектроскопії, що дозволила одержати нові, досить докладні відомості про будову атомів і молекул. В спектроскопії лазерні пучки збуджують атоми, переводячи їх на енергетичні рівні, більш високі порівняно з найнижчим (основним) станом. Відзначаючи, які саме частоти переважно поглинаються або вилучаються, спектроскопист може визначити характеристичні енергетичні рівні, тобто будова досліджуваного матеріалу. Точне знання частоти пучка, що забезпечується монохроматичної (одночастотної) природою лазерного світла, а також можливість точно налаштовувати частоту на різні енергетичні рівні дозволяють провести глибший аналіз.

«За внесок у розвиток лазерної спектроскопії» Б. і Шавлов розділили між собою у 1981 р. половину Нобелівської премії з фізики. Іншою половиною був нагороджений Кай Сигбан за електронну спектроскопію з допомогою рентгенівських променів. На закінчення Нобелівської лекції Б. вказав на деякі програми нелінійних оптичних процесів, включаючи розвиток оптичних систем зв’язку, часової та лінійної метрології, та збір інформації.

На конференції фізиків в Нідерландах в 1948 р. Б. зустрів Хуберту Делиану Брінк, уродженку Індонезії, яка вивчала медицину. Вона пішла за ним у наступному році в Америку по студентському обміну, і Б. зробив їй пропозицію в перший же день після її приїзду. Вони одружилися в 1950 р., у них є син і дві дочки. Він став американським громадянином у 1958 р. «Добрий старий голландський джентльмен», як характеризував його один з колег, Б. любить грати в теніс, здійснювати піші прогулянки і кататися на лижах Сім’я живе в Лексингтоні (штат Массачусетс).

Крім Нобелівської премії, Б. отримав премію Олівера Баклі Американського фізичного товариства (1958), премію Моріса Лібмана Інституту радіоінженерів (1959), медаль Стюарта Баллантайна Франклиновского інституту (1961), Національну медаль «За наукові досягнення» Національного наукового фонду (1974) і медаль Фредеріка Айвса Американського оптичного товариства (1979).Він є членом Американської академії наук і мистецтв, американської Національної академії наук і Голландської королівської академії наук.