【物理史中的十月】1967 年 10 月 13 日:卡斯特勒(Alfred Kastler)在《科學》評論他的諾貝爾獎赫茲共振的研究

1967 年 10 月 13 日:卡斯特勒(Alfred Kastler)在《科學》評論他的諾貝爾獎赫茲共振的研究

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2014 年 10 月)

當我們想到雷射的發明時,必然會回溯到愛因斯坦 1917 年的論文。在論文中愛因斯坦首次提出,一個光子誘發一個處於激發狀態的原子去發射另一個光子,這種受激發射的可能性。在雷射中,當受激原子在快速的連鎖反應中放射光子,會產生相干光束。然而,很少有人會記得一位阿爾薩斯物理學家卡斯特勒(Alfred Kastler)的貢獻,他在赫茲共振(使用微波或無線電波去激發磁場中的原子,進入今日物理學家稱之為超精細結構的低能階)方面的研究,在雷射後續的發展中扮演了關鍵性的角色。

1902 年,卡斯特勒出生於當時是德意志帝國阿爾薩斯地區的蓋布維萊鎮(Gebweiler),他告訴《紐約時報》(New York Times)的記者說,他記得他從小即被大自然所吸引,曾有一度深受日蝕所感動。卡斯特勒到附近的柯爾馬(Colmar)鎮去上學,在那裡,老師激發他在數學和科學方面的興趣。

雖是如此,他早期的抱負相對普通,想成為一名木匠,然而他的計畫因第一次世界大戰而中斷,他當時被徵召入伍,在德國陸軍服役。戰後,阿爾薩斯再次變成了法國的領土。卡斯特勒的法語不流利,但還是去申請最知名的巴黎高等師範學院(École Normale Supérieure)。他沒考上,但進入了為幫助阿爾薩斯人再融入法國文化的特別學程。在那裏,他第一次學習量子物理,以及波耳的原子模型,並接觸到索末菲(Arnold Sommerfeld)有關原子結構和譜線的書籍,對他的研究有著深遠的影響。同時,他和校友愛麗絲結婚,她後來在中學教歷史。

1936 年,卡斯特勒獲得了物理博士學位,往後幾年,他任教於幾間大學,其中包括波爾多大學(University of Bordeaux)。因為教學負擔輕鬆,所以他有更多時間可以致力於原子螢光和光譜學方面的研究。1939 年,第二次世界大戰爆發,德國於 1941 年佔領巴黎。在同事布胡哈特(Georges Bruhat)的邀請下,卡斯特勒回到高等師範學院任教,並擔任新成立的赫茲光譜學團隊(後來改名為卡斯特勒-布若色實驗室,以紀念 Kastler 和他的研究生 Jean Brossel)的主任。卡斯特勒一直在那裡到 1968 年退休,之後他擔任法國國家科學研究中心(National Center for Scientific Research)的研究主任。

卡斯特勒對於原子如何跳到更高的離散能階,之後當回到基態時放射出特定的光波長,形成具指示性圖樣的頻譜線,特別感興趣。例如,1937 年他研究高空大氣中鈉原子的發光現象,證明此光學共振的機制是太陽輻射。他同時重拾以前對螢光極化的觀測,發現它會被磁場影響的研究,進一步釐清原子的空間方位和它的輻射如何被極化之間的關係。

這對許多物理學家來說是很有趣的領域,但卡斯特勒開始此研究時,這個領域遇到很大的障礙:這些超精細的光譜線間隔太密,所以一般用來偵測原子能量結構的光學和磁技術所測量出來的結果都不夠精確。

戰爭期間,法國科學家被孤立於全球大部分的研究團體之外,但他們可以送研究生到外國學習。卡斯特勒送布若色(Jean Brossel)到美國麻省理工學院跟著比特(Francis Bitter)做研究,這是很精明的一步。布若色帶回一個將光學共振和磁共振結合起來研究受激態原子的想法,這是從拉比(I. I. Rabi)等人的研究中搜集到的,他們使用赫茲共振來計算磁性核的磁矩和電矩。

終於,布若色成功地使用這種「雙共振」方法來研究受激態的汞原子。在雙共振中,將極化的光調頻至原子躍遷頻率時,次能階因躍遷而被填充的程度並不均勻。使用微波或無線電波就能在次能階間誘發赫茲共振。

在此同時,卡斯特勒散射的研究使得他於 1950 年提出一個光激升的方法,可以誘發原子的能態,當原子回到基態時,會放射出光波,證明是一個有用的方法,可以補雙共振的不足。後來湯斯(Charles Townes)和其他科學家將光激升改造,做為雷射的基礎,因為這技術會產生相同波長極狹窄的光束(在雷射中,雷射介質的原子或分子會被光或電的作用激出。)。光激升技術也導致高敏感的地磁儀和原子鐘的發明。

卡斯特勒因「研究原子中赫茲共振的光的方法之發現與發展」獲得 1966 年諾貝爾物理獎,是37年來第一個法國人獲此殊榮的。隔年,於 1967 年 10 月 13 日,《科學》期刊刊出卡斯特勒的一篇回顧論文,討論他的諾貝爾得獎致詞。

卡斯特勒不僅對科學感興趣,他還用德文寫詩,甚至於 1979 年出版一本詩集,並擔任反飢餓組織(Action Against Hunger)的主席。也許因為他經歷過兩次大戰,住過軍事佔領區,所以也強力提倡和平與反核,並堅決反對法國佔領阿爾及利亞。但這些主張並沒得到所有人的認同:極端右翼份子有一度還去轟炸他的住處。卡斯特勒於 1984 年 1 月 7 日在法國邦多勒蔚藍海岸(French Riviera in Bandol)安祥辭世,時年 81 歲。

Laboratoire Kastler Brossel, CNRS
卡斯特勒(Alfred Kastler)於1966年獲得諾貝爾獎後
和同事合影。
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