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TOWNES, Charles Hard
TOWNES, Charles Hard

Descripción

Charles Hard Townes [Greenville (Carolina del Sur) 28.07.1915 - Oakland (California) 29.01.2015]. Físico y profesor estadounidense. En colaboración con Albert L. Schawlow, diseñó el máser y formuló teóricamente el láser. Compartió el Premio Nobel de Física 1964 por sus aportaciones en electrónica cuántica que llevaron al desarrollo del máser.

Biografía

Charles Hard Townes nació el 28 de julio de 1915 en Greenville (Carolina del Sur), hijo de Henry Keith Townes, abogado y Ellen Hard.

Charles estudió en la Escuela e Instituto de Greenville. En 1931 ingresó en la Furman University, también de Greenville, donde en 1935, cuando tenía solo 19 años, se graduó cum laude en Ciencias Físicas y en Lenguas Modernas. Cuando descubrió la Física en primer año de carrera, se sintió fascinado por “su estructura hermosamente lógica”. También le interesaba la Historia Natural; desempeñó el cargo de curador del Museo de la Universidad y coleccionaba especímenes para la colección de Biología, durante las vacaciones de verano, lo que le reportaba, a su vez, ingresos para pagarse sus estudios. Además, ocupaba su tiempo libre con el equipo de natación, en el periódico de la Universidad y en la banda de música del equipo de fútbol americano.

Townes se matriculó en la Universidad de Duke, una de las más prestigiosas en el Estado de Carolina del Norte, donde en 1936 consiguió una Maestría en Física. Continuando su formación, se incorporó al Instituto Técnico de California en Pasadena, donde, en 1939, se doctoró en Ciencias Físicas con su tesis sobre la separación de isótopos, investigando el núcleo del Carbono-13.

Es contratado por los Laboratorios Bell, para trabajar en el diseño de sistemas de dirección de los bombarderos con ayuda del radar, durante la Segunda Guerra Mundial. Tras lograr varias patentes relacionadas con esta tecnología, Townes centró su atención en aplicar la tecnología de microondas, derivada de la investigación del radar en tiempo de guerra, a la espectroscopia, por él considerada como una nueva herramienta potente para el estudio de la estructura de átomos y moléculas, así como una nueva plataforma para el control de las ondas electromagnéticas.

En 1941, Charles Hard Townes contrajo matrimonio con Frances H. Brown, del que nacieron cuatro hijas.

En 1948, Townes abandonó Bell Labs e inicia su carrera como profesor de Física en la Universidad de Columbia (Ciudad de Nueva York), investigando la Física de Microondas, y en particular las interacciones entre microondas y moléculas, apoyándose en los espectros de microondas para el estudio de la estructura de moléculas, átomos y núcleos.

En 1949, Townes contrató a Albert L. Schawlow para que desarrollase un proyecto de postdoctorado relativo a la aplicación de la espectrocopía de microondas a la química orgánica. Midieron los momentos del cuadripolo nuclear y, estudiaron el efecto de la distribución de carga nuclear en la estructura fina de rayos X.

En 1950, Townes fue nombrado jefe del laboratorio de Radiación de Columbia. Un año más tarde, se propuso desarrollar un dispositivo capaz de emitir microondas de gran intensidad, pero partiendo del nivel molecular y de la emisión de inducida de radiaciones, y no de los circuitos eléctricos. Esta idea ya la había formulado, muchos años antes, Albert Einstein, pero, debido a su complejidad, nunca había sido llevada a la práctica.

En 1951 Townes concluyó que, en el dispositivo que concebía, las moléculas en un estado autoexcitado, es decir, inestables y conteniendo una gran cantidad de energía, serían estimuladas por las ondas electromagnéticas para liberar su energía extra a la misma frecuencia y fase que la energía electromagnética. Si estuviera presente el número correcto de moléculas, esta energía se convertiría en energía electromagnética muy rápidamente y sería posible una amplificación coherente (es decir, en fase).

Townes y su equipo disponían del bagaje teórico necesario para la construcción de este dispositivo emisor de microondas realmente operativo. Tardaron más de dos años en dar con su formato definitivo, que funcionaba por medio de la excitación de moléculas de amoniaco, expuestas a un haz de microondas de la frecuencia natural de la molécula. Cada molécula estimulada por microondas emitía una energía de menos de una millonésima de vatio, energía que, emitida y transmitida ya en forma de microondas, era a su vez enviada a otra molécula, la cual, por su parte emitía una nueva energía en forma de microondas. Y así sucesivamente, produciendo un efecto cascada que acababa configurando el haz deseado de microondas. Charles Hard Townes, Albert L. Schawlow, James P. Gordon y Herbert Zeiger describieron este proceso concatenado como Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ("Amplificación de Microondas por Emisión Estimulada de Radiación"), nombre que, en siglas, dio lugar al término Máser.

De acuerdo con las normas contra el nepotismo vigentes en la Universidad de Columbia, la colaboración de Schawlow con Townes tuvo que cesar, al casarse en 1951 Schawlow con Aurelia, la hermana menor de Townes. Schawlow fue contratado por los Laboratorios Bell en New Jersey, donde estudió la superconductividad.

Sin embargo, Schawlow aprovechaba los fines de semana para reunirse con su cuñado en los laboratorios de la Universidad de Columbia en Nueva York y fue cuando ambos descubrieron el procedimiento para amplificar la luz visible, el ‘máser óptico’ es decir, un dispositivo similar que, en vez de microondas, generaba ondas luminosas, que denominaron ‘láser.’ (Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation).

En 1952 Townes fue promovido a la dirección del departamento de Física.

La marcha de Schawlow impidió que participase en la construcción, en 1953, del primer máser, que aportó múltiples aplicaciones beneficiosas a la Física Experimental y, sobre todo, a la Tecnología aplicada, lo que animó a Townes a planear el empleo de moléculas de un sólido, para mejorar el proceso de amplificación de microondas.

Enseguida se supo que las enormes cantidades de energía portadas por el máser óptico daban lugar a interesantes aplicaciones industriales y tecnológicas. Al presentar todos sus rayos luminosos con la misma longitud de onda, éstos podían ser sometidos a una modulación similar a la de las ondas de radio, por lo que fueron aprovechados para mejorar las comunicaciones, ya que, entre otras ventajas sobre las ondas de radio convencionales, las ondas luminosas generadas por láser proporcionaban mayor espacio en cierta banda del espectro.

Años después de la creación del dispositivo máser y la formulación teórica del láser, Charles Hard Townes se dedicó a investigar la aplicación del primero de ellos a la radioastronomía, lo que le permitió localizar moléculas interestelares y, entre otros hallazgos, demostrar la existencia, en dicho ámbito, de agua y amoníaco.

Durante 1955 y 1956, Townes, como miembro de la Fundación Guggenheim y conferenciante de la Fundación Fullbright, actuó en la Universidad de París primero y más tarde en la Universidad de Tokio. Fue también conferenciante nacional de la sociedad estadounidense de investigación científica Sigma Xi, profesor invitado en los cursos de verano de la Universidad de Míchigan y en la Escuela Internacional de Física Enrico Fermi (Italia) y conferenciante en la Universidad de Toronto.

En 1957, trabajando en los Laboratorios Bell, Schawlow y Townes, éste en calidad de consultor, descubrieron el camino para fabricar máseres a longitudes de onda más cortas hasta entrar en los infrarrojos. Posteriormente diseñaron el láser, cuya patente les fue adjudicada. Ni Townes ni Schawlow pudieron beneficiarse de la patente de su invento puesto que éste estaba contratado por los Laboratorios Bell y aquél era consultor.

En 1959 Townes obtuvo una excedencia especial concedida por la Universidad de Columbia para poder trabajar de forma exclusiva en el Institute for Defense Analyses (Instituto de Análisis para la Defensa) de Washington D.C., una entidad no lucrativa conformada por colaboradores de once universidades americanas. Townes fue vicepresidente de dicha institución así como Director de su Departamento de Investigación.

Con los trabajos de Townes y Schawlow, el físico californiano Theodore Harold Maiman construyó, en 1960, el primer dispositivo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", o láser.

En 1961 Townes fue contratado como profesor de Física por el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), y nombrado Rector. En 1966 renunció al cargo y regresó a su actividad como investigador en los campos de electrónica cuántica y astronomía.

En 1964, Townes recibió el Premio Nobel por el trabajo crucial en electrónica cuántica que le llevó a desarrollar el máser. El premio fue compartido con dos científicos rusos, N. G. Basov y Aleksandr Prokhorov, que habían desarrollado de forma independiente dispositivos similares a los de tipo máser.

En 1967, Townes fue nombrado profesor en la Universidad de California, enseñando e investigando en sus distintos campus, aunque su sede radicaba en el campus de Berkeley (California), retirándose de esta Institución en 1986.

Además del Premio Nobel, Charles H. Townes, fue distinguido en 2005 con el Premio Templeton por sus contribuciones al entendimiento de la religión y con una veintena de condecoraciones así como 27 nombramientos como doctor honoris causa por otras tantas universidades.

Entre sus publicaciones, conviene destacar Making Waves (Masters of Modern Physics) (1995) y MIcrowave Spectroscopy (1955) con A. L. Schawlow; Quantum Electronics Cloth (1960) y Quantum Electronics and Coherent Light con P.A. Miles (1965).

Charles Hard Townes falleció el 27 de enero de 2015, a la edad de 99 años, en Oakland (California).

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