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FísicaBiografía

Townes, Charles Hard (1915-2015).

Físico estadounidense nacido en Greenville (Carolina del Sur) el 28 de julio de 1915 y fallecido en Berkeley (California) el 27 de enero de 2015. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física -que compartió con los rusos Nikolái Gennadievich Basov (1922-2001) y Alexandr Mijáilovich Prokhorov (1916)- en 1964, "por su trabajo, fundamental en el campo de la electrónica cuántica, que ha sentado las bases de la construcción de osciladores y amplificadores basados en los principios del láser".

Nacido en el seno de una familia de clase media formada por el abogado Henry Keith Townes y su esposa Ellen, cursó sus estudios básicos y secundarios en centros públicos de su localidad natal, antes de ingresar en la Furman University de Greenville, donde, merced a su brillantez intelectual, obtuvo en 1935, con tan sólo diecinueve años de edad, los títulos de Bachiller en Ciencias Físicas y Bachiller en Lenguas Modernas.

Fascinado, desde muy temprana edad, por la estructura de la Física (que se le antojaba, según su propio testimonio, "maravillosamente lógica"), mostró también un vivo interés por las Ciencias Naturales, materia en la que pronto desarrolló unos conocimientos prácticos que se sumaron al bagaje teórico que recibía en Furman. Dichos saberes experimentales procedían de los trabajos que realizó para pagarse los estudios, ora como conservador del Museo de Historia Natural, ora como recolector en los terrenos cultivados por los investigadores de la Facultad de Biología de Furman. Compaginó dichos estudios y estas actividades laborales con otras ocupaciones recreativas, como la natación y el fútbol americano (era un consumado deportista), y con una intensa colaboración con el periódico universitario.

Pasó luego a la Universidad de Duke, donde obtuvo el título de Licenciado en Ciencias Físicas en 1936, y marchó a continuación al Oeste de su país, con la intención de ampliar sus conocimientos en un centro tan prestigioso como el California Institute of Technology. Allí, tras especializarse en el estudio de la Física Nuclear, recibió el título de Doctor en Ciencias Físicas en 1939, con una tesis centrada en la separación de los isótopos.

Ingresó, acto seguido, en los laboratorios de la célebre empresa Bell Company, donde, durante buena parte de la II Guerra Mundial (1939-1945), trabajó arduamente en el perfeccionamiento de los sistemas de radares, con especial atención, durante aquellos años, en la dirección de bombardeos por medio de este procedimiento tecnológico. Por aquel tiempo (1941), contrajo matrimonio con Frances H. Brown, con la que habría de tener cuatro hijas (Linda Rosenwein, Ellen Anderson, Carla Lumsden y Holly).

Tras patentar numerosos inventos relacionados con la tecnología del radar, Townes dirigió su atención a la espectroscopia, disciplina de la Física que él supo intuir como un poderoso instrumento para el estudio de los átomos y moléculas, así como una nueva base potencial para el control de las ondas electromagnéticas (que tan bien conocía Townes a raíz de sus investigaciones sobre el radar).

El científico de Greenville inició su carrera docente en la Universidad de Columbia (Nueva York), en donde impartió clases de Física durante más de diez años (1948-1961). Allí continuó desplegando una infatigable labor de investigación acerca de la estructura de la molécula, el átomo y su núcleo, sirviéndose para ello de los espectros de microondas. Fue así como, en 1951, ideó el dispositivo del máser (amplificación de microondas por emisión estimulada de radiación), con el que, excitando moléculas de amoníaco, consiguió generar microondas de una carga energética infinitamente pequeña.

En 1958, trabajando en colaboración con su cuñado Arthur Leonard Schawlow (1921-1999) -miembro de la Universidad de Stanford-, Townes demostró teóricamente que, con un dispositivo similar, era posible generar ondas luminosas (en vez de microondas), que recibieron el nombre de láser.

Entretanto, su progresión en la vida académica de la Columbia University crecía de forma vertiginosa. Del cargo original de Profesor Asociado, con el que se había incorporado a dicho centro en 1948, pasó a ser nombrado Profesor Titular en 1950, y Director Ejecutivo del Laboratorio de Radiación (1950-1952). Además, dirigió el Departamento de Física de su universidad desde 1952 hasta 1955.

Entre 1959 y 1961, Charles Hard Townes obtuvo una excedencia especial en la Universidad de Columbia para trabajar en 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, y Director de su Departamento de Investigación.

En 1961, el científico de Greenville se incorporó al acreditado Instituto de Tecnología de Massachusetts, donde fue nombrado máximo responsable de los programas científicos y educativos allí desarrollados. Sin embargo, en 1966 renunció a esta labores de dirección para volver a enfrascarse en sus actividades docentes e investigadoras. Y, en 1967, abandonó el célebre MIT (Massachusetts Institute of Technology) para ingresar en el plantel de profesores de la Universidad de Berkeley (California), en la que dio clases e investigó hasta la fecha de su jubilación.

Además, en calidad de becario de las fundaciones Guggenheim y Fulbright, Townes impartió cursos y conferencias en Europa (Universidad de París) y Asia (Universidad de Tokio) durante 1955 y 1956; y fue, asimismo, profesor invitado en los cursos de verano de la Universidad de Michigan, en la Escuela Internacional de Física Enrico Fermi (Italia) y en la Universidad de Toronto.

Galardonado, entre otros muchos premios y honores, con la Medalla de la NASA (1969) y la Medalla Internacional Niels Bohr (1979), Townes dejó impresas algunas obras de inestimable valor en todas las Facultades de Ciencias, como las tituladas Microwave spectroscopy (Espectroscopia de microondas, 1955) y Quantum electronics (Electrónica cuántica, 1960).

El máser y el láser

Desde su ingreso en la Universidad de Columbia, Townes se propuso desarrollar un aparato 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 (1879-1955); pero, debido a su complejidad, nunca había sido llevada a la práctica.

Dirigiendo los esfuerzos de un competente equipo de investigadores, el científico de Greenville llegó a la conclusión de que las moléculas poseen la capacidad de vibrar de tal manera que emitan vibraciones susceptibles de transformarse en radiación; y, decidido a poner en la práctica esta teoría, sometió a una fuerte estimulación a una moléculas de amoniaco, hasta lograr que vibrasen unos veinticuatro mil millones de veces por segundo, lo que, en las condiciones adecuadas, daba lugar a la aparición de radiación artificial.

A comienzos de la década de los cincuenta, Townes y su equipo disponían del bagaje teórico necesario para la construcción de un aparato emisor de microondas realmente operativo. Puestos a ello, 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 rayo de microondas de la frecuencia natural de la molécula. Cada molécula estimulada por microondas emitía una energía de menos de una millonésima de watio, 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 rayo deseado de microondas. Charles Hard Townes y sus colaboradores 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, con el que se conoce a partir de entonces todo el dispositivo.

Pronto se supo que el máser -construido por vez primera en 1953- tenía 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. Así, en colaboración con su cuñado Arthur L. Schawlow, ideó el primer máser óptico, es decir, un dispositivo similar que, en vez de microondas, generaba ondas luminosas.

Con los trabajos de Townes y Schawlow, el físico californiano Theodore Harold Maiman (1927- ) construyó, en 1960, el primer dispositivo de "amplificación de luz por emisión estimulada de radiación", o, dicho en inglés, Light Amplification by Stimulated Emision of Radiación, que pronto se abrevió en las siglas láser. Este primer láser de Maiman, elaborado con rubí, demostró que las formulaciones teóricas de Townes y Schawlow acerca de su máser óptico eran plenamente válidas, ya que, como ambos había predicho, la luz que emitía era coherente (es decir, no se dispersaba, sino que se mantenía en forma de haz firmemente cohesionado).

El procedimiento que permite producir un haz láser parte, pues, de la estimulación o excitación de los átomos de una substancia sólida, hasta lograr que sus electrones alcancen orbitales más altos. Por esta vía se acaba obteniendo una inversión de la población, que no es sino una mayor presencia de átomos excitados que de átomos normales; entonces, estos átomos excitados que exceden en número a los intactos son introducidos en un resonador (o sea, una cavidad cuyas dimensiones varían en función de la longitud de onda de la radiación emitida por dichos átomos excitados al recobrar su estado habitual). Es en este punto, cuando algunos átomos excitados comienzan a volver a su estado normal, cuando se produce una reacción en cadena (denominada avalancha o amplificación) en la que todos los fotones emitidos están en fase, lo que propicia que la luz emitida durante dicha reacción concatenada sea, como ya se ha indicado, coherente.

Enseguida se supo que las enormes cantidades de energía portadas por el máser óptico (o láser) 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.

Autor

  • J. R. Fernández de Cano.