یادمانی برای دکتر علی جوان، برنده جایزه معتبر آلبرت اینشتین

دوشنبه، ۲۲ شهریورماه، جامعه فیزیک جهان یکی از چهره‌های پیشگام خود، دکتر علی جوان (۱۳۹۵-۱۳۰۵) را از دست داد؛ ایده‌پرداز نخستین انواع عملیاتی فناوری لیزر، و از مبدعان لیزر هلیوم-نئونی که رفته‌رفته به خاستگاهی برای شبکه‌های فیبر نوری، به‌عنوان زیرساخت کنونی مخابرات و اینترنت بدل شد. جوان، متولّد ۱۳۰۵ تهران از والدینی تبریزی، دانش‌آموخته رشته فیزیک در دانشگاه کلمبیای نیویورک، و استاد بازنشسته دانشگاه MIT بود، که در سال ۱۹۹۳، جایزه معتبر آلبرت اینشتین را از آن خود.

در زمره تحولات منتهی به ظهور فناوری لیزر (و توسّعاً مخابرات فیبر نوری)، از چند واقعه می‌توان تعبیر به نقاط عطفی کرد که رؤیای ارتباطات ارزان و جهان‌گستر امروزی را به تحقق نهایی آن نزدیک‌تر کردند: ایده‌پردازی مفهوم «تابش القایی» در مقاله‌ای نگاشته آلبرت اینشتین (۱۹۱۷) و اثبات تجربی آن به دست رودولف لادِنبرگ (۱۹۲۸)، تولید نخستین پرتوهای میزر (MASER / مخفف «تقویت امواج میکروموجی از طریق تابش القایی») توسّط تیم سه‌نفره‌ای به سرپرستی چارلز تاونز از دانشگاه کلمبیا (۱۹۵۳)، ابداع نخستین نمونه آزمایشگاهی لیزر (با گسیل متناوب) به دست تئودور مایمن از آزمایشگاه‌های تحقیقاتی هیوز ِ کالیفرنیا (مه ۱۹۶۰)، ابداع نخستین لیزر گازی (با گسیل پیوسته) به دست تیم سه‌نفره‌ای به سرپرستی علی جوان از آزمایشگاه‌های بل ِ نیوجرسی (دسامبر ۱۹۶۰)، ایده‌‌پردازی لیزرهای دیودی (به منزله درگاه ورود این فناوری به حوزه الکترونیک) توسّط نیکلای باسوف و علی جوان (۱۹۶۲) و تولید نخستین نمونه آزمایشگاهی آن به دست رابرت هال از شرکت جنرال‌الکتریک نیویورک در اواخر همان سال، و نهایتاً تولید نخستین نمونه‌های عملیاتی لیزرهای دیودی (با قابلیت تولید صنعتی) به دست ایزو هایاشی و مورتون پانیش از آزمایشگاه‌های بل (۱۹۷۰).

در این بین، ایده‌پردازی لیزرهای گازی و سپس اقدام به تحقق‌شان – که بزرگ‌ترین دستاورد حیات علمی علی جوان به شمار می‌رود – به دلیل اثبات قابلیت‌های بالقوه فناوری لیزر به صاحبان صنایع، و بدین‌وسیله خارج کردن آن از زهدان دانشگاه، اهمیت شایان توجهی دارد. در واقع اولین تماس تلفنی از طریق یک پرتو لیزر، توسّط همان دستگاه ابداعی تیم جوان، و در کمتر از ۲۴ ساعت از پی ابداع آن، بین شخص او و یکی از همکارانش در آزمایشگاه بل برقرار گردید. از این لحاظ، بدون شک می‌توان این واقعه را لحظه تولّد فناوری نوین ارتباطات، آن‌هم ۸۴ سال از پی نخستین مکالمه تلفنی ِ الکساندر گراهام بل (این‌بار در آزمایشگاهی به نام او) در نظر گرفت؛ لحظه‌ای که به قول جوان، “… اولین کاری که کردم این بود که دست‌ام را روبروی [آن پرتو] گرفتم و (خدای من!)، برای اولین بار، نوری به خالص‌ترین رنگی که حدود قوانین طبیعت اجازه می‌داد [را دیدم]. … نگاهی به ساعت‌ام انداختم. ۴ و ۲۰ دقیقه بعدازظهر بود؛ به تاریخ ۱۲ دسامبر ۱۹۶۰”.

طلوع لیزر گازی: بارقه‌های نخستین

مفهوم لیزر (مخفف عبارت «تقویت نور از طریق تابش القایی»)، همچنان‌‌که از آن نام آن پیداست، بر ایده «تابش القایی» (stimulated emission) مبتنی است؛ تابشی که در سمت مقابل «تابش خودبخودی» (spontaneous emission) قرار دارد. چنانچه یک اتم پایدار (اعم از جامد، مایع، یا گاز) در کمترین انرژی ممکن خود به سر ببرد، در وضعیتی موسوم به «حالت پایه» قرار دارد؛ به‌طوریکه در غیراینصورت، اتم در یک «وضعیت برانگیخته» خواهد بود. یک وضعیت برانگیخته فقط در صورتی ممکن است که الکترون اتم مزبور، با جذب مقدار مشخصی انرژی (از طریق فرآیندی موسوم به «جذب القایی») به یک تراز بالاتر انرژی نقل مکان کند. در شرایط عادی، به مجرّد توقّف القای انرژی، الکترون برانگیخته هم با تابش یک پرتوی نور به حالت پایه بازخواهد گشت؛ تابشی که از آن با عنوان «تابش خودبخودی» یاد می‌شود.

آلبرت اینشتین در مقاله سال ۱۹۱۷ خود نشان داده بود که می‌توان یک حالت دیگر را نیز برای اتمی در این وضعیت مدنظر داشت: چنانچه یک پرتوی نور با انرژی‌ای دقیقاً معادل همان پرتویی که انتظار می‌رود تا در جریان تابش خودبخودی اتم مزبور آزاد بشود به الکترون برانگیخته آن اتم برخورد بکند، آن الکترون نه‌تنها به حالت پایه بازخواهد گشت، بلکه پرتوی با دقیقاً همان مقدار انرژی را هم آزاد خواهد کرد. یعنی بر خلاف تابش خودبخودی، به دنبال قرارگیری اتم در حالت پایه، نهایتاً نه یک پرتو، بلکه دو پرتوی یکسان آزاد خواهد شد. اینشتین از این وضعیتِ فرضی تحت عنوان «تابش القایی» یاد کرده بود.

نور لامپ‌های مهتابی معمولی و کم‌مصرف، مصداق بارز تابش خودبخودی از اتم‌های واقع در محفظه‌های گازی آنهاست، که به دنبال القای انرژی الکتریکی، به حالت برانگیخته درآمده بوده‌اند. به نظر می‌رسد که به‌سادگی بتوان از طریق پدیده تابش القایی، لامپ‌هایی با بهره‌وری نامحدود ساخت که به ازای القای مقدار مشخصی انرژی، مقادیر فزاینده‌ای نور از خودشان ساطع بکنند (به‌طوریکه هرچه‌ مدت طولانی‌تری روشن باشند، تصاعداً نور شدیدتری را هم بتابانند).

اما در شرایط عادی، طبیعت اجازه ساخت چنین لامپ‌های پرقدرتی را به ما نخواهد داد. از آنجاکه اتم‌های برانگیخته تمایل طبیعی‌‌ای دارند تا خودبخود از ترازهای بالاتر ِ انرژی به ترازهای پایین‌تر نقل مکان بکنند، جمعیت الکترون‌های واقع در ترازهای کم‌انرژی‌تر نیز بیشتر از ترازهای پرانرژی‌تر خواهد بود. در واقع در شرایط تعادل گرمایی، به ازای گسیل هر پرتویی با یک طول موج مرئی، نسبت جمعیت اتم‌های برانگیخته نسبت به جمعیت اتم‌های غیربرانگیخته، چیزی در حدود ۱ به ۱۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰ (۱۰ به توان ۱۷) است.

پس اگرچه یک پرتوی ناشی از تابش خودبخودی می‌تواند به‌سادگیْ یک الکترونِ برانگیخته را به تابش دو پرتوی مشابه با خود وادارد، اما احتمال آنکه نخستین اتم ِ واقع در مسیر آن پرتو یک اتم برانگیخته باشد، فوق‌العاده ضعیف‌ است. و لذا آن زنجیره‌ی تصادعدی از تابش القایی هم دیر یا زود (با جذب پرتو توسط یک اتم غیربرانگیخته) متوقف خواهد شد.

تنها شرایطی که در آن امکان تحقق این زنجیره بالقوه می‌رود، وضعیتی است که در چارچوب آن جمعیت اتم‌های برانگیخته، بیشتر از جمعیت‌ اتم‌های غیربرانگیخته‌ باشد؛ به‌طوریکه احتمال آنکه پرتوهای تابش القایی در مسیرشان ابتدا به یک اتم برانگیخته بربخورند، بیشتر از احتمال برخوردشان به یک اتم غیربرانگیخته باشد. از آنجاکه در این وضعیتِ فرضی، جمعیت نسبی اتم‌های برانگیخته طبیعی نخواهد بود، از این وضعیت اصطلاحاً تحت عنوان «وارونگی جمعیت» (population inversion) یاد می‌شود.

ملاحظات فیزیکیْ ثابت کرده که وارونگی جمعیت تحت هیچ شرایط طبیعی‌‌ای رخ نخواهد داد. اما با این وجود، تحقّق آن تحت برخی شرایط طبیعی، ساده‌تر است. مثلاً آن نسبت فاحشی که در عبارات فوق بین جمعیت اتم‌های برانگیخته و غیربرانگیخته (به ازای تابش یک پرتو با طول موج مرئی، و تحت شرایط تعادل گرمایی) عنوان شد، به ازای تابش یک پرتو با طول موج‌های میکروموجی (و در دمای اتاق) به تقریباً ۱ کاهش پیدا می‌کند. یعنی از دید یک پرتوی میکروموجی، به ازای هر اتم برانگیخته، یک اتم غیربرانگیخته در محیط وجود خواهد داشت؛ که همین، احتمال برخورد یک پرتوی میکروموجی ِ القایی با یک اتم برانگیخته در طول مسیرش را بسیار بالاتر می‌برَد. اما برای افزایش قابل توجه این احتمال (و لذا تقویت هرچه‌ مطمئن‌تر این پرتو)، کافی است تا اتم‌های غیربرانگیخته را به نحوی «غربال» بکنیم تا با باقی ماندن تعداد بیشتری اتم برانگیخته، عملاً به شرایط وارونگی جمعیت برسیم. از آنجاکه اتم‌های برانگیخته بر خلاف اتم‌های غیربرانگیخته نسبت به میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی واکنش نشان می‌دهند، این مهم را می‌توان به‌سادگی از طریق قرار دادن گاز مدنظر در معرض این میدان‌ها به ثمر رساند.

شرایط فوق را نخستین بار چارلز تاونز و دو همکارش از دانشگاه کلمبیا، بر روی نمونه‌ای از مولکول‌های آمونیاک به ثمر رساندند و موفق شدند تا در سال ۱۹۵۳، اولین تابش القایی مصنوعی را در محدوده امواج میکروموجی ِ طیف حاصل بکنند؛ تابش نسبتاً پرقدرتی که از آن پس به «میزر» شهرت یافت، و سهمی از جایزه نوبل سال ۱۹۶۴ را هم نصیب تاونز کرد.

کمتر از یک سال بعد، علی جوان تحصیلات دکتری خود را زیر نظر تاونز در همان دانشگاه کلمبیا به پایان رساند؛ و به اتفاق وی، پژوهش‌های دوره پسادکتری خود را در رابطه با ساعت‌های اتمی آغاز کرد. در سال ۱۹۵۷، جوان ایده تقویت تابش از طریق «اثر رامانِ» القایی را مطرح ساخت، که کمتر از بیست سال بعد در قالب اولین نسخه از لیزرهای رامان، توسّط پژوهشگران کانادایی به ثمر نشست. در چارچوب این ایده، شرط وارونگی جمعیت، جای خود را به پدیده‌ای موسوم به «پراکندگی رامان» می‌دهد. همان‌طور که پرتوهای نور آفتاب در جریان برخورد با مولکول‌های هوا دچار پراکندگی می‌شوند (پدیده‌ای موسوم به «پراکندگی رایلی»، که دلیل رنگ آبی آسمان را توضیح می‌دهد)، طی پراکندگی رامان، با تغییر تراز اتم‌ها یا مولکول‌های هدف، فوتونی با انرژی متفاوت از آن سو گسیل می‌شود. جوان با پیشنهاد ساز و کاری برای تشدید همین فرآیند، امکان‌پذیری پدیده «پراکندگی ِ القایی رامان» را به‌عنوان مبنایی برای تقویت و تشدید نور به اثبات رساند.

با اینکه دستاورد تاونز و همکارانش در ابداع نخستین میزر، به خودی خود اقدامی قابل توجه بود، اما دامنه کاربردهای عملیاتی ِ این تابش ِ میکروموجی، به هیچ عنوان با کاربردهای بالقوه یک تابش مشابه در نور مرئی قابل مقایسه نبود؛ و از همین رو تاونز در سال ۱۹۵۸ به اتفاق همکارش آرتور شالو، رسماً ایده میزرهای فروسرخ و مرئی را مطرح ساخت، و انگیزه را برای تلاشی گستره در پی تحقق این چشم‌انداز نویدبخش فراهم کرد.

گام اول: لیزر یاقوت

کمتر از یک سال پس از انتشار مقاله تاونز و شالو در نشریه Letters Physical Review، شالو در جریان یک کنفرانس علمی به تبیین ظرفیت‌های بلور یاقوت به عنوان یک محیط القایی ِ بالقوه پرداخت، و همین الهام‌بخش تئودور مایمن، از شرکت‌کنندگان در آن کنفرانس و پژوهشگری با تجربه سال‌ها کار با یاقوت‌ها شد تا ایده «میرز مرئی» را خود به بوته آزمون بسپارد.

در یک میزر مرئی (یا چنانکه بعدها به «لیزر» شهرت یافت)، بر خلاف میزر، عمل وارونگی جمعیت نه از طریق تفکیک اتم‌های برانگیخته و غیرانگیخته، بلکه با برانگیخته‌سازی اتم‌ها تا حالتی موسوم به وضعیت «شبه‌پایدار» (metastable state) رقم می‌خورَد؛ اتفاقی که در جریان آن، الکترونْ حین بازگشت به حالت پایه، مدّتی را در وضعیتی مابین برانگیخته و پایه، توقف می‌کند. (این فرآیند با گسیل هیچ پرتویی همراه نخواهد بود). این توقف کوتاه فرصت ارزشمندی را برای فیزیکدانان فراهم می‌کند تا با القای هرچه‌بیشتر انرژی، رفته‌رفته جمعیت اتم‌های برانگیخته را نسبت به اتم‌های غیربرانگیخته افزایش بدهند و نهایتاً دست به وارونه‌سازی جمعیت‌شان بزنند. ایده این واروسانه‌سازیِ سه‌مرحله‌ای را نیز اولین بار جوان در مقاله‌ای مربوط به سال ۱۹۵۷ در رابطه با میزرها مطرح کرده بود.

در خصوص بلور یاقوت (که در واقع ترکیبی از جنس مولکول‌های اکسید آلومینیوم است که در آن برخی اتم‌های آلومینیوم جای خود را به اتم‌های سزیم داده‌اند)، این توقف تنها ۵ میکروثانیه به طول می‌انجامد. لذا مایمن ابتدا میله‌ای از جنس یاقوت مصنوعی به قطر ۱ و طول ۱.۵ سانتیمتر را ساخت، و از یک فلاش پرقدرت و حلقوی عکاسی (که به دور این میله پیچیده می‌شد) نیز به‌عنوان منبع القای انرژی استفاده کرد. در یک سمت میله، آینه‌ای فوق‌بازتابنده، و در سمت دیگر آن نیز آینه‌ای نیمه‌بازتابنده تعبیه شد تا در تعامل با یکدیگر، به تشدید بخشی از نور القایی یاقوت بپردازند. بدین‌وسیله با هر دفعه شلیک نور شدید فلاش، اتم‌های سزیم (که ته‌رنگ سرخ یاقوت را به آن می‌بخشند) برانگیخته می‌شدند و در برخورد با سایر اتم‌های بلور یاقوت، به وضعیت شبه‌پایدار وارد می‌شدند تا فقط ۵ میکروثانیه بعد، با گسیل پرتویی در قسمت قرمز طیف، به وضعیت پایه برگردند. در همین اثناء، بخشی از این پرتوها بین آینه‌های دو سمت میله یاقوتی شروع به رفت و برگشت می‌کرد و رفته‌رفته با برخورد به اتم‌های برانگیخته و گسیل تابش القایی، شدتی مضاعف می‌یافت، تا جایی‌که می‌توانست از آینه نیمه‌بازتابنده بگذرد و به شکل یک پرتوی منسجم و قرمزرنگ خارج بشود. این پرتو، همان نخستین «میزر مرئی» یا لیزر بود، که سرانجام در ۱۶ مه ۱۹۶۰ تابیدن گرفت.

تمام این فرآیندها در کسری از ثانیه پس از شلیک نور فلاش رخ می‌داد، و لذا همچنان‌که فلاش برای شلیک بعدی‌اش شارژ می‌شد، پرتوی لیزری هم به تعاقب آن خاموش می‌شد. از همین‌رو هم این لیزر ِ غیرپیوسته را نمی‌توان نیای مستقیم لیزرهای پیوسته امروزی به شمار آورد؛ چراکه هنوز لازم بود تا انرژی القایی ِ آن مستقیماً از طریق الکتریسیته (و نه با میانجی‌گری نور) تأمین بشود. این گام نهایی، عاقبت چند ماه بعد با ابداع نخستین لیزر گازی جهان به تحقق پیوست.

گام دوم: لیرز هلیوم-نئونی (HeNe)

در سپتامبر ۱۹۵۹، جان سندرس، محققی از دانشگاه آکسفورد انگلستان که به تازگی به جمع محققین آزمایشگاه‌های بل در نیوجرسی پیوسته بود، کوشید تا دستاورد مایمن را با جایگزینی نمونه‌ای از گاز هلیوم خالص به جای میله یاقوت تکرار کند. اما از آنجاکه آینه‌های دو سمت محیط القایی می‌بایست با دقت فوق‌العاده بالایی موازی باشند (تا تشدید تابش القایی به نحو احسن انجام بپذیرد)، آستانه‌های دقت آزمایشگاهی در آن زمان به محققین اجازه نمی‌داد تا فاصله این دو آینه را بیشتر از ۱۵ سانتیمتر لحاظ بکنند؛ حال‌آنکه یک محیط القایی گازی (که تراکم بسیار کمتری نسبت به یک محیط القایی جامد همچون میله یاقوت دارد)، حجم بسیار بیشتری را می‌طلبید تا انرژی ناشی از شلیک لامپ فلاش، کفاف تولید یک باریکه پرقدرت لیزر را بدهد.

لذا سندرس با انتشار مقاله‌ای در نشریه Physical Review Letters توضیح داد که می‌توان به جای افزودن بر حجم محیط القایی، شدت انرژی القایی را با توسل به روشی به جز کاربرد فلاش‌های عکاسی تقویت کرد تا بدین‌وسیله با اطمینان بیشتری تعداد اتم‌های برانگیخته محیط القایی را افزایش داد. پیشنهاد سندرس، عبور جریان الکتریسیته از درون محیط القایی بود.

مقاله بعدی همان شماره از نشریه به جوان تعلق داشت، که در آن ایده درخشانی را برای وارونه‌سازی جمعیت اتم‌های یک محیط القایی گازی مطرح کرده بود. او (که به‌تازگی جذب آزمایشگا‌های بل شده بود) برای تحقق شرط یک وارونه‌سازی سه‌مرحله‌ای (با میانجی‌گری یک وضعیت شبه‌پایدار)، ایده استفاده از «مخلوط» دو گاز را به جای یک گاز خالص مطرح کرد. البته نه هر دو گازی، بلکه دو گاز خاصی که به دنبال برخورد اتم‌های‌شان با یکدیگر، الکترون‌های یکی از آن‌ها مشخّصاً به یک وضعیت شبه‌پایدار وارد بشود. ضمناً این برخورد نمی‌بایست به هیچ واکنش شیمیایی‌ای هم بیانجامد، و به همین‌واسطه استفاده از یک جفت گاز نجیب، یا بخار فلزات پایدار، در اولویت بود. در آن مقاله، جوان تلفیقی از گازهای هلیوم و نئون، یا کریپتون و بخار جیوه را پیشنهاد داده بود.

در شرایطی که فناوری‌های وقت هنوز امکان کسب اطمینان از موازی بودن آینه‌ها در فواصلی بیش از ۱۵ سانتیمتر را نمی‌داد، جوان به یمن اطمینانی که به مبانی نظری ایده خود داشت، تصمیم گرفت تا در ابتدا طرح دستگاه پیشنهادی‌ خود (با قابلیت تولید یک باریکه پرقدرت تابش القایی در یک محیط گازی) را در عمل پیاده کند، و سپس از طریق تنظیم مکان آینه‌ها با آزمایش و خطا، در انتظار گسیل پرتوی لیزر بماند.

لذا همان‌قدر که جوان از مبانی کوانتومی کار خود مطمئن بود، نیازمند همکارانی با همان اطمینان هم به سایر فنون مرتبط با ساخت چنین دستگاهی بود تا بدین‌وسیله حاشیه انتظاراتِ باقیمانده برای آزمایش و خطا را به حداقل برساند. از همین‌رو نیز از ویلیام بنت، متخصص طیف‌سنجی و از دوستان سابق‌اش در دانشگاه کلمبیا (که هم‌اینک به دانشگاه ییل نقل مکان کرده بود)، و همین‌طور از دانلد هریوت، متخصص اپتیک از همان آزمایشگاه‌های بل، دعوت به عمل آورد تا در تحقق ایده‌اش او را یاری بکنند.

به یاری بنت، جوان موفق شد تا ویژگی‌های طیف‌شناختی مخلوط گاز هلیوم و نئون را تحت شرایط مختلف محاسبه کند و بدین‌وسیله به برآوردی از شروط لازم برای تحقّق وارونگی جمعیت‌شان برسد. محاسبات آن دو حاکی از این بود که تحت بهترین شرایط، خروجی انرژی چنین گازی برای تولید یک پرتوی لیزر، فقط ۱.۵% خواهد بود. بنابراین ضرورت داشت که تا جای ممکن، از اتلاف چنین انرژی گرانبهایی جلوگیری کرد. و اینجا بود که دانش نظری هریوت نیز به یاری جوان آمد و آنها موفق به ساخت آینه‌هایی شدند که بازتابندگی‌شان در طول موج ۱.۱۵ میکرون، به میزان خارق‌العاده‌ی ۹۸.۹% بود.

در مقایسه بین دستگاه لیزر یاقوت مایمن و دستگاه جوان، دو تغییر عمده به چشم می‌خورَد: جایگزینی یک لوله شفافِ حاوی مخلوط گازهای هلیوم و نئون به جای میله یاقوت، و همین‌طور الکترودهایی برای تحریک گازها به جای لامپ حلقوی فلاش عکاسی (نگاه کنید به عکسی از این دستگاه، که امروزه در موزه مؤسسه اسمیتسونین نگهداری می‌شود).

جوان، بنت، و هریوت در تلاش اول‌شان کوشیدند تا مخلوط گاز را از طریق یک جریان پرقدرت مغناطیسی برانگیخته سازند؛ اما شدت انرژی تولیدی به حدی بود که لوله شیشه‌ای محتوی گاز را ذوب کرد.

پس از بازسازی دستگاه، تیم جوان برای تلاش دوم آماده شد. با شروع فرآیند القای انرژی، هنوز حسگرشان ردی از باریکه لیزر را نشان نمی‌داد (از آنجاکه انتظار می‌رفت این باریکه در بخش فروسرخ طیف واقع شده باشد، می‌بایست از طریق یک حسگر ِ نوسان‌نما نسبت به وجودش اطمینان یافت). طبیعی هم بود؛ چراکه از این پس فقط می‌بایست به تنظیم دقیق آینه‌ها پرداخت تا موازی بودن‌شان تضمین بشود، و تنها راه کسب اطمینان از این توازی هم مشاهده خود پرتو لیزر بود. هریوت به خاطر دارد که: “داشتم میکرومتر متصل به یکی از آینه‌ها را تنظیم می‌کردم که ناگهان سیگنالی روی [حسگر] ظاهر شد. مونوکرومتر را تنظیم کردیم و دیدیم که اوج سیگنال در [طول موج] ۱.۱۵۳ میکرون واقع شده؛ یعنی از همان طول موج‌هایی که انتظارش می‌رفت”.

این موج در واقع خبر از تولّد نخستین پرتوی پیوسته لیزر در جهان می‌داد. جوان راجع به این لحظه می‌گوید: “لازم نبود به هیچ‌کس توضیح بدهم. خودش گویای امر بود. این اولین بار بود، اولین بار؛ و انرژی الکتریکی، و جریان الکتریکی، طی یک تخلیه گازی [و ضمن فرآیندی] مربوط به پنجاه سال [تکامل] مکانیک کوانتومی، به یک [نور] خالص و تک‌فام بدل شده بود. به همین خاطر این [بخشی از] تاریخ بود”. پنج سال بعد، جوان مشترکاً به اتفاق تئودور مایمن، جایزه نقدی نفیسی را به پاس ابداع لیزر، از جانب رئیس‌جمهور وقت ایالات متحده، لیندون جانسون، دریافت کرد.

طلیعه صنعتی‌سازی لیزر

تنها ده دقیقه پس از ثبت این باریکه لیزر، موعد تعطیلی روزانه آزمایشگاه بل فرامی‌رسید. ادامه خاطرات جوان از آن روز برفی سال ۱۹۶۰، ابعاد چنین دستاوردی را در چارچوب تحولات علمی آن مقطع به‌خوبی به تصویر می‌کشد:

“از آزمایشگاه‌ام خارج شدم … در را باز کردم، هیچکس در راهروها نبود. همه رفته بودند. دان [هریوت] هم رفته بود. به طبقه دوم رفتم، که دفتر سید درست در گوشه‌اش بود. سید[نی] میلمن، مدیر ارشد بخش تحقیقات، و مسئول امور پژوهشی آزمایشگاه‌ بل بود. خیلی به حمایت‌های بی‌وقفه‌اش از کارم از همان روز نخست مدیون‌ام. … به دفترش وارد شدم. منشی‌اش آنجا بود. گفتم “سید اینجاست؟” منشی گفت: “نه”. گفتم: “کجاست؟” گفت: “جلسه مهمی در جریانه. سید با بیل بیکر جلسه داره”.

“بیل بیکر، مدیر کل آزمایشگاه‌های چندمیلیون‌دلاری بل بود. و جلسه مهمی در همین دفتر با او در جریان بود. … به منشی گفتم “یه ورقه کاغذ به من بده”. … با خودکار سیاه در وسطش نوشتم “[لیزر] به نوسان دراومد”. … گفتم: “برو همین الآن این رو به دست سید برسون”. … رفتم آن سمت راهرو، سراغ آل[برت] کلاگستون، یکی دیگر از مدیران تحقیقاتی آزمایشگاه‌های بل”. از منشی پرسیدم “آل کجاست؟ ایجاست؟” گفت: “نه، توی همون جلسه‌ست”. گفتم “خیلخب” و رفتم. شاید بیست یا سی دقیقه از ۴:۳۰ دقیقه [بعدازظهر] گذشته بود”.

“… ناگهان در ِ آزمایشگاه باز شد، و همه ریختند داخل؛ یکی، دوتا، سه‌تا، چهارتا از همین مدیران. آمدند داخل. نیازی به توضیح نمی‌دیدم. خودشان می‌توانستند ببینند. اصلاً نمی‌توانستم توضیح بدهم. بعد، آل کلاگستون را دیدم که مرا به گوشه‌ای کشاند. چهره‌اش هنوز خاطرم است؛ انگار همین حالا بود. عینک‌های ته‌استکانی ِ ضخیم می‌زد. گفت: “علی؛ می‌خواستن پروژه رو متوقف کنن. بحث بر سر این بود که بعد از کریسمس این کار رو بکنن یا آخر ژانویه”. بعدش شنیدم، فهمیدم که ماجرا چه بوده؛ دو سال انتظار چنین نوری که حالا در برابرشان بود را می‌کشیده‌اند برای مخابرات. و سه ماه قبل‌اش معلوم شده بوده که تد مایمن، لیزر یاقوت [را ساخته]. و حالا لیزر یاقوت چه بود؟ یک ‌نوسان که می‌تابید و خاموش می‌شد. یک فلاش شدید، و بعد خاموش می‌شد و بعد دوباره باید روشن‌اش می‌کردید. امیدی به [استفاده از آن برای] مخابرات نبود. و حالا جلسه‌ای تشکیل شده بود؛ آن‌هم با حضور چه کسانی؟ کل مدیران و همگی، با نظارت بیل بیکر”.

“[می‌گفته] “امیدی نیست. دو ساله که علی داره روی این پروژه کار می‌کنه. هرچی خواسته رو براش انجام دادیم. و هنوز لیزری در کار نیست”. و حالا کریسمس شده بود؛ و عاقبت این تد مایمن بود [که به نتیجه رسیده بود]. … “حالا تکلیف‌مون چی‌ایه؟ علی فیزیکدان فوق‌العادی‌ایه. بهترین کار اینه که بگذاریم اون‌چی که می‌خواد رو انجام بده، یعنی [رسماً] متوقفش کنه. بهتره تا کریسمش صبر کنیم یا توی ژانویه بهش بگیم؟” تصمیم بر این شده بود که در ژانویه این کار را بکنند. و داشتم می‌دیدم، درست روبروی خودم، صحنه‌ای را که اشک از چشمان آل کلاگستون جاری شده بود”.

به مجرّد تابش این نخستین لیزر گازی، جوانْ جزئیات دستاورد بزرگ خود را طی مقاله‌ای برای نشریه Physical Review Letters ارسال کرد، و آماده شد تا در کنفرانس علمی‌ای طی چند روز آتی شرکت کند. اما پیش از انتشار مقاله، سردبیر وقت نشریه به جوان اطلاع می‌دهد که مأموران دولتی با مراجعه به دفتر نشریه، هر سه نسخه موجود از مقاله را ضبط کرده و اطلاعات محتوی‌‌شان را محرمانه و مختص کاربری‌های نظامی خوانده‌اند.

در پی اطلاع از این تصمیم، بیل بیکر، رئیس وقت آزمایشگا‌ه‌های بل، با این استدلال که دولت در این پژوهشْ کمترین سرمایه‌ای نگذاشته و کلّیه حقوق معنوی این طرح ِ دومیلیون‌دلاری به آزمایشگاه‌های بل تعلق دارد، ضمن هشدار به کاخ سفید، از جوان خواست تا خبر رسمی ابداع نخستین لیزر گازی را در همان کنفرانس ِ پیش رو شفاهاً اعلام کند، و نسخه‌های کپی‌شده مقاله خود را نیز در اختیار شرکت‌کنندگان آن نشست قرار بدهد.

در واقع حتی پیش از تولّد این پرتوی لیزر نیز، مهندسین آزمایشگاه بل عملاً ابزاری را برای تبدیل امواج صوتی به فرکانس‌های نوری، مخابره آن، و سپس تبدیل مجددشان به امواج صوتی تمهید دیده بودند، تا بدین‌وسیله پرتوهای فرضی ِ لیزر، نقش حلقه واسط این ارتباط را بازی بکنند. و ظهر فردای همان روزی که نخستین لیزر ِ پیوسته در آزمایشگاه جوان تابیدن گرفت، وی از منزل‌ خود با آزمایشگاه تماس گرفت؛ “… یکی از اعضای تیم جواب داد، و از من خواست که چند لحظه‌ای صبر کنم. بعد، صدایی شنیدم؛ چیز مرتعشی به من گفت که صدایش را از طریق لیزر می‌شنوم. صدای آقای بالیک بود”؛ از اساتید فعلی فیزیک در دانشگاه مک‌آلیستر کانادا.

و این نخستین مکالمه از طریق چیزی شبیه به یک فیبر نوری، ظرف کمتر از ۲۴ ساعت از پی ابداع نخستین لیزر پیوسته در جهان بود. چیزی شبیه به جمله “آقای واتسون! بیایید اینجا“ی گراهام بل؛ که در عین حال از طریق زیرساختی که امروزه عملاً جایگزین نسل نخست آن تلفن‌ها شده است و به شبکه کنونی مخابرات فیبر نوری و اینترنت شکل داده، رد و بدل می‌شد.

بدین‌ترتیب، در جریان اعلان عمومی این دستاورد بزرگ در هفدهم فوریه ۱۹۶۱ در هتل پارک‌شرایتون نیویورک، علاوه بر رونمایی از لیزر هلیوم-نئونی، مدلی از یک گیرنده و فرستنده اپتیکی که صدای تلفنی از اتاق مجاور را از طریق امواج لیزرْ دریافت و پخش می‌کردند هم به نمایش درآمد.

سالیان تدریس

جوان که تحصیلات متوسطه و همچنین یک سال از دوره کارشناسی خود را در دبیرستان البرز و همین‌طور دانشگاه تهران گذرانده بود، در ادامه با مهاجرت به ایالات متحده در سال ۱۳۲۷، تحصیلات‌اش را مستقیماً با اخذ درجه دکتری فیزیک از دانشگاه کلمبیای نیویورک به اتمام رساند. اما فعالیت کوتاه و پرثمرش در آزمایشگاه‌های بل، به تثبیت موقعیت‌ دانشگاهی وی در مقام یک فیزیکدان برجسته و پیشگام فناوری لیزر، کمکی شایان توجه کرد. لیزر ِ ابداعی جوان نه‌تنها نخستین لیزر گازی، بلکه نخستین لیزری بود که با تبدیل مستقیم انرژی الکتریکی به باریکه پیوسته‌ای از نور لیزر، ظرفیت صنعتی‌سازی این فناوری انقلابی را بر همگان – به‌ویژه مدیران آزمایشگاه‌های بل – هویدا ساخت، و کمتر از یک سال بعد، او را به سِمت استادیاری فیزیک در دانشگاه MIT رساند؛ جایگاهی که کمتر از سه سال بعد، به استادی ارتقا پیدا کرد.

جوان در آزمایشگاه لیزر ِ خود در این دانشگاه، به اتفاق همکاران و دانشجویانش دستاوردهای چشمگیری را طی دهه‌های ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ میلادی به ثمر رساند، که از آن جمله می‌توان به کسب پیشرفت‌هایی در زمینه طیف‌سنجی لیزری، ارتقای دقّت ساعت‌های اتمی، استفاده از فناوری لیزر در آزمون‌های نظری نسبیت خاص (از جمله انجام دقیق‌ترین محاسبه از سرعت نور)، و همین‌طور کمک به ابداع روش طیف‌نمایی اشباعی (saturation spectroscopy) اشاره کرد.

در سال ۱۹۷۱ (۱۳۵۰)، جوان دبیری نخستین سمپوزیوم بین‌المللی فیزیک محض و کاربردیِ لیزر را با میزبانی دانشگاه اصفهان بر عهده داشت. در این سمپوزیوم، که با حمایت‌ دانشگاه‌های صنعتی آریامهر (شریف)، اصفهان، و MIT از هفتم تا چهاردهم شهریورماه آن سال برگزار می‌شد، چهره‌های پیشگام حوزه لیزر همچون چارلز تاونز (برنده نوبل فیزیک ۱۹۶۴)، الکساندر پروخوروف (برنده نوبل فیزیک ۱۹۶۴)، نیکولاس برومبرگر (برنده نوبل فیزیک ۱۹۸۱)، نورمن رمزی (برنده نوبل فیزیک ۱۹۸۹)، آرتور شالو، و … حضور پیدا کردند.

در سال ۱۳۷۰ نیز از جوان برای سفری به ایران دعوت به آمد. او در جریان این سفر، پیشنهاد طرحی یکصدمیلیون‌دلاری را با هدف تأسیس یک تداخل‌سنج لیزری با هدف کشف امواج گرانشی، در حضور مقامات وقت کشوری (از جمله رئیس‌جمهور) مطرح ساخت که به تصویب اولیه رسید؛ اما رفته‌رفته به دلایلی نامعلوم متوقف شد. این پیشنهاد، پنج سال پیش از آغازبه‌کار «تداخل‌سنج لیزری برای رصد امواج گرانشی» (اختصاراً LIGO) در ایالات مطرح شده بود؛ تأسیسات مشابهی که تابستان سال گذشته، در دومین دور جستجوهای خود موفق شد تا برای نخستین بار به ثبت نشانه‌های مستقیم امواج گرانشی، به‌عنوان یکی از کشفیات برجسته قرن حاضر، بپردازد (در این‌باره، نگاه کنید به: کشف «امواج گرانشی»: پژواک واقعیتی از جنس دیگر).

جوان، از اعضای آکادمی ملی علوم ایالات متحده، فرهنگستان هنر و علوم آمریکا، و همچنین انجمن افتخاری «سیگما خی» بود. اخذ مدال استورات بالنتین از جانب بنیاد فرانکلین (۱۹۶۴)، مدال فردریک ایوز از جانب انجمن اپتیک آمریکا (۱۹۷۵)، مدال آلبرت اینشتین از جانب شورای جهانی فرهنگ (۱۹۹۳)، و همچنین عضویت در تالار افتخار مخترعین آمریکا (۲۰۰۶)، از افتخارات رسمی این فیزیکدان برجسته ایرانی‌تبار به شمار می‌رفت.