زندگینامه علی جوان

حتماً تا کنون درباره (DVD) یا CD و یا جراحی چشم با لیزر و غیره چیزهایی شنیده اید، و حتماً این بزرگترین اختراع علوم را تا کنون به عناوین مختلف استفاده کرده اید؛ بدون آنکه از خودتان سؤال کرده باشید که مخترع لیزر چه کسی بوده است. آیا میدانید که مخترع لیزر یک ایرانی بوده است؟ اولین نوع لیزر؛ لیزر گازی بود (که در سیستم درمانی و صنایع بطور گسترده بکار برده می شود)، که توسط آقای علی جوان متخصص فیزیک اختراع شد.

علی جوان دانشمند ایرانی در سال 1928در تبریز متولد شد.پس از گذراندن تحصیلات در دبیرستان البرز، تحصیلات دانشگاهی خود را در دانشگاه تهران ادامه داد. سپس در سال 1948 به آمریکا مهاجرت می‌کند و تحصیلات خود را در مقطع دکترای فیزیک در دانشگاه کلمبیا ادامه می‌دهد. وی در سال 1964 با درجه دانشیاری به عضویت هیات علمی موسسه تکنولوژی ماساچوست (MIT) درآمد.

پروفسور علی جوان استاد فیزیک انیستیتو تکنولوژی ماساچوست، یک شخص شناخته شده در زمینه لیزر و کوانتوم در جهان بوده که برنده جایزه بین المللی برای اختراع اولین لیزر گازی نیز بوده است. وی PHD خود را در رشته فیزیک در دانشگاه کلمبیا در سال 1954 تحت نظر چارلز تونز دریافت کرد. به دنبال فلوشیپ دکترا در دانشگاه کلمبیا، او به گروه های تحقیقاتی لابراتوار تلفن بل در نیوجرزی ملحق شد (سپتامبر 1958).

در سال 1961 او به دانشگاه MIT ملحق شد. جاییکه تا اکنون مشغول تدریس و تحقیق می باشد.

پروفسور جوان اصول لیزر گازی را در سال 1958 پایه گذاشت، زمانیکه یک عضو گروه تحقیقاتی لابراتور بل بود. در سال 1960 موفق شد که لیزر گازی هلیوم - نئون که لیزری شناخته شده می باشد را ابداع کند. این اختراع، اولین لیزری بود که بصورت Continuos کار می کرد و باعث شد که در جهان جلب توجه کرده، پایه ای برای تحقیقات بیشتر در این زمینه باشد.

قبل از این اختراع، پروفسور جوان تئوری میزر سه سطحی را پایه گذاری کرد و اهمیت همگرایی فازی را در این وسیله میکروویو نشان داد. این عمل، ایده میزر بدون پراکندگی را معرفی کرد و او بعداً این ایده را در استفاده از اثر Raman تحریک شده، گسترش داد که نهایتاً منجر به بسط نوظهور رژیم نوری شد.

لیزر - یک امکان در سال 1930

در دنیای علمی و علوم، این مثل همیشه گفته می شود که وقتی که زمان برای یک اختراع یا یک کشف درست شده و شما آنرا انجام ندهید، کس دیگری انجام خواهد داد. این مثل تا حد زیادی حقیقت دارد. اما همیشه اینطور نیست. بعضی وقتها آدمها یک فکر خوب را از دست میدهند.

وقتی که نوبت برسد به لیزر، لیزر گازی، میتوانست در سال 1930 اختراع شده باشد، نه پس از سی سال در سال 1960 که من آنرا اختراع کردم. اگر شما به تاریخ علمی نگاه کرده باشید، مخصوصاً به فیزیکدانان اروپایی، آنها به اختراع لیزر در سالهای 1937 و 1938 خیلی نزدیک شده بودند. دانشمندان در حال مطالعه بر روی اتمها بودند، که چگونه امواج نوری را بیرون بدهند (تقویت نور در گازها به وسیله گسیل القائی پرتوافکنی)، و آنها به اختراع لیزر خیلی نزدیک شده بودند. از نوشتجات آنها شما میتوانید ببینید که آنها به راه درست رفته بودند، اما بعداً راه را اشتباه رفته و از مسیر اصلی منحرف شدند. اگر من در همان سالها بودم مطمعناً آنرا اختراع میکردم. مبالغه نمیکنم و میدانم که آنرا انجام میدادم.

من میدانم که این دانشمندان چرا آنرا از دست دادند؛ آنها عمیقاً درگیر با دارایی های موضوع در تعادل گرمایی بودند. با این وجود در لیزها، اتم ها باید در یک حالت تعادل غیر گرمایی باشند؛ که این قدری پیچیده می شود و از حوصله این بحث خارج است. البته تمام آنها اکنون تمام شده است، ولی آن دانشمندان پیشروان این راه بوده اند.

لیزر و جنگ جهانی دوم

ما فقط میتوانیم فکر کنیم که اگر این تکنولوژی (لیزر) در زمان جنگ جهانی دوم وجود داشت، چگونه بکار برده می شد. امروزه لیزر در مقطع دفاعی خیلی استفاده دارد. پس بنابراین در آنموقع، مشکل است که گفته شود چه اتفاقی ممکن است افتاده باشد، مخصوصاً آنکه در آنموقع تکنولوژی امروزه را دارا نبوده اند. بدون هیچگونه شبهه، اگر لیزر در 65 سال پیش اختراع شده بود نه در 35 سال پیش، کاربردهای آن نسبت به حالا بسیار گسترش یافته بود.

علم همیشه در گذشته به توسعه کارها در آینده کمک کرده است. وقتی که نیوتون قانون جاذبه را کشف کرد، این را گفت که "او بر شانه های غولها ایستاده و دورترها را دیده بود". همیشه یک پایه ای برای دانش ما وجود داشته است که توسط گذشتگان بوجود آمده است.

لیزر نتیجه شناخت ما از طبیعت اتم ها است؛ مخصوصاً طبیعت موجی اتمها. اتم ها امواج هستند، و طبیعت ذره ای آنها خاصیت امواج خودشان است. ما طبیعت اتم ها را کشف کرده ایم و آنها چیزی اند که بوسیله ساتع شدن نور بیرون میدهند. در سال 1920 ساختار اتمها تا کوچکترین جزء، شناخته شده بود.  کتابهایی در این رابطه نوشته شده بود. در آنزمان بزرگانی مانند Bohr، Schrodinger، و انشتین و دیگران بودند که این اکتشافات را دنبال و پیگیری میکردند.

مشکل است که شما با دقت بخواهید بگویید که در چه موقع یک نظر خلاق ظهور کرده است. من تصور میکنم که نقطه آغازی در ابتدای این خط بوده است، اما چه کسی میداند. شما در لحظه ای همه چیز را درباره اختراعتان می شناسید؛ با وجود اینکه شما از انجام آن آگاه و باخبر نیستید و نمیدانید که در حال انجام آن هستید. و سپس بطور ناگهانی همه چیز درست از آب درآید و شما آن کشف را درست انجام داده باشید.

موقعی که من نظریه ام را در رابطه با لیزر گازی دادم، بعضی از قسمتهای آنرا، اگر تما آن را نه، بر اساس گرفتاری من در کارهایی بود که مشغول انجام آن بودم. اما من میدانستم که بالاخره این لیزه گازی را میتوانم اختراع کنم در غیر اینصورت اصلاً دنبال آن کار را نمیگرفتم.

کسانی که از همان ابتدا نظر من را میدانستند، خیلی به آن بدبین بودند. حتی آنهایی که در تیم من بودند و با من کار میکرند، در این رابطه شک داشتند. من این شک را در بسیاری از آنها دیده ام. حتی فیزیکدانان خوب هم بعضی از وقتها در عقاید خودشان نامطمئن هستند، و آنها با تردید منزلزل می شوند.

یادم می آید موقعی که با یکی از شاگردانم بر روی این لیزر گازی در حال کار کردن بودیم، و آن وقتی که برای آزمایش نهایی آماده شده بود، من بشوخی رو به آن کرده و گفتم "هی، اگر من سویچ را بزنم و هیچ اتفاقی بوجود نیاید، چه!"، ناگهان صورت آن سفید شده و آثار ترس در آن هویدا گردید. من شروع به خنده کردم، و گفتم "نه، نه. حتماً کار میکند". من این را بخاطر اطمینان او بیان کردم. سپس کلید را زدیم و همه چیز بخوبی انجام گرفت. اما این اغلب برای کسانی که در حال کشف و اختراع چیزی هستند اتفاق می افتد. آنها نامطمئن و مضطربند، حتی وقتی که هیچ چیزی برای ترسیدن و اضطراب وجود ندارد.

البته بعضی وقتها آزمایشات بزرگی هستند که ما درباره آنها صحبت میکردیم، و بعضی وقتها جای تردید وجود داشته است، بخاطر آنکه پایه علمی دانسته نیست. به عنوان یک دانشمند شما مجبور هستید که نظرات خود را آزمایش کنید و آنها را انجام دهید، حتی اگر شما دقیقاً ندانید که نتیجه چه خواهد بود. اما شما بهتر است که مطماً شوید که جواب بدست آمده حتماً شما را به راهی که دنبال میکنید نزدیک کند.

اما تنها چیزی که برای من مهم بود این بود که این لیزر گازی حتماً کار بکند. قبل از شروع هر گونه اقدامی و بکار گیری تیمی که بتواند در این اقدام من را یاری دهد، باید حتماً مطمعاً میشدم که پروژه کار می کند.

در آن موقع، من تازه به گروهی که در حال تحقیق در لابراتوار تلفن بل در هیل موری نیوجرسی بودند ملحق شدم؛ و در آنجا آنها را متقاعد کردم که دستهای من را در راه این کار باز گذارند که من بتوانم هر گونه آزمایشی که لازم است در رابطه با این لیزر گازی انجام دهم.

درست در همان زمان دو محقق دیگر آقایان چارلز اچ. تاونس و آرتور ال. شاولو راهی دیگر را برای دست یابی به لیزر پیشنهاد کردند. در واقع نظریه آنها مبنی بر این اساس بود که، ما اکنون آنرا بعنوان (پمپ کردن لیزرهای نوری) می شناسیم، نور لیزرها را با توسط مکش با یک منبع نور زیاد استخراج کرد.

نظریه من تماماً با آنها متفاوت بود. من در این راه از جریانات برقی استفاده کردم (نه یک منبع نور زیاد)، که انرژی الکتریکی را تبدیل می کند به نور لیزری، که همگان حالا آنرا به نام "لیزر گازی" می شناسند. این دو اختراع "پمپ کردن لیزرهای نوری" و "لیزر گازی" بطور کلی با همدیگر تفاوت زیادی دارند و برای مقاصد تماماً متفاوت بکار گرفته می شوند.

نمایی از لیزر گازی دکتر علی جوان.  مجله "Smithsonian" آوریل 1971.

لیزر گازی هلیوم - شبیه روشنایی نئون

برای دلایل شدیداً فنی برای اولین مرتبه که میخواستم بر روی نظریه لیزر امتحان کنم، از دو گاز بی اثر هلیم و نئون استفاده کردم. و برای شما توضیح میدهم که چگونه کار می کند. داخل دستگاه لیزر، دو الکترود جریان برق را بصورت ملایم از میان گاز می فرستند و یک فعل و انفعالاتی در این رابطه انجام میگیرد. انرژی الکتریکی به عنوان یک انرژی درونی ذخیره، بصورت فعال در اتم های هلیم است، پس بنابراین خود را به اتم های شبیه روشنایی هلیم انتقال داده و سپس تغییر یافته و به یک نور لیزر تبدیل می شود. این اختراع من دو سال بطول انجامید و شرکت بل مبلغ دو میلیون دلار بر روی آن سرمایه گذاری کرد.

من نظریه ام را در جون سال 1959 در مجله "بررسی نامه های فیزیک" مطرح کردم و آن زمانی بود که من واقعاً درگیر در انجام آن نظریه بودم. قبلاً من یک تیم گرد آورده بودم و مشغول آزمایش و اندازه گیری بر روی پارامترهای گرداننده در ترکیب گازی بودیم. واقعی مهمی که در ماه فوریه و مارچ 1960 اتفاق افتاد، این بود که تیم ما موفق شد که آن نظریه ای را که در سال 1959 داده بودم با موفقیت به انجام برساند. اما چند ماه دیگر وقت لازم بود که یک دستگاه لیزر کاری که نور لیزر را از اتم ها میتوانست استخراج کند ساخته شود. من زمان را طوری تقسیم بندی کرده بودم که بتوانم این کار را قبل از کریسمس انجام دهم.

و آن واقعه درست طبق برنامه در روز 12 دسامبر سال 1960 اتفاق افتاد. این برای اولین بار در تاریخ علم بود که نور لیزر از یک دستگاه لیزر گازی سرچشمه گرفته بود. من دقیقاً وقتی را که به ساعت مچی ام نگاه کردم بیاد می آورم. ساعت دقیقاً 4 و بیست دقیقه بعدازظهر بود؛ و برف سنگینی در آن روز شروع به باریدن کرده بود.

اولین آزمایش لیزر تلفنی

موقعی که ما لیزر گازی را اختراع کردیم میدانستیم که این روش میتواند در ارتباطات تلفنی هم مورد استفاده قرار بگیرد. در واقع ما آنرا همان روز بعد امتحان کردیم. روزی که ما موفق به ساخت لیزر گازی شدیم من تا دیر وقت در آزمایشگاه بودم و نزدیکی های صبح به خانه مراجعت کردم. آن برای من معمولی بود. روز بعد موقعی که نزدیکیهای ظهر از خواب بیدار شدم به آزمایشگاه تلفن کردم. یکی از اعضای تیم وقتی که گوشی را برداشت از من خواهش کرد که چند لحظه ای گوشی را نگه دارم. لحظه ای بعد من صدایی را شنیدم، چیزی شبیه به ماشین، که به من میگفت که این لیزر گازی است که دارد با من سخن می گوید. این صدای آقای بلیک بود، که اکنون پروفسور در دانشگاه McAlaster در کانادا می باشد. برای تمام ما باور نکردنی بود. این اولین بار در تاریخ بود که یک مکالمه تلفنی به وسیله یک لیزر نوری انجام می شد. تاریخ دقیق آن روز سیزدهم دسامبر 1960 بود.

حال بعد از 35 سال، در صنایع ارتباطات از fiber optics استفاده می شود که دهها هزار مرتبه از تکنولوژی مایکروویو قوی تر است. ارتباطات لیزی همچنان در حال گسترش و بزرگتر شدن است و از آن در شاهراه های اینترنتی استفاده بسیار می شود.

معمولاً در دانشگاهها، مخصوصاً در دانشگاه علوم، رسم بر این است که اگر اکتشافی و اختراعی بخواهد صورت بگیرد اول آنرا در مجله علمی عنوان می کنند و بعداً آنرا در رسانه های خبری مطرح می کنند. در تاریخ 30 ژانویه سال 1961 من نامه ای برای "مرور کردن نامه های فیزیک" نوشتم که اکنون آنرا به نام یک نامه تاریخی می شناسند؛ و در آن خبر موفقیتمان را دادم. آن نامه بوسیله دو نفر دیگر به نامهای ویلیام بنت و دن هریوت از اعضای تیم هم امضا شده بود. 

یکروز پس از انتشار نامه ما، یک کنفرانس خبری در هتل Park Plaza در شهر نیویورک سیتی گرفته شد. مهندسان لابراتوار شرکت بل باید عیناً همان سیستم پخش صدا را که توسط لیزر هلیم درست شده بود نسب می کردند تا اینکه خبرنگاران خود از نزدیک شاهد آن باشند. خبر صبح فردا در تمام کشور پیچید. سهام شرکت AT&T در بازار بورس ثابت ماند. آنموقع لابراتوار شرکت بل بصورت بازوی تحقیقاتی شرکت AT&T درآمد. دو میلیون دلار سرمایه گذاری شده برای لیزر گازی توسط 5 سنتی و 10 سنتی های شرکت تلفن پرداخت شد. این اختراع ثابت کرد که ارزش آن سرمایه گذارای را دارا بوده است.

شرکت AT&T و دیگر شرکتهای ارتباطی و مخابراتی دیگر در رابطه با مسائل تحقیقاتی نیستند. امروزه، دانشگاهها آن کار را انجام میدهند. بیش از صدها لیزر گازی با رنگهای مختلف بوجود آمده است که برای مصارف مخصوصی استفاده می شود، بعضی از آنها دارای رنگهای آبی و سبز و قرمز است و بعضی دیگر ماوراء بنفش هستند. تمام آنها مبنی بر همان اساسی است که من برای اولین بار اختراع کردم.

تعداد زیادی لیزرهای گازی مختلف پیدا شده و مهمترین آن همان لیزر دی اکسید کربن است؛ که می تواند یک نور لیزر خیلی پر قدرت تولید کند و در رادارها بکار برده می شود و همچنین در صنایع جوشکاری برای ساخت دقیق مواردی که برای بیماران قلبی استفاده می شود، قابل استفاده است.

لیزر هلیم نئون خودش یک وسیله بی اندازه با ارزش شده است. یکی از گسترده ترین استفاده های لیزر گازی که هر روزه در زندگی روزمره از آن استفاده می شود همان خواندن کدهای اجناس در هنگام خرید از فروشگاهها است.

چند سال بعد از اختراعم، تحقیق درباره لیزر در آزمایشگاههای صنعتی و دانشگاهها در دستور کار قرار گرفت، و اکنون لیزر صنعت خودش را دارد. تبدیل کردن انرژی الکتریکی به لیزر گازی و بسط دادن آن در نوع خود یک اختراع است، صنعتی عظیم بکار رفته در متراکم کردن دیسک ها، تغییر دایرکتوری و کاربردهای دیگر آن.

اخیراً انرژی های شیمیایی در گازها، تبدیل شده است به لیزرهای نوری، که تولید آنها شروع شده است.

بطور آکادمیک این صنعت بصورت قارچ در هر جایی سبز شد. در کنفرانسهای قبلی معمولاً فقط چند صد نفر حضور پیدا میکردند. در آوریل سال 1995 در کنفرانس بین المللی لیزر گازی که در شهر بالتیمور بود و در آن جشن 35 سالگی این اختراع را جشن میگرفتند از من دعوت شد که در آنجا سخنرانی کنم. متن سخنرانی من در آنجا که هزاران نفر حضور داشتند "لیزرهای گازی، چگونه بوجود آمدند" بود.