富于启迪的技术发明

bsp;激光器的*早发明者汤斯(G．H_Townes)，在追溯激光器
的发明渊源时曾经说过：“纯科学与应用科学之间的相互影响
和渗透是极为迷人的……某些不可想象的发明常常涉及这两
个领域，因而，也往往是十分令人惊奇的。的确，激光器正
是近代光学与电子学的结合之子。”
    然而，这个诞生在理论条件和技术条件都十分优越的环
境里的新技术“婴孩”，却经历了四十余年的艰难孕育期。这
中间，既包含纯科学与应用科学相互作用影响技术发明的一
般因素，又涉及技术发明的一般机制和发明家的思维技巧。
因而，其中的奥妙，是颇值得探索的。
孕育中的磨难
    与20世纪其他一些重大发明一样，激光器基本原理的提
出也是远远走在实践前面的。
    1916年，爱因斯坦(A．Einstein)发表《关于辐射的量子
理论》一文，首次给出了能态之间跃迁的新认识。他认为，
在气体分子(普朗克谐振子)的能态跃迁中，存在两种不同的
辐射过程：一种是由高能级到低能级的自发辐射，一种是由
于频率响应从高能级到低能级的受激辐射。受激辐射概念的
提出，实际_EL为激光器的发明奠定了理论基础。
    爱因斯坦靠思维的洞察力，肯定了靠观测仪器尚未发现
的受激辐射的存在。这真是一个大胆的科学构思。
  然而，遗憾的是，爱因斯坦这一预想，犹如“阳春白
雪”，曲高和寡，在很长的时间里并没有引起科学界的反响，
甚至还遭到一些非议。究其缘由，大致有两个方面：
    其一，受激辐射概念是根据量子理论，基于光的物质性
和能量性的统一而提出的。这在当时与把物质和能量分离开
来的传统物理学观念是直接悖逆的。因而，传统的科学观念
和思维方式阻碍了人们对它的思考和做进一步的探索。
    其二，按照经典物理学理论，正常的能态分布是由玻尔
兹曼分布决定的，即物质粒子在通常热平衡条件下，高能态
的粒子数少于低能态的粒子数。这样，受激态原子在受激发
射中所产生的光子还未来得及辐射出去就已被低能态原子吸
收了，受激发射过程被同时发生的大量吸收过程完全淹没。
这是在通常情况下看不到受激辐射的一个重要原因。这意味
着，要真正实现受激辐射，就必须扰乱原子在各能态中的正
常分布，让高能态的粒子数超过低能态的粒子数，也就是要
实现所谓“粒子数反转”。从经典物理学的眼光来看，这无疑
是不可想象的。因为，这样一来在玻尔兹曼分布中就会出现
负温度这对于传统的物理学观念来说，不能不是一个严重的
灾难，以致人们难以置信受激辐射的概念究竟有多少实际意
义，当然也就不会去思考如何来实现粒子数反转了。
    这样，理解受激辐射概念这两方面的认识障碍，就构成
了使激光器的发明孕育艰难的重要原因之一。它说明，敢于
突破传统科学观念和思维方式的束缚，不仅是科学创造的一
 个重要因素，也是技术发明的内在要求。这一点对于实现由
新的科学原理和科学发现所引起的技术发明是尤为重要的。
    然而，要把科学原理转化为技术发明，并非仅仅取决于
此。也许更为重要的是，它还要求有相应的社会需要和一定
的技术条件。在这个意义上可以说，当时这种需要和这种条
件尚未成熟，这也是造成激光器发明孕育艰难的又一重要
原因。
    从技术发明的内在机制来说，新的科学理论或科学发现
所显露出的技术端倪本身，并不能直接导致技术发明，它还
要经过一系列中间过渡环节，逐步把科学原理和科学发现所
包含的普遍规律转换成技术科学和工程科学的特殊规律。即
把科学原理转化为技术原理，从而为技术发明提供*直接的
理论要素。
    而在激光器的孕育过程中，由于上面谈到的障碍，使得
人们还不能把新的科学原理与满足某种社会需要挂起钩来。
    事实就是如此。1916年爱因斯坦提出受激辐射概念以后，
1924年托耳曼(R．C．Tolman)曾根据原子、分子系统内激发
态上粒子数分布的情况，指出可以得到负吸收或光放大，并
在实验中观察到了这种机制引起的吸收系数的变化；