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855

[1400] 

TOWNES


TOWNES 

[1400]

1935.  He  obtained his master’s degree  at 

Duke  University,  but  traveled  west  to 

the  California  Institute  of  Technology 

for  his  Ph.D.,  which  he  earned  in  1939. 

He  spent  World  War  II  and  some  years 

thereafter  working  for  Bell  Telephone 

Laboratories  on  the  design  of  radar 

bombing systems.

In  1948  he  met  Rabi  [1212],  who 

suggested  he  come  to  Columbia  Univer­

sity,  a  suggestion  much  to  Townes’s  lik­

ing.  Townes  joined  the  physics  depart­

ment  of  the  university  and  since  1950 

has been a full professor there.

Radar  technology  involves  the  emis­

sion  and  reception  of  microwaves,  that 

portion  of  the  electromagnetic  spectrum 

that  falls  between  infrared  waves  and 

radio  waves.  At  Columbia,  Townes  fol­

lowed up this interest in the most general 

fashion.


Townes  felt  the  strong  need  for  a  de­

vice  that  would  generate  microwaves  in 

great  intensity.  Ordinary  mechanical  de­

vices could be used to generate the  much 

longer  radio  waves,  but  for  those  same 

devices  to  produce  microwaves  would 

require  such  small-scale  construction  as 

to  remove  the  design  from  the  realm  of 

the  possible.

It  struck  Townes  in  1951  (while  sit­

ting  on  a  park  bench  in  Washington, 

D.C.,  early one  morning  and  waiting for 

a  restaurant  to  open  so  he  might  eat 

breakfast)  that  something  sufficiently 

small  could  be  found  if  one  turned  to 

molecules  rather  than  to  any  electronic 

circuit.  Molecules  had  various  fashions 

of  vibration  and  some  of  the  vibrations 

would  be  equivalent  to  radiation  in  the 

microwave  region, if the vibrations could 

be  converted  into  radiation.  The  ammo­

nia  molecule  for  instance  vibrated 

24.000,000,000 times a second under ap­

propriate  conditions  and  this  could  be 

converted  into  microwaves  with  a  wave­

length of iVx  centimeters.

Suppose  he  got  ammonia  molecules 

“excited”  by  pumping  energy  into  them 

through  heat  or  electricity.  Suppose, 

next,  that he exposed such excited  mole­

cules  to  a  beam  of  microwaves  of  the 

natural  frequency of the  ammonia  mole­

cule,  even  a  very  feeble  beam  of  such

microwaves.  An  individual  molecule 

struck  by  such  a  microwave  would  be 

stimulated  to  emit its  own  energy  in  the 

form  of such  a  microwave,  which would 

strike  another  molecule  and  cause  it  to 

give  up  its energy.  The  very  feeble  inci­

dent  beam  of  microwaves  would  act  as 

the igniter of a cascade, a chain reaction, 

that would in the end produce a flood of 

microwaves.  All  the  energy  originally 

used  to  excite  the  molecule  would  be 

converted into one particular kind of ra­

diation.


Townes thought of all this on the park 

bench, putting down some  quick calcula­

tions  (in  the  romantic  tradition  of  sci­

ence)  on  the  back  of  an  old  envelope. 

By  December  1953  he  and  his  students 

finally constructed  a gadget that worked, 

and produced the necessary beam of  mi­

crowaves.  The  process  was  described  by 

the  phrase  “microwave  amplification  by 

stimulated  emission  of  radiation.”  This 

was  abbreviated  to  the  word  “maser.” 

(Such  acronyms  are  becoming more  and 

more popular in technology.)

The  maser  turned  out  to  have  a  num­

ber  of  interesting  uses.  The  steady,  un­

deviating vibration of the ammonia  mol­

ecules,  as  measured  by  the  steady,  un­

deviating  frequency  of  the  microwaves, 

could  be  used  to  measure  time,  so  that 

the  maser  turned  out  to  be  an  “atomic 

clock”  far  more  accurate  than  any  me­

chanical  timepiece ever invented.

Masers  could  also  be  used  to  send 

their microwave beams in different direc­

tions.  If  an  ether  existed,  then  the  earth 

moved  through  this  ether,  then  the  fre­

quency  should  alter  with  direction.  The 

test was attempted  in January  1960,  and 

there  was  no  difference  in  wavelength. 

The  Michelson  [835]-Morley  [730]  ex­

periment  of  three  quarters  of  a  century 

earlier  was  thus  confirmed  under  condi­

tions  of  unprecedented  accuracy,  for  a 

deviation  in  frequency  of  one  part  in  a 

trillion  would  have  been  detected.  Ein­

stein’s  [1064]  theory  of  relativity  was 

upheld  by  this,  and  also  by  the  Moss- 

bauer  [1483]  effect,  which  had  just  been 

discovered.

Townes  felt  a  more  versatile  instru­

ment  could  be  built  if gaseous  ammonia

856


[1400] 

TOWNES


SUTHERLAND 

[1402]

was replaced by molecules of a solid and 

if the new knowledge  of solid-state phys­

ics  pioneered  by  Shockley  [1348]  was 

taken  advantage  of.  In  the  late  1950s, 

such solid-state masers were indeed built 

by  Townes  and  by  others.  Such  masers 

could  amplify  microwaves  while  intro­

ducing unprecedentedly low quantities of 

random  radiation  (“noise”),  which 

meant  that  ultra-weak  signals  could  be 

amplified  far  more  efficiently  than  by 

any other known means of amplification. 

The  almost  vanishingly  weak  reflected 

signals from Pierce’s [1351] Echo I satel­

lite  were  successfully  amplified  in  this 

fashion in 1960, as were radar reflections 

from the planet Venus.

Meanwhile,  in  1957  Townes  began 

speculating on the possibility of devising 

a  maser  that  would  deliver  infrared  or 

even visible light, instead of microwaves. 

With  his  brother-in-law,  he  published  a 

paper  on  the  subject  in  1958.  In  1960 

such  a  device  was  put  together  for  the 

first  time  by  Maiman  [1479]—a  pink 

ruby rod that emitted intermittent bursts 

of red light. The light was coherent;  that 

is,  it  did  not  spread  outward  but  main­

tained  a  narrow  beam  almost  indefi­

nitely.  Such  a beam  reaching out  to  the 

moon, a quarter of a million miles away, 

would still have spread so little  as  to  be 

only  a  couple  of  miles  wide.  There 

would  be  so  little  dissipation  of  energy 

that  it  was  quite  practical  to  think  of 

reflecting  such  maser  beams  from  the 

moon’s surface and mapping that surface 

in far more efficient style than was possi­

ble with an ordinary telescope. The large 

energies that could be packed into a nar­

row  beam  of  light  could  also  be  made 

useful  in medicine,  as  in  certain  eye  op­

erations,  and in chemical analysis, where 

small bits of a substance could be vapor­

ized  and  then subjected to  spectroscopic 

study.

The  light  was  also  more  monochro­



matic than any light previously produced 

by  man.  All  the  light  rays  were  of  pre­

cisely  the  same  wavelength.  This  meant 

that  such  beams  could  be  modulated  to 

carry messages,  much  as  ordinary radio­

wave  carriers are  modulated  in ordinary 

radio  communication.  The  advantage  of

using  light  waves  for  the  purpose  was 

that at light’s high frequency there is far 

more  room for carrier waves  in  a given 

band  than  in  the  low  frequency  radio­

wave spectrum.

The visible-light masers are called “op­

tical  masers”  or  “lasers”  (acronym  for 

“light  amplification  by  stimulated  emis­

sion of radiation”).

For  this,  Townes  was  awarded  the 

1964  Nobel  Prize for  physics,  sharing  it 

with Prokhorov [1409]  and Basov [1452] 

who  independently  worked  out  the 

theory.

[1401]  HILLIER, James 



Canadian-American physicist 

Born:  Brantford,  Ontario,  August 

22,  1915

Hillier  graduated  from  the  University 

of  Toronto  in  1937  and  obtained  his 

Ph.D.  there  in  1941.  Shortly  before  the 

doctorate  came  through  officially,  he 

emigrated  to  the  United  States,  and  be­

came an American citizen in  1945.

While  still  at  the  university,  he  con­

structed, with his collaborator, Albert  F. 

Prebus, an electron microscope along the 

lines  advanced  earlier  by  Ruska  [1322], 

The new model,  however,  built  in  1937, 

was  much  improved.  It  magnified  7,000 

times  and  produced  resolutions  sharp 

enough to be of use in the laboratory.  It 

was the forerunner of over two thousand 

electron  microscopes  existing  in  the 

world  a  generation  later,  some  of  them 

capable  of  magnifying  2,000,000  times 

and  of  making visible  the  most  intimate 

details within the cell, down to large sin­

gle molecules.

[1402]  SUTHERLAND, Earl Wilbur, Jr. 

American  physician  and  pharma­

cologist


Born:  Burlingame,  Kansas,  No­

vember  19,  1915



Died:  Miami,  Florida,  March  9, 

1974


Sutherland  received  his  M.D.  in  1942 

from  Washington  University  Medical



857

[1403] 

ANFINSEN


SHANNON 

[1404]

School  in  St.  Louis.  There  was  then  an 

interlude because of World War II,  after 

which  he  worked  in  the  laboratory  of 

C.  F.  Cori  [1194]  and  served  on  the 

faculty,  attaining  professorial  status  in 

1950.  In  1953  he  went  on  to  Case 

Western  Reserve  University  in  Cleve­

land and while there, in  1956, he isolated 

cyclic  AMP,  an  intermediate  in  the 

formation  of  ATP,  the  vital  compound 

that Lipmann [1221] had uncovered.

Cyclic AMP turned out to play an  im­

portant  role  in  many  chemical  reactions 

in  the  body,  and  for  it,  Sutherland  re­

ceived  the  1971  Nobel Prize for physiol­

ogy and  medicine.

[1403]  ANFINSEN, Christian Boehmer 

American biochemist 

Born:  Monessen, Pennsylvania, 

March  26,  1916

Anfinsen  obtained  his  Ph.D.  at  Har­

vard University in  1943, and he has been 

affiliated with a number of institutions in 

the  United  States,  Sweden,  and  Israel. 

His  chief  research  interest  has  been  in 

the  relationship  between  the  structure 

and  function  of  enzymes  and  other pro­

teins.  He  wrote  an  influential  book,  The 



Molecular  Basis  of  Evolution,  in  1959. 

For his work,  he  received a share of the 

1972 Nobel  Prize  for chemistry.

[1404]  SHANNON, Claude Elwood 

American mathematician 

Born:  Gaylord, Michigan, April 

30,  1916

Shannon  graduated  from  the  Univer­

sity  of  Michigan  in  1936,  then  went  on 

to  earn  a  Ph.D.  in  mathematics  at  the 

Massachusetts Institute of Technology in 

1940.  He  joined  the  staff  of  Bell  Tele­

phone Laboratories in  1941.

At  the  Bell  Telephone  Laboratories 

he  worked  on  the  problem  of  most 

efficiently  transmitting  information.  For 

a  century,  ever  since  the  development 

of  Morse’s  [473]  telegraph,  messages  in 

rapidly  increasing  numbers  had  been 

flowing  in  all  direction  over  wires  and

cable  or  through  the  open  air  by  means 

of  fluctuating  electric  currents  or  modu­

lated  electromagnetic  radiation.  A  large 

number  of  different  systems  of  trans­

mitting  these  messages  were  used  and  it 

was  important  to  know  which  was  most 

efficient and if the efficiency could be in­

creased still further.

Shannon  turned  his  efforts  toward  a 

fundamental  understanding  of  the  prob­

lem  and  by  1948  had  evolved  a  method 

of  expressing  information  in  quantitative 

form.  The  fundamental  unit  of informa­

tion  is  a  yes-no  situation.  Either  some­

thing  is  or  is  not.  This  can  be  expressed 

in  binary  notation  as  either  1  or  0. 

Under  these  circumstances,  1  and  0  are 

binary digits,  a phrase  that can be  short­

ened  to  “bits.”  Thus,  the  unit  of  infor­

mation is  the bit.

More  complicated  information  can  be 

viewed  as  built  up  out  of  combinations 

of bits. The game of “Twenty Questions” 

for  instance  shows  how  quite  compli­

cated  objects can  be  identified  in  twenty 

bits  or  less,  using  the rules  of  the  game. 

Something much more elaborate, such as 

is  seen  by  the  human  eye,  can  also  be 

measured  in  bits  (many  more  than 

twenty,  of course)  since  each cell of the 

retina  might  be  viewed  as  recording 

“light”  or “dark”  (“yes”  or “no”)  and  it 

is the  combination  of these  yes-no  situa­

tions  that  makes  up  the  complete  pic­

ture.  (The  situation  is  slightly  more 

complicated,  but  no  different  funda­

mentally, if color and other variables are 

included.)

Shannon’s  publication  in  1949  showed 

how  this  quantitation  of  information 

could be analyzed by strict mathematical 

methods.  It  was  possible  to  measure  the 

likelihood  of  information  being  garbled 

through  loss  of  bits,  distortion  of  bits, 

addition  of  extraneous  bits,  and  so  on. 

One  could  speak  with  precision  of  such 

things as redundancy and noise and  even 

entropy.  This  branch  of  mathematics  is 

called  information  theory.  It  has  proved 

useful  not  only  in  circuit  design,  com­

puter  design,  and  communications 

technology;  it  is being applied to biology 

and  psychology,  to  phonetics,  and  even 

to semantics and literature.

858


[1405] 

DICKE


CRICK 

[1406]

Since  1956  Shannon  has  been  on  the 

faculty  of  Massachusetts  Institute  of 

Technology.

[1405]  DICKE, Robert Henry 

American physicist



Bom:  St.  Louis,  Missouri,  May  6, 

1916


Dicke,  who  obtained  his  Ph.D.  at  the 

University  of  Rochester  in  1941,  has 

been on the physics faculty of Princeton 

University since  1946.

He is  best known  for his  scalar-tensor 

field  theory,  perhaps  the  most  carefully 

thought  out  and  ambitious  alternative 

presented  to  Einstein’s  [1064]  theory  of 

general relativity. Einstein’s theory, how­

ever,  remains  the  simplest  mathe­

matically  and  of  the  alternatives  seems 

to be the most nearly in accord with ob­

servations.  The  observational  differences 

that  can  distinguish  between  Einstein’s 

theory  and  others  such  as  Dicke’s,  how­

ever,  remain  so  delicate  that  a  final 

choice remains difficult to establish.

Dicke  also  carried  further  Gamow’s 

[1278]  suggestion  of  a  radio-wave  resi­

due  of  the  initial  big  bang  and  was  in­

strumental in establishing the importance 

of the observances of Penzias [1501]  and 

R.  W.  Wilson  [1506]  in  this  respect  as 

strong evidence that the big bang had in­

deed taken place.

[1406]  CRICK,  Francis  Harry  Compton 

English biochemist

Born:  Northampton, June 8,

1916


Crick was  educated at University Col­

lege  in  London  and  went  on  to  obtain 

his  Ph.D.  at  Cambridge  University  in 

1953.  He  was  a  physicist  to  begin  with 

and  worked  in  the  field  during  World 

War  II,  when  he  was  involved  in  radar 

research  and  in  magnetic  mine  develop­

ment.


The  war  years,  however,  had  seen  the 

beginnings  of  a  revolution  in  biochem­

istry.  Martin  [1350]  and  Synge  [1394] 

had  developed  paper  chromatography, 

which  made  it  easy  to  separate  complex

biochemical  mixtures  into  their  compo­

nents.  The  development  of  the  nuclear 

reactor  meant  that  radioisotopes  were 

going  to  be  available  in  quantity  and 

could be used to tag one particular com­

pound  or  another.  (This  work  was  in­

deed  to  come  to  great  results,  Calvin’s 

[1361] work being an example.)

At  the  same  time,  biochemists  were 

coming  to  realize  that  nucleic  acids, 

rather  than  proteins,  were  the  instru­

ments  whereby  physical  characteristics 

were  inherited  and  it  was  the  deoxy­

ribonucleic  acid  (DNA)  of  the  chro­

mosomes that were  the  key chemicals of 

life.

The orthodox chemistry of the nucleic 



acids  had  been  worked  out  by  Todd 

[1331],  but  something more was  needed. 

The  fine  details  of  structure  within  the 

intact  giant  molecule  of  DNA  were 

sought  and  the  well-established  methods 

of  chemistry  were  insufficient  for  the 

purpose.  The  new  methods  and  instru­

mentation of physics were required.

At  the  time,  under  the  leadership  of 

Perutz [1389], a veritable galaxy of phys­

ics-minded  scientists  was  turning  to  bio­

chemistry at Cambridge and their refined 

probings  established  the  science  of  mo­

lecular  biology,  a  fusion  of  biology, 

chemistry, and physics.

One  method  of  studying  the  internal 

structure  of  large  molecules  is  X-ray 

diffraction.  Wilkins  [1413]  studied  DNA 

in  this  manner  and  by  1953  his  data 

yielded  specific  information  on  the  type 

of  regularities  that  were  to  be  found  in 

the molecule. The problem was how best 

to  interpret  those  regularities  in  atomic 

terms.


Crick  was  one  of  the  physicists  who 

turned to biochemistry or, rather,  to mo­

lecular  biology,  and  with  him  was  a 

young  American,  James  Dewey  Watson 

[1480].  Together  they  considered  Wil­

kins’  X-ray  diffraction  data.  Pauling 

[1236]  had  in  1951  brought  forth  con­

vincing evidence to  the effect that  mole­

cules  of  fibrous  proteins,  such  as  the 

collagen  of  connective  tissue,  existed  in 

the form of a helix  (the shape, that is, of 

what is usually called  a spiral  staircase). 

It  was  easy  to  assume  that  the  nucleic

8 5 9


[1406] 

CRICK


CRICK 

[1406]

acids were similarly constructed,  but  that 

alone  was  not  enough.  It  would  be  ideal 

if  one  could  find  a  structure  that  would 

fit  the  X-ray  diffraction  data  and  would 

also explain the key fact about  DNA;  to 

wit, that  it was  capable of replication.

Ever  since  the  time  of  Flemming 

[762], three quarters of a century earlier, 

it  had  been  known  that  chromosomes 

formed replicas of themselves during mi­

tosis, and when Mendel’s [638] work was 

rediscovered  in  1900 it was  quickly  seen 

that  such  chromosome  replication  was 

the key to heredity and  to the  science of 

genetics.  Since  the  chromosome  came  to 

be  seen  as  essentially  a  string  of  DNA 

molecules,  it  meant  that  the  molecule  of 

DNA  itself must  be forming a replica of 

itself.


Crick  and  Watson  took  into  consid­

eration  the  work  of  men  like  Chargaff 

[1291],  which  showed  that  within  the 

nucleic  acid  molecule  there  was  a 

definite  relationship  among  the  ni­

trogenous  bases.  There  are  four  such 

bases  in  the  DNA  molecule—adenine, 

guanine,  thymine,  and  cytosine—-and  it 

seemed  that  the  number  of  units  of 

adenine  was always  roughly equal  to  the 

number  of  thymine  units,  while  that  of 

guanine  was  equal  to  cytosine.  (The 

ratio  between  those  two  pairs  could, 

however,  be  almost anything.)

Crick  and  Watson,  in  a  classic  paper 

published  in  1953,  therefore  suggested 

that  the  DNA  molecule  consisted  of  a 

double  helix,  each  helix  made  up  of  the 

sugar-phosphate  backbone  known  to 

exist,  thanks  to  Todd’s  work,  in  the 

nucleic  acid  molecule.  The  nitrogenous 

bases  extended  in  toward  the  center  of 

the  helix  from  each  of  the  two  back­

bones and  approached  each other.

The  nitrogenous  bases  are  of  different 

sizes  and  if  the  double  helix  is  to  be  of 

uniform  width,  an  adenine  unit  can  ap­

proach only a thymine or a cytosine,  but 

never  a  guanine;  a  thymine  could  ap­

proach  an  adenine  or  guanine  but  never 

a  cytosine;  and  so on.  The  conditions  of 

uniform  width  would  be  met  if  it  were 

assumed  that  an  adenine  base  from  one 

backbone  always  approached  a  thymine 

from  the  other;  while  a  guanine  from 

one  backbone  always  approached  a  cy­

tosine from  the other. That would neatly 

account for the fact  that the  numbers  of 

thymine and adenine were equal  and the 

numbers  of  guanine  and  cytosine  were 

equal.

Furthermore, it was now reasonable to 



suggest that in  the process of replication, 

the  two  strands  of  the  double  helix  un­

wound.  Each  single  helix  could  then 

serve  as  a  model  for  its  complement. 

Wherever  an  adenine  existed,  a  thymine 

could be selected as its neighbor and vice 

versa.  Wherever  a  guanine  existed,  cy­

tosine  could  be  selected  as  its  neighbor 

and  vice  versa.  In  this  way,  helix  1 

would  form  a  new  helix  2,  and  helix  2 

would  form  a  new  helix  1.  The  end  re­

sult  would  be  two  1-2  double  helixes, 

where only one had existed previously.

When  first  advanced,  the  Watson- 

Crick  model  was  nothing  more  than  a 

device  plucked  out  of  air  to  fit  the  ob­

served  data.  However,  a  decade  of  furi­

ous  experimental  work  in  many  labora­

tories  followed  and  every  painstakingly 

gathered  piece  of  evidence  seemed  to 

confirm  the  model.  It  is  now  generally 

accepted  by biochemists.

Crick  named  his  house  at  Cambridge 

the  Golden  Helix,  and  for  him  and  for 

the world of science the helix was indeed 

golden.  Crick,  Watson,  and  Wilkins 

shared the  1962 Nobel Prize in medicine 

and  physiology,  while  in  that  same  year 

the  prize  in  chemistry  went  to  other 

members  of  the  Cambridge  group, 

Perutz [1389] and Kendrew [1415],  Four 

years  before,  the  chemistry  prize  had 

gone  to  Sanger  [1426],  still  another 

member of the group.  Molecular  biology 

was  indeed  a  kind  of  “wave  of  the  fu­

ture.”


The  new  look  of  the  DNA  molecule 

opened  fruitful avenues  of research.  The 

work  of  Fraenkel-Conrat  [1355],  was 

showing, clearly enough,  that the nucleic 

acid  molecule  not  only  formed  a  replica 

of itself but was  also  capable of bringing 

about the formation of a specific protein. 

The  mechanism  by  which  it  could  do  so 

(the  genetic code)  was  tougher  to  eluci­

date  than  that  of  mere  replication.  Men 

like Hoagland  [1447],  Ochoa  [1293], and 

Crick  himself  had  been  working  as­

siduously at it,  and as the  1960s  opened,

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