سي. تشابين كاتلر

كانت فرص العمل شحيحة في عام 1937 نظرًا لعدم تعافي الاقتصاد بشكل كامل من الكساد الكبير؛ إذ كانت مختبرات بيل تعمل أربعة أيام فقط في الأسبوع لخفض التكاليف. خلال مقابلته في مقر مختبرات بيل في 463 شارع ويست بمدينة نيويورك، التقى كاتلر برالف براون ، رائد الاتصالات اللاسلكية العسكرية، الذي أعجب بتجارب كاتلر على الهوائيات ومحاولاته في تعديل الموجة الحاملة. على الرغم من عدم وجود وظائف شاغرة في أقسام الأبحاث بنيويورك، عُرض على كاتلر منصب في المختبر الفرعي في ديل، نيو جيرسي ، حيث تركزت الأبحاث على موجات الراديو القصيرة، وأنابيب الإرسال عالية الطاقة، وتصميمات الهوائيات، وانتشار موجات الراديو في طبقة الأيونوسفير . ^{[ 1 ]}

في ديل، عمل كاتلر تحت إشراف جون سي. شيلينغ، وهو جندي مخضرم في سلاح الإشارة بالجيش الأمريكي، اشتهر بأبحاثه في مجال انتشار الموجات الراديوية في طبقة الأيونوسفير. وكان من بين زملائه المقربين جيمس ويلسون مكراي، الحاصل حديثًا على درجة الدكتوراه من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (كالتك) ، والذي أصبح لاحقًا نائبًا لرئيس مختبرات بيل. في أحد الأيام، قال شيلينغ لكاتلر: "افعل ما تشاء. لستَ مضطرًا لاستشارتي. أخبرني بالأمر متى شئت"، مانحًا إياه الحرية الكاملة التي ميزت ثقافة البحث في مختبرات بيل. كان أول اختراع لكاتلر هو "المضخم ذاتي التحييد"، الذي يوازن السعات الداخلية للأنابيب لمنع التغذية الراجعة السعوية. ثم قام هو ومكراي بتطوير جهاز إرسال بقدرة 200 كيلوواط يعمل بترددات تتراوح من 4 ميجاهرتز إلى 23 ميجاهرتز، وذلك لتوفير خدمة هاتفية متعددة القنوات أحادية النطاق الجانبي ذات 12 قناة بين الولايات المتحدة وإنجلترا. ^{[ 1 ]}

في عام 1940، طلب شيلينغ من كاتلر العمل على صمام التقارب ، وهو مشروع سري لتركيب دوائر لاسلكية في قذائف متفجرة تنفجر بالقرب من طائرات العدو. أُجري المشروع تحت رعاية مؤسسة كارنيجي وبقيادة الفيزيائي ميرل توف . صمم كاتلر الدوائر الكهربائية واختبر الصمامات في ميدان اختبار أبردين وإنديان بوينت بولاية ماريلاند. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

في أواخر عام ١٩٤١، كُلِّف ماكراي وكوتلر بتصميم مكونات دليل الموجة لهوائي طائرة يعمل بنطاق X. وعندما استُدعي ماكراي إلى واشنطن لتوجيه فيلق الإشارة بالجيش نحو تكنولوجيا الرادار، تُرك كوتلر وحيدًا مع مشروع الهوائي. وبعد معالجة مشكلة تقنية معقدة، ابتكر ما عُرف لاحقًا باسم مُغذِّي كوتلر ، وهو تصميم مبتكر لتغذية الهوائي يستخدم فتحتين تفصل بينهما مسافة نصف طول موجة بالضبط لتقليل الطاقة في الفصوص الجانبية مع تعزيز الطاقة في الحزمة الرئيسية. استخدم التصميم برغيًا في رأس التقسيم لضبط توزيعات المجال، مما جعله بسيطًا وموثوقًا. ^{[ ١ ]}

تم إنتاج آلاف من أجهزة تغذية كاتلر، وتم تركيبها على متن جميع قاذفات الحلفاء تقريبًا في النصف الثاني من الحرب العالمية الثانية. وعندما كُشف النقاب عن تقنية الرادار للجمهور عام 1945، نُشر رسم توضيحي لجهاز تغذية كاتلر في عدد 20 أغسطس 1945 من مجلة تايم . ^{[ 1 ]} خلال هذه الفترة، اخترع كاتلر أيضًا الموجه المموج وأنواعًا مختلفة من أجهزة تغذية الهوائيات متعددة الأنماط، على الرغم من أن هذا العمل ظل سريًا لسنوات عديدة. ^{[ 3 ]}

بعد الحرب، أعلنت شركة AT&T عن برنامج عاجل لإنشاء نظام ترحيل ميكروويف بين المدن يمتد من نيويورك إلى بوسطن. دُعي كاتلر لحضور عرض تقديمي قدمه جون ر. بيرس حول أنبوب الموجة المتنقلة (TWT)، الذي اخترعه رودولف كومبفنر في إنجلترا، والذي وعد بتحقيق طفرات كبيرة في دوائر الميكروويف. طُلب من كاتلر دراسة مشاكل دائرة أنبوب الموجة المتنقلة، ونقل مختبره إلى مركز أبحاث مختبرات بيل الذي تم إنشاؤه حديثًا في موراي هيل، نيو جيرسي . بدأ بيرس التحليل النظري بينما أجرى كاتلر القياسات. ولأنه كان يتوق إلى صنع أنابيبه الخاصة بدلًا من انتظار أسابيع للورشة المتخصصة، درس كاتلر أنظمة التفريغ وبنى محطة ضخ خاصة به باستخدام مهبط من التنجستن المُثوّر تم تسخينه إلى درجة حرارة عالية جدًا بواسطة قصف الإلكترونات. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

انضم كالفن كويت إلى مختبرات بيل عام 1950، وكومبفنر عام 1951. كان بيرس قد افترض أن الضوضاء على حزمة الإلكترونات الناتجة عن الانبعاث الحراري ستظهر على شكل موجات على الحزمة. أجرى كاتلر وكويت تجربة للتحقق من هذه النظرية، حيث قاما بتسليط حزمة إلكترونية عبر مركز تجويف رنين حلقي. أكدت قياساتهما تنبؤ بيرس، مما أدى إلى تجربة كاتلر-كويت الشهيرة التي نُشرت في مجلة Physical Review عام 1950، والتي أصبحت أساسية لأبحاث أنابيب الموجات المتنقلة في جميع أنحاء العالم. ^{[ 5 ] [ 2 ]} وقد ذكر هيرفيج كوجلنيك لاحقًا أن هذه الورقة كانت "مرجعنا الأساسي" لأطروحته للدكتوراه في فيينا حول تقليل الضوضاء في أنابيب الموجات المتنقلة. ^{[ 1 ]}

في موراي هيل، كان كاتلر يتناول الغداء بانتظام مع ويليام إم. غودال، الذي كان يُحوّل إشارات التلفزيون المُفلترة مسبقًا إلى إشارات رقمية باستخدام تعديل رمز النبضة بما يصل إلى سبعة أو ثمانية بتات لكل عينة. أدرك كاتلر أنه نظرًا لتشابه كل عينة من سعة الصورة مع سابقتها، فإن ترميز الفرق في سعات الإشارة فقط سيتطلب عددًا أقل بكثير من البتات لكل عينة. وخلص كذلك إلى أن تكميم الفرق بين الإشارات المُكمّمة سيعوض عن بعض أخطاء التكميم، مما يُنتج تمثيلًا أكثر دقة. ^{[ 1 ]}

استنادًا إلى هذه الأفكار، اخترع كاتلر تقنية تعديل النبضات التفاضلية (DPCM)، وقدّم طلب براءة اختراع في 29 يونيو 1950، والتي صدرت في 29 يوليو 1952. ^{[ 6 ]} أصبحت تقنية DPCM أساسًا للعديد من أنظمة التشفير اللاحقة. واليوم، يُستخدم التشفير التنبؤي المُستمد من عمله في البث التلفزيوني الرقمي، وأجهزة الفاكس، وأنظمة التصوير الطبي. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

أثار إطلاق سبوتنيك عام 1957 حماسًا كبيرًا في مختبرات بيل لعلم الصواريخ والمركبات الفضائية. كتب بيرس بحثًا كلاسيكيًا حول إمكانات الأقمار الصناعية الأرضية في مجال الاتصالات، وكتب كاتلر مذكرة فنية بعنوان "نظام اتصالات مركبة فضائية". وبموافقة بيرس، شكّل كاتلر لجنة مخصصة لدراسة المكونات اللازمة لجهاز إعادة إرسال لاسلكي طويل الأمد في قمر صناعي يدور في مداره، مما مهّد الطريق لتجربة تيلستار . ^{[ 1 ]}

في أوائل عام 1958، كانت وكالة ناسا تخطط لإطلاق بالون مايلر مطلي بالألومنيوم قطره 100 قدم لقياس كثافة الغلاف الجوي في الفضاء القريب، وكانت الوكالة منفتحة على تجربة اتصال سلبي باستخدام البالون كعاكس. وسرعان ما انطلق مشروع إيكو ، الذي تطلب محطات إرسال واستقبال في منشأة كروفورد هيل التابعة لمختبرات بيل في نيوجيرسي ومنشأة مختبر الدفع النفاث في غولدستون ، كاليفورنيا. ^{[ 1 ]}

في 12 أغسطس 1960، أُطلق القمر الصناعي إيكو 1 إلى مداره. كان كاتلر حاضرًا في غرفة التحكم، وقام شخصيًا بتشغيل الشريط الذي يحوي رسالة الرئيس أيزنهاور المسجلة لأول بث. وقد استذكر لاحقًا قائلًا: "ربما كانت تلك الفترة الأكثر إثارة في حياتي، لأن كل شيء كان يجب أن يُنجز في المحاولة الثانية. كان علينا توجيه الهوائي بدقة متناهية، لأن هذا الشيء كان يقطع المسافة من الأفق إلى الأفق في غضون 20 دقيقة فقط". وقد نجحت التجربة، مُثبتةً أول عملية ترحيل اتصالات صوتية عبر الأقمار الصناعية. ^{[ 1 ] [ 7 ]}

تم استخدام الهوائي القرني في هولمديل الذي تم بناؤه لمشروع إيكو لاحقًا من قبل أرنو بنزياس وروبرت وودرو ويلسون لاكتشافهما إشعاع الخلفية الكونية الميكروي في عام 1964 ، والذي أكسبهما جائزة نوبل في الفيزياء عام 1978. ^{[ 8 ]}

رُقّيَ كاتلر إلى منصب رئيس قسم أبحاث الإلكترونيات عام 1952، حيث تولى مسؤولية العمل على أنابيب الإلكترون الميكروية. وأصبح مساعدًا لمدير أبحاث الإلكترونيات عام 1959، ثم مديرًا لأبحاث أنظمة الإلكترونيات عام 1963. ومن عام 1971 إلى عام 1978، شغل منصب مدير أبحاث الإلكترونيات وأنظمة الحاسوب. ^{[ 3 ] [ 2 ]} وعلى مر السنين، كان مئات العلماء يتبعون له. ومن أشهر عاداته تعليق الهيكل التنظيمي مقلوبًا في مكتبه ليُذكّر نفسه بأن "أولئك الموجودين في أسفل الهيكل هم المهمون". ^{[ 1 ]}

خلال فترة عمله كمدير، تذكر كوجلنيك أنه خلال أزمة مالية عندما تعذر توقيع أوامر الشراء، قام كاتلر شخصيًا بتجميع مصدر طاقة يتم التحكم فيه بالتيار باستخدام أنابيب مفرغة قديمة على لوح خشبي كبير وسلمه إلى كوجلنيك، الذي كان في أمس الحاجة إليه لتشغيل الليزر. ^{[ 1 ]}

كما شغل كاتلر منصب محرر مجلة IEEE Spectrum (1966-1967) ورئيس مجلس جوائز IEEE (1975-1976). ^{[ 2 ]}

بعد مسيرة مهنية امتدت 42 عامًا في مختبرات بيل، تقاعد كاتلر عام 1979 ليصبح أستاذًا للفيزياء التطبيقية في جامعة ستانفورد ، حيث كان صديقه كالفن كويت يُدرّس أيضًا. والجدير بالذكر أنه نال هذه الأستاذية رغم عدم حصوله على أي شهادة دراسات عليا رسمية، ما يُعدّ دليلًا على السمعة الاستثنائية التي اكتسبها من خلال إسهاماته البحثية وانتخابه لعضوية الأكاديمية الوطنية للهندسة والأكاديمية الوطنية للعلوم. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وفي ستانفورد، واصل العمل على التصوير الصوتي . ^{[ 2 ]}

بينما كان كوات وطلابه يعملون على المجهر الصوتي ، اقترح كاتلر ترتيبًا متعدد الحزم باستخدام عدة عدسات خارج المحور موزعة على زاوية واسعة لتجاوز القيد الذي تفرضه الفتحة العددية الصغيرة للعدسة الواحدة. عملت الموجات الصغيرة المنبعثة من العدسات بشكل بنّاء لتشكيل حزمة متماسكة وفقًا لمبدأ هيغنز-فرينل . كان التحسن في جودة التصوير مذهلاً، وقدّم سول بوكسباوم، المدير التنفيذي آنذاك في مختبرات بيل، لكاتلر شهادة مؤطرة تُظهر صورًا للمجهر الصوتي قبل وبعد ابتكاره. ^{[ 1 ]}

كما شغل كاتلر منصب أستاذ زائر في جامعة كاليفورنيا، بيركلي في عام 1957، بدعوة من البروفيسور جون ر. وينري . ^{[ 1 ]}