揚名海外的中國科學家——物理學家、教育家吳有訓

聶冷

【編者按】吳有訓（1897—1977），字正之，江西高安人。物理學家和教育家，是中國近代物理學研究的開拓者和奠基人之一。1922年留學美國，在芝加哥大學師從康普頓教授進行X射線的散射研究，並以精闢的理論分析和精湛的實驗技術，驗證了康普頓效應的普遍性，從而享譽世界。回國後，從1928年至1945年在清華大學歷任教授、物理系主任、理學院院長（抗日戰爭期間同時擔任西南聯大理學院院長）等職。新中國成立後，長期擔任中國科學院副院長（1950——1977年），1955年選聘為中國科學院學部委員（院士），任數學物理學部主任，是一位傑出的科學研究事業的組織者。

1897年，在中國江西高安的一個普通農家誕生了一個孩子。他就是後來成為中國科學、教育界一代宗師的吳有訓。

1923年，吳有訓在美國芝加哥大學的奈爾森實驗室里，用一把“打開微觀世界之門的鑰匙”，幫助他的導師——美國教授康普頓確立了在世界物理學史上具有里程碑意義的康普頓效應。康普頓因為發現康普頓效應於 1927年獲得當年的諾貝爾物理學獎，其中包含着吳有訓研究成果的學術專著，這是當時國際物理學界的必讀書。吳有訓因此成了第一個參加過諾貝爾獎科研項目的中國人和第一個被列名為各國物理學教科書或教學參考書中的中國現代科學家……。

正當在國外的研究前程似錦之際，吳有訓又毅然回到祖國。在半個世紀的漫漫征途中，他和祖國母親一起艱難跋涉，為民族的科教事業披肝瀝膽，直至生命終止的前夜。

一、初識康普頓

芝加哥位於美國中部，是僅次於紐約的第二大城市，也是美國最重要的水陸空交通樞紐和經濟中心之一。

芝加哥大學瀕臨港瀚的密執安湖，位於芝市東南第59街和伊利諾斯大路之間，是美國最著名的私立大學之一，也是最早與中國開展人員和學術交流的美國大學之一。她曾培養過諸如吳有訓、周培源、葉篤正、陸志韋、楊振寧、李政道等一大批國際馳名的中國科學家和教育家。

吳有訓於1922年1月初從上海浦東登上美國傑克遜總統號客輪。首先抵達美國西部港口城市西雅圖，然後換乘火車，跨越大半個美國，最後到達芝加哥。

由於當時中國還沒有建立學位制度，吳有訓和他的中國同學，都必須在芝加哥大學插入四年級本科班先讀一年本科，取得學士學位後，才能進研究學院攻讀碩士和博士學位。吳有訓在這裡繼續選修了德語為第二外國語。因未來的博士資格，規定必須有兩門以上外國語閱讀能力。

第一年的學士學位考試順利通過。第二年進研究學院時，恰逢後來大名鼎鼎的A.H.康普頓教授新來芝大任教，並在該校的奈爾森實驗室兼做研究。吳有訓成了康普頓的研究生。

康普頓教授僅長吳有訓5歲，生於俄亥俄州的伍斯特城，他曾讀於伍斯特學院和普林斯頓大學。1916年獲普林斯頓大學博士學位。1919年，他任教於密蘇里州聖路易斯的華盛頓大學，着手進行 X射線的實驗與研究工作。1923年，他來到芝加哥大學任物理學教授，並繼續進行X射線的研究。他是帶着一項以他自己的姓氏命名的初步研究成果——即康普頓效應來到芝加哥大學的。

康普頓於 1923年 5月以《X射線受輕元素散射的量子理論）為題，在美國《物理評論》上發表了他的這一理論，立即在全世界物理學界引起強烈反響。有人將這一發現稱為現代物理學發展過程中的一個轉折點。

但這項發現在當時雖然引起了廣泛而強烈的反響，卻沒有立即獲得廣泛的承認。其主要原因就在於康普頓以往所作的實驗證明還不夠充分，理論上也還不十分完備。物理學界的大多數人，正抱着有興趣的觀望態度，等待着進一步的實驗證據。而恰在此時，吳有訓等一批研究生來到了康普頓的實驗室，跟隨這位有希望成就大作為的年輕導師進行研究工作。在美國，研究生有自己選擇導師的自由。吳有訓選擇康普頓，是因為他認為康普頓的研究在物理學上具有開創性的意義，跟着他可以學到最新的知識。同時，也因為他受他的中國先生胡剛復的影響，對X射線問題特有興趣。

“吳有訓，我很高興有一名中國學生跟隨我研究，你知道這是為什麼嗎？”康普頓先生首次見到吳有訓時，便給他來了一點幽默。

“這我知道，康普頓先生。因為中國學生素有尊師傳統，他們不會跟老師抬槓扯皮，更不會背叛老師去自謀私利。”吳有訓卻很誠實認真地作了回答。

“不，不。我並不在乎中國的尊師傳統。我要說的是，中國學生能清心寡欲，專心致志，刻苦耐勞。這對科學研究非常有利。”康普頓先生親切地張開雙臂，攬了吳有訓的肩膀說，“我們還要作一些非常重要的實驗。這些實驗的結果可能證明康普頓效應的成立，也可能相反。但不管結果如何，對你來說都是有意義的，因為你可以藉此增加知識，學會研究方法和實驗技巧。作為研究生，這就足夠了。當然，也不排除你們會直接取得重大成果，那，就是額外的豐收了！”

吳有訓這時才真正感到現代物理學的大門已在他的面前轟然洞開；一個全新的世界正在向他招手。

二、導師的賞識

20世紀20年代初，作為弱國子民的中國留學生在美國的生活景況，今天的中國人也許很難想象。但只要想一想，那時的中國人即使在自己的國土上，都得受洋人的欺侮。那麼，他們到了別人的國土上將會得到什麼待遇，也就不難想見了。不要說基於民族傳統，他們確乎具有一種特別能忍受清心寡欲生活的特點。但即使他們不想清心寡欲，美國社會又能提供給他們多少活得瀟灑的機會呢？他們也清醒地認識到，中國人確實還沒有獲得享受閒情逸緻的資格，他們必須發憤，或曰發狠，必須臥薪嘗膽，努力奮爭，否則，中國，連同他們自身，就永遠也別想在世界面前挺直腰杆，並和世界一同歡笑。吳有訓就是他們之中最清醒的、最有抱負的那一類青年中的一個。

最先嶄露頭角的，是最為刻苦勤奮的吳有訓。按教程要求，研究生第一年只需熟練掌握所習領域的理論知識和基本實驗方法就行，不必有研究成果。然而，這一年，吳有訓不僅完成了教程要求的高深理論訓練和初步實驗練習，而且當即於1923年底牛刀小試，寫出了第一篇關於康普頓效應的學術論文——《經方解石晶體反射後之X射線的吸收測量）。它實際上是一篇研究實驗方法的論述，必須具有相當熟練的實驗基礎和專門理論知識才可能寫得出來。對於一名一年級研究生來說，能夠拿得出此等實驗成果，已可算得是出手不凡。

“Very sood，吳有訓，你的成果大大地超過了我的預料！”康普頓先生帶着幾分激動拍着吳有訓的肩膀說，“你是一名非常優秀的科學工作者！”

後來，這篇論文發表在1924年10月出版的《美國自然科學會會刊》上。

吳有訓的紮實的物理學理論功底和高超的實驗才能，引起了康普頓的高度重視。自1924年起，吳有訓已成為康普頓先生的最得力的助手和合作者。

現在，康普頓先生亟需吳有訓去解決的問題是：他必須用一系列的實驗結果，來證明康普頓效應及其量子散射理論，在任何情況之下都是經得起檢驗和挑戰的穩立不倒的理論。因為不久前哈佛大學克魯夫特實驗室的杜安和克拉克教授卻先在一篇論文中宣布，他們在一系列與康普頓的實驗相似的實驗中，“沒能夠檢測到如最近康普頓在一個有趣的理論中所預言的那樣的效應。”

杜安和克拉克的新理論，對康普頓效應構成了直接的威脅——他們所用的實驗裝置和實驗方法與康普頓相同，而所得結果則不盡相同，理論解釋和計算方法更是迎異，所以，雙方必有一方對、一方錯。

吳有訓沒有辜負康普頓的期望。自從接受任務開始，他每天堅持在實驗室里工作十三四個小時，連吃飯也都是請實驗室里的傭工送到工作檯上草草了事。有時忘了吃飯時間，不知不覺中就省去了一頓也是常事。就這樣，他在短短的一年內就用廢了20多根X射線管，直磨練到一般美國同學需要調試兩三個小時才能觀測到的結果，他只要一分鐘就能做到。

半年過去了。師徒二人密切合作，先後試驗了銀、硼、硅、硫等7種材料的 X光量子散射情況，得到了 7條良好的光譜曲線。實

驗成功了。

就在這年夏末，康普頓先生興致勃勃地帶着他和吳有訓聯名撰寫的新論文——《被輕元素散射時鉬Ka線的波長》，來到加拿大多倫多，參加當年英國科學促進會在這裡舉行的一次國際學術會議，並在這裡和哈佛大學的杜安教授重逢。他滿以為這一次已有足夠的證據說服杜安先生。誰料杜安先生卻又出其不意地在這裡提出了一個幾乎是專門針對康普頓效應的否定性的新觀點。

三、挑戰杜安先生

原來，杜安先生在獲知康普頓和吳有訓的補充實驗中，又獲得了大量足以支持康普頓效應確立的消息後，對自己的實驗結果為什麼老是和康普頓的不同而百思不解。經詳細了解後，他得知康普頓的實驗是把散射材料樣品放在一隻包有鉛皮的小木箱裡進行的。而他自己則沒有使用這種含有木質的箱子。於是，杜安先生在一隻木箱的外部包上一層鉛皮，箱子上留有一扇活門，活門可開可閉。然後在箱子裡放人X射線管和散射樣品。經觀測，在開啟或關閉活門的兩種狀態下，就出現了兩種不同的光譜曲線。這個實驗似乎足以表明，在使用木箱的情況下，即使僅僅開關一扇活門，就會使光譜發生變化，更別說移走木箱之後，譜線所發生的根本變化了。因此，照社安先生看來，很顯然，康普頓以往所做的一切實驗都是無效的，因而，他的理論自然是不能成立的。

康普頓當然不服，他在會上當眾同杜安展開了激烈的論戰。但令人失望的是，杜安教授的“箱子效應”理論以它強大的說服力，獲得了大多數與會者的支持。

康普頓效應又一次面臨夭折的危險。

“康普頓先生，我們中國有一句俗話，叫做‘好事多磨’。我看只要我們經得起多磨，事情就一定會好起來。”

康普頓先生很感激地拍了拍吳有訓的肩膀，認真地問：“這麼說，你是不怕‘多磨’的了？”

“沒問題，康普頓先生。我深信您的理論具有無可懷疑的客觀實在性，我一定會把滿足一切條件的實驗證據都給你找出來。”

第二天起，吳有訓又沉進了他的實驗室。

針對杜安先生的挑剔，吳有訓把實驗用的小木箱取掉，另外製作了一個不含有任何碳氧化合物的純鉛箱，再來繼續他的實驗。一連數月，他晝夜加班，又連續實驗了8種新的散射材料，結果得到的8條譜線和過去實驗所得的7種材料的散射情況完全一樣。而這期間，康普頓還叫吳有訓的同學貝爾登也用同樣的方法實驗了另一些材料，結果也一樣，事實證明，所謂“箱子效應”純屬子虛烏有。而這一輪新的實驗，不僅足以否定杜安的所謂“箱子效應”理論，而且使實驗材料總共增加到了15種，在更大的廣度上證明了康普頓效應的普遍性。

“嗯，好極了，吳有訓。可是，你有沒有信心到哈佛去一趟，就在那裡用杜安他們的裝置重複一下我們的實驗，讓他們親眼看一遍，並同時指出他們的錯誤發生在什麼地方？”康普頓掂着吳有訓交上的那幅良好的譜線圖，不無顧慮地問。他之所以有所顧慮，是因為他自己曾經去挑過杜安的毛病而沒有挑着，現在叫吳有訓去，自然不會是一件輕鬆的差事。

然而，吳有訓卻毫不猶豫地回答說：“您該相信，康普頓先生，我有充分的把握做到這一點。”

不日，吳有訓到達哈佛，第一回拜會了杜安先生。杜安先生聽說他是胡剛復的學生，非常高興。實驗馬上開始。吳有訓首先觀看了杜安先生的助手阿姆斯強尼的操作，當即就指出了他的調整方法中有一處極其細微的不當，而偏偏就是這點差之毫厘的失當，卻使得結果謬之千里。然後，他接過器械三調兩調，很快便找到了歐普頓效應所預期的散射光波長變化，而一切與之無關的現象全都消逝無蹤。杜安先生親眼觀測了吳有訓一連使用5種散射材料調出的效果，終於不得不嘆服：“啊！康普頓好運氣，他的新發現說不定要獲諾貝爾獎金。年輕人，是你救了康普頓效應，救了真理。胡剛復真了不起，才回中國幾年，就教出了你這麼優秀的學生。我要祝賀你，祝賀康普頓。請你轉告康普頓先生，他勝利了。我向他投降。現在，他的理論可以征服整個物理學界！”

四、‘畢竟我是中國人”

轉眼已是1925年，由於師徒二人的共同努力，“康普頓效應”在大量紮實有力的新證據支持下，已獲得國際物理學界的普遍承認。但還有一些重要的相關問題需要研究。

這年5月25日，吳有訓順利通過了博士學位考試；6月16日，芝加哥大學授予他哲學博士學位，留校任物理系助教。康普頓教授決定放手讓他獨自領銜，就康普頓效應中的那些尚待解決的相關問題繼續進行研究。

這是吳有訓獨立衝上國際物理學研究的前沿陣地的第一步。

當時的美國大學助教，月薪為120美元（估計購買力約相當於現在的1200美元），待遇不算高，但吳有訓的心裡充滿着喜悅。當然不僅僅是衝着一頂博士桂冠和一個助教的職位。最重要的是康普頓給了他“單飛”的自由。

他選定的研究課題是，康普頓效應中人射與散射線之間的強度比率和能量分布問題。

為了證實這個推論，吳有訓選擇原子量很低（即電子束縛能很小）的金屬鋰作散射材料，作了進一步的實驗觀測。結果表明，無論在何種散射角度之下，都只有散射線出現，而人射線則完全消逝。

吳有訓的這項研究成果，使康普頓教授欣喜若狂。因為它已最終解決了康普頓效應中，當時還使人不夠明確的最後幾個重大問題，不僅使他的量子散射理論達到了非常圓滿和完善的程度。而且，他還為康普頓效應的廣泛應用開闢了通道。

吳有訓研究的成果，理所當然地一開始就得到了國際、尤其是美國物理學界的高度重視。1925年11月，美國物理學會第135屆會議就在芝加哥大學的賴爾森實驗室召開。會上宣讀或交流的論文共計60餘篇。吳有訓的論文被安排在大會第一位宣讀。美國《物理評論》雜誌又將這篇論文收入下期列在首篇發表。1926年 6月，美國物理學會第 140屆會議在加利福尼亞的奧克蘭市舉行，吳有訓一人提交的3篇論文全部被列入大會宣讀的總共15篇論文之中，美國《物理評論》雜誌又把它們全部收在一期內同時發表。當年7月，美國原子分子學會吸收他為會員。

29歲的吳有訓，終於以他出色的聰明才智以及康普頓先生所謂的“清心寡欲，專心致志和刻苦耐勞”精神，為一向被西方世界視為愚昧贏弱的中國人很好地爭了一口氣，使世界看到了一代中國物理學家的智慧的閃光。

公元1926年7月15日，康普頓先生正在他的家庭晚宴上祝賀吳有訓加入美國原子分子學會，吳有訓卻舉着酒杯，微微笑着，說出了一句頗使康普頓感到意外的話：

“我在美國的研習時間已到期，我該回國服務了。”吳有訓平靜地說。

“回中國？你回國以後能做什麼？中國沒有研究條件，你的學術生命將會枯萎。最終，你將一無所獲。那時你將會發現，還不如留在國外為中國人在國際上爭點面子更有意義。”康普頓先生執意挽留說。

“非常感謝，康普頓先生，這些我都想過。不過，中國的問題絕不是在國外擁有一兩位拔尖的科學人才就能解決的，也還不是靠我這一代人所能解決的。中國現在還是一片荒地，需要用科學和民主的犁去耕種。”。

“嗯——吳有訓，要是別人，我就不說了。但是，像你這樣的人才，我卻不能不跟你說，你留在美國，不，去歐洲也行，將會有很好的學術前景。你要是想換換研究領域和環境，我可以介紹你到許多地方去。你已在國際物理學界有一定知名度，許多研究室都會歡迎你的。”康普頓誠懇地說。

“謝謝您的好意，康普頓先生。可是，我畢竟是個中國人！我回國，肯定主要是教書。我不久就會陸續選送很多很多的學生來。中國必須有了千千萬萬了解世界、懂得科學的人才，然後方可以談得上進步。就為了這個，我不得不作出某種犧牲。”吳有訓解釋說。

“哦——既然是這樣，那我就必定得準備為你送行了。好吧，祝你好運！祝中國好運！”

康普頓全家一齊向吳有訓舉起了酒杯。

1997年，在吳有訓誕辰百年之際，中國科學界舉行了隆重的紀念活動；1999年，吳有訓紀念館在吳有訓的家鄉江西高安落成。同年，中國青年出版社出版了長篇人物傳記《吳有訓傳》。這裡，由孫建和縮編了其中“揚名海外”一章。