扬名海外的中国科学家——物理学家、教育家吴有训

聂冷

【编者按】吴有训（1897—1977），字正之，江西高安人。物理学家和教育家，是中国近代物理学研究的开拓者和奠基人之一。1922年留学美国，在芝加哥大学师从康普顿教授进行X射线的散射研究，并以精辟的理论分析和精湛的实验技术，验证了康普顿效应的普遍性，从而享誉世界。回国后，从1928年至1945年在清华大学历任教授、物理系主任、理学院院长（抗日战争期间同时担任西南联大理学院院长）等职。新中国成立后，长期担任中国科学院副院长（1950——1977年），1955年选聘为中国科学院学部委员（院士），任数学物理学部主任，是一位杰出的科学研究事业的组织者。

1897年，在中国江西高安的一个普通农家诞生了一个孩子。他就是后来成为中国科学、教育界一代宗师的吴有训。

1923年，吴有训在美国芝加哥大学的奈尔森实验室里，用一把“打开微观世界之门的钥匙”，帮助他的导师——美国教授康普顿确立了在世界物理学史上具有里程碑意义的康普顿效应。康普顿因为发现康普顿效应于 1927年获得当年的诺贝尔物理学奖，其中包含着吴有训研究成果的学术专著，这是当时国际物理学界的必读书。吴有训因此成了第一个参加过诺贝尔奖科研项目的中国人和第一个被列名为各国物理学教科书或教学参考书中的中国现代科学家……。

正当在国外的研究前程似锦之际，吴有训又毅然回到祖国。在半个世纪的漫漫征途中，他和祖国母亲一起艰难跋涉，为民族的科教事业披肝沥胆，直至生命终止的前夜。

一、初识康普顿

芝加哥位于美国中部，是仅次于纽约的第二大城市，也是美国最重要的水陆空交通枢纽和经济中心之一。

芝加哥大学濒临港瀚的密执安湖，位于芝市东南第59街和伊利诺斯大路之间，是美国最著名的私立大学之一，也是最早与中国开展人员和学术交流的美国大学之一。她曾培养过诸如吴有训、周培源、叶笃正、陆志韦、杨振宁、李政道等一大批国际驰名的中国科学家和教育家。

吴有训于1922年1月初从上海浦东登上美国杰克逊总统号客轮。首先抵达美国西部港口城市西雅图，然后换乘火车，跨越大半个美国，最后到达芝加哥。

由于当时中国还没有建立学位制度，吴有训和他的中国同学，都必须在芝加哥大学插入四年级本科班先读一年本科，取得学士学位后，才能进研究学院攻读硕士和博士学位。吴有训在这里继续选修了德语为第二外国语。因未来的博士资格，规定必须有两门以上外国语阅读能力。

第一年的学士学位考试顺利通过。第二年进研究学院时，恰逢后来大名鼎鼎的A.H.康普顿教授新来芝大任教，并在该校的奈尔森实验室兼做研究。吴有训成了康普顿的研究生。

康普顿教授仅长吴有训5岁，生于俄亥俄州的伍斯特城，他曾读于伍斯特学院和普林斯顿大学。1916年获普林斯顿大学博士学位。1919年，他任教于密苏里州圣路易斯的华盛顿大学，着手进行 X射线的实验与研究工作。1923年，他来到芝加哥大学任物理学教授，并继续进行X射线的研究。他是带着一项以他自己的姓氏命名的初步研究成果——即康普顿效应来到芝加哥大学的。

康普顿于 1923年 5月以《X射线受轻元素散射的量子理论）为题，在美国《物理评论》上发表了他的这一理论，立即在全世界物理学界引起强烈反响。有人将这一发现称为现代物理学发展过程中的一个转折点。

但这项发现在当时虽然引起了广泛而强烈的反响，却没有立即获得广泛的承认。其主要原因就在于康普顿以往所作的实验证明还不够充分，理论上也还不十分完备。物理学界的大多数人，正抱着有兴趣的观望态度，等待着进一步的实验证据。而恰在此时，吴有训等一批研究生来到了康普顿的实验室，跟随这位有希望成就大作为的年轻导师进行研究工作。在美国，研究生有自己选择导师的自由。吴有训选择康普顿，是因为他认为康普顿的研究在物理学上具有开创性的意义，跟着他可以学到最新的知识。同时，也因为他受他的中国先生胡刚复的影响，对X射线问题特有兴趣。

“吴有训，我很高兴有一名中国学生跟随我研究，你知道这是为什么吗？”康普顿先生首次见到吴有训时，便给他来了一点幽默。

“这我知道，康普顿先生。因为中国学生素有尊师传统，他们不会跟老师抬杠扯皮，更不会背叛老师去自谋私利。”吴有训却很诚实认真地作了回答。

“不，不。我并不在乎中国的尊师传统。我要说的是，中国学生能清心寡欲，专心致志，刻苦耐劳。这对科学研究非常有利。”康普顿先生亲切地张开双臂，揽了吴有训的肩膀说，“我们还要作一些非常重要的实验。这些实验的结果可能证明康普顿效应的成立，也可能相反。但不管结果如何，对你来说都是有意义的，因为你可以借此增加知识，学会研究方法和实验技巧。作为研究生，这就足够了。当然，也不排除你们会直接取得重大成果，那，就是额外的丰收了！”

吴有训这时才真正感到现代物理学的大门已在他的面前轰然洞开；一个全新的世界正在向他招手。

二、导师的赏识

20世纪20年代初，作为弱国子民的中国留学生在美国的生活景况，今天的中国人也许很难想象。但只要想一想，那时的中国人即使在自己的国土上，都得受洋人的欺侮。那么，他们到了别人的国土上将会得到什么待遇，也就不难想见了。不要说基于民族传统，他们确乎具有一种特别能忍受清心寡欲生活的特点。但即使他们不想清心寡欲，美国社会又能提供给他们多少活得潇洒的机会呢？他们也清醒地认识到，中国人确实还没有获得享受闲情逸致的资格，他们必须发愤，或曰发狠，必须卧薪尝胆，努力奋争，否则，中国，连同他们自身，就永远也别想在世界面前挺直腰杆，并和世界一同欢笑。吴有训就是他们之中最清醒的、最有抱负的那一类青年中的一个。

最先崭露头角的，是最为刻苦勤奋的吴有训。按教程要求，研究生第一年只需熟练掌握所习领域的理论知识和基本实验方法就行，不必有研究成果。然而，这一年，吴有训不仅完成了教程要求的高深理论训练和初步实验练习，而且当即于1923年底牛刀小试，写出了第一篇关于康普顿效应的学术论文——《经方解石晶体反射后之X射线的吸收测量）。它实际上是一篇研究实验方法的论述，必须具有相当熟练的实验基础和专门理论知识才可能写得出来。对于一名一年级研究生来说，能够拿得出此等实验成果，已可算得是出手不凡。

“Very sood，吴有训，你的成果大大地超过了我的预料！”康普顿先生带着几分激动拍着吴有训的肩膀说，“你是一名非常优秀的科学工作者！”

后来，这篇论文发表在1924年10月出版的《美国自然科学会会刊》上。

吴有训的扎实的物理学理论功底和高超的实验才能，引起了康普顿的高度重视。自1924年起，吴有训已成为康普顿先生的最得力的助手和合作者。

现在，康普顿先生亟需吴有训去解决的问题是：他必须用一系列的实验结果，来证明康普顿效应及其量子散射理论，在任何情况之下都是经得起检验和挑战的稳立不倒的理论。因为不久前哈佛大学克鲁夫特实验室的杜安和克拉克教授却先在一篇论文中宣布，他们在一系列与康普顿的实验相似的实验中，“没能够检测到如最近康普顿在一个有趣的理论中所预言的那样的效应。”

杜安和克拉克的新理论，对康普顿效应构成了直接的威胁——他们所用的实验装置和实验方法与康普顿相同，而所得结果则不尽相同，理论解释和计算方法更是迎异，所以，双方必有一方对、一方错。

吴有训没有辜负康普顿的期望。自从接受任务开始，他每天坚持在实验室里工作十三四个小时，连吃饭也都是请实验室里的佣工送到工作台上草草了事。有时忘了吃饭时间，不知不觉中就省去了一顿也是常事。就这样，他在短短的一年内就用废了20多根X射线管，直磨练到一般美国同学需要调试两三个小时才能观测到的结果，他只要一分钟就能做到。

半年过去了。师徒二人密切合作，先后试验了银、硼、硅、硫等7种材料的 X光量子散射情况，得到了 7条良好的光谱曲线。实

验成功了。

就在这年夏末，康普顿先生兴致勃勃地带着他和吴有训联名撰写的新论文——《被轻元素散射时钼Ka线的波长》，来到加拿大多伦多，参加当年英国科学促进会在这里举行的一次国际学术会议，并在这里和哈佛大学的杜安教授重逢。他满以为这一次已有足够的证据说服杜安先生。谁料杜安先生却又出其不意地在这里提出了一个几乎是专门针对康普顿效应的否定性的新观点。

三、挑战杜安先生

原来，杜安先生在获知康普顿和吴有训的补充实验中，又获得了大量足以支持康普顿效应确立的消息后，对自己的实验结果为什么老是和康普顿的不同而百思不解。经详细了解后，他得知康普顿的实验是把散射材料样品放在一只包有铅皮的小木箱里进行的。而他自己则没有使用这种含有木质的箱子。于是，杜安先生在一只木箱的外部包上一层铅皮，箱子上留有一扇活门，活门可开可闭。然后在箱子里放人X射线管和散射样品。经观测，在开启或关闭活门的两种状态下，就出现了两种不同的光谱曲线。这个实验似乎足以表明，在使用木箱的情况下，即使仅仅开关一扇活门，就会使光谱发生变化，更别说移走木箱之后，谱线所发生的根本变化了。因此，照社安先生看来，很显然，康普顿以往所做的一切实验都是无效的，因而，他的理论自然是不能成立的。

康普顿当然不服，他在会上当众同杜安展开了激烈的论战。但令人失望的是，杜安教授的“箱子效应”理论以它强大的说服力，获得了大多数与会者的支持。

康普顿效应又一次面临夭折的危险。

“康普顿先生，我们中国有一句俗话，叫做‘好事多磨’。我看只要我们经得起多磨，事情就一定会好起来。”

康普顿先生很感激地拍了拍吴有训的肩膀，认真地问：“这么说，你是不怕‘多磨’的了？”

“没问题，康普顿先生。我深信您的理论具有无可怀疑的客观实在性，我一定会把满足一切条件的实验证据都给你找出来。”

第二天起，吴有训又沉进了他的实验室。

针对杜安先生的挑剔，吴有训把实验用的小木箱取掉，另外制作了一个不含有任何碳氧化合物的纯铅箱，再来继续他的实验。一连数月，他昼夜加班，又连续实验了8种新的散射材料，结果得到的8条谱线和过去实验所得的7种材料的散射情况完全一样。而这期间，康普顿还叫吴有训的同学贝尔登也用同样的方法实验了另一些材料，结果也一样，事实证明，所谓“箱子效应”纯属子虚乌有。而这一轮新的实验，不仅足以否定杜安的所谓“箱子效应”理论，而且使实验材料总共增加到了15种，在更大的广度上证明了康普顿效应的普遍性。

“嗯，好极了，吴有训。可是，你有没有信心到哈佛去一趟，就在那里用杜安他们的装置重复一下我们的实验，让他们亲眼看一遍，并同时指出他们的错误发生在什么地方？”康普顿掂着吴有训交上的那幅良好的谱线图，不无顾虑地问。他之所以有所顾虑，是因为他自己曾经去挑过杜安的毛病而没有挑着，现在叫吴有训去，自然不会是一件轻松的差事。

然而，吴有训却毫不犹豫地回答说：“您该相信，康普顿先生，我有充分的把握做到这一点。”

不日，吴有训到达哈佛，第一回拜会了杜安先生。杜安先生听说他是胡刚复的学生，非常高兴。实验马上开始。吴有训首先观看了杜安先生的助手阿姆斯强尼的操作，当即就指出了他的调整方法中有一处极其细微的不当，而偏偏就是这点差之毫厘的失当，却使得结果谬之千里。然后，他接过器械三调两调，很快便找到了欧普顿效应所预期的散射光波长变化，而一切与之无关的现象全都消逝无踪。杜安先生亲眼观测了吴有训一连使用5种散射材料调出的效果，终于不得不叹服：“啊！康普顿好运气，他的新发现说不定要获诺贝尔奖金。年轻人，是你救了康普顿效应，救了真理。胡刚复真了不起，才回中国几年，就教出了你这么优秀的学生。我要祝贺你，祝贺康普顿。请你转告康普顿先生，他胜利了。我向他投降。现在，他的理论可以征服整个物理学界！”

四、‘毕竟我是中国人”

转眼已是1925年，由于师徒二人的共同努力，“康普顿效应”在大量扎实有力的新证据支持下，已获得国际物理学界的普遍承认。但还有一些重要的相关问题需要研究。

这年5月25日，吴有训顺利通过了博士学位考试；6月16日，芝加哥大学授予他哲学博士学位，留校任物理系助教。康普顿教授决定放手让他独自领衔，就康普顿效应中的那些尚待解决的相关问题继续进行研究。

这是吴有训独立冲上国际物理学研究的前沿阵地的第一步。

当时的美国大学助教，月薪为120美元（估计购买力约相当于现在的1200美元），待遇不算高，但吴有训的心里充满着喜悦。当然不仅仅是冲着一顶博士桂冠和一个助教的职位。最重要的是康普顿给了他“单飞”的自由。

他选定的研究课题是，康普顿效应中人射与散射线之间的强度比率和能量分布问题。

为了证实这个推论，吴有训选择原子量很低（即电子束缚能很小）的金属锂作散射材料，作了进一步的实验观测。结果表明，无论在何种散射角度之下，都只有散射线出现，而人射线则完全消逝。

吴有训的这项研究成果，使康普顿教授欣喜若狂。因为它已最终解决了康普顿效应中，当时还使人不够明确的最后几个重大问题，不仅使他的量子散射理论达到了非常圆满和完善的程度。而且，他还为康普顿效应的广泛应用开辟了通道。

吴有训研究的成果，理所当然地一开始就得到了国际、尤其是美国物理学界的高度重视。1925年11月，美国物理学会第135届会议就在芝加哥大学的赖尔森实验室召开。会上宣读或交流的论文共计60余篇。吴有训的论文被安排在大会第一位宣读。美国《物理评论》杂志又将这篇论文收入下期列在首篇发表。1926年 6月，美国物理学会第 140届会议在加利福尼亚的奥克兰市举行，吴有训一人提交的3篇论文全部被列入大会宣读的总共15篇论文之中，美国《物理评论》杂志又把它们全部收在一期内同时发表。当年7月，美国原子分子学会吸收他为会员。

29岁的吴有训，终于以他出色的聪明才智以及康普顿先生所谓的“清心寡欲，专心致志和刻苦耐劳”精神，为一向被西方世界视为愚昧赢弱的中国人很好地争了一口气，使世界看到了一代中国物理学家的智慧的闪光。

公元1926年7月15日，康普顿先生正在他的家庭晚宴上祝贺吴有训加入美国原子分子学会，吴有训却举着酒杯，微微笑着，说出了一句颇使康普顿感到意外的话：

“我在美国的研习时间已到期，我该回国服务了。”吴有训平静地说。

“回中国？你回国以后能做什么？中国没有研究条件，你的学术生命将会枯萎。最终，你将一无所获。那时你将会发现，还不如留在国外为中国人在国际上争点面子更有意义。”康普顿先生执意挽留说。

“非常感谢，康普顿先生，这些我都想过。不过，中国的问题绝不是在国外拥有一两位拔尖的科学人才就能解决的，也还不是靠我这一代人所能解决的。中国现在还是一片荒地，需要用科学和民主的犁去耕种。”。

“嗯——吴有训，要是别人，我就不说了。但是，像你这样的人才，我却不能不跟你说，你留在美国，不，去欧洲也行，将会有很好的学术前景。你要是想换换研究领域和环境，我可以介绍你到许多地方去。你已在国际物理学界有一定知名度，许多研究室都会欢迎你的。”康普顿诚恳地说。

“谢谢您的好意，康普顿先生。可是，我毕竟是个中国人！我回国，肯定主要是教书。我不久就会陆续选送很多很多的学生来。中国必须有了千千万万了解世界、懂得科学的人才，然后方可以谈得上进步。就为了这个，我不得不作出某种牺牲。”吴有训解释说。

“哦——既然是这样，那我就必定得准备为你送行了。好吧，祝你好运！祝中国好运！”

康普顿全家一齐向吴有训举起了酒杯。

1997年，在吴有训诞辰百年之际，中国科学界举行了隆重的纪念活动；1999年，吴有训纪念馆在吴有训的家乡江西高安落成。同年，中国青年出版社出版了长篇人物传记《吴有训传》。这里，由孙建和缩编了其中“扬名海外”一章。