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第5章 吴有训验证“康普顿效应”

吴有训(1897—1977)江西省高安人。著名物理学家、教育家。解放前,任中央大学校长,解放后任中国科学院副院长等职务。

1921年秋,24岁的吴有训以优异的成绩毕业于南京高等师范学校。1922年12月,吴有训来到美国芝加哥大学攻读物理学博士学位。他非常幸运,导师竟然是世界一流的物理学家、卓越不凡的康普顿教授。康普顿教授由于提出了:电子以及其它基本粒子的“康普顿波长”概念而名噪一时。刚到芝加哥时,康普顿那独特的教学方法,吴有训很难适应。一年后,吴有训完全适应了芝加哥大学研究生的学习生活,并且已不满足于掌握课堂上、书本里的知识,他勇敢地开始向当时世界物理学的尖端冲刺,对导师康普顿教授正在研究的X射线散射现象发生了浓厚的兴趣。因为吴有训已经掂量出导师的这项研究的意义,比爱因斯坦用光子、光量子成功地解释光电效应意义更加重大。所以对康普顿教授发现的每一点研究成果,吴有训在完成自己的课程之外,都尽力亲自用物理实验去加以证实。结果,有的无懈可击,有的不尽完整,他都一一做了详细记录。

一次,康普顿教授作了《关于X射线散射现象分析》的讲学,(即后来被学术界承认的“康普顿效应”),两个半小时的讲学结束后,教授情真意切地征求大家的意见,顿时大教室内外寂静一片。有谁能对这世界上第一流的物理研究成果提出异议呢?就在这庄严的时刻,吴有训从第五排的座位上站了起来,他从容不迫地说:“对于康普顿教授目前的实验结果,是令人信服的,……由于康普顿教授研究的课题太重要了,必然引起许多人的注目,其中就包括我在内。我用业余时间做了一些实验,有些结果与教授的结论略有差别,现在提出来或许可供教授参考。一是关于X射线散射的强度问题,二是X射线散射后的光谱图问题……”接着,吴有训将自己的实验经过、结果,以及对于整个实验的估价作了详尽的分析,全场给以热烈的掌声。康普顿教授兴奋地走到吴有训的座位前,紧紧握着他的双手,并邀请他当晚到家中作客,康普顿把自己多年研究成果的论文以及实验记录送给吴有训看,他对这个来自东方黄土地上的年轻人太欣赏了。

从1922年3月到1924年7月,吴有训亲手做了120余次物理实验,整理了近百万字的笔记。通过这一系列研究和实验,他在可以充分证明康普顿效应中发现,康普顿效应很可能成为量子物理学的核心,同时也意味着,一个划时代的世界创举即将诞生。经过耐心细微的工作,吴有训用X射线散射元素测试粒子动量的愿望,终于获得成功。并且由三种、五种、七种元素的散射;向第十五种元素冲刺时,他病倒在实验室里了。

躺在医院的病床上,吴有训说着胡话,胡话的所有内容都跟X射线的实验有关。从医院出来后,吴有训马上投入了X射线散射的研究工作。他仅用了三个月就创造出一张被十五种元素所散射的X射线光谱图。这张光谱图将作为康普顿证实其理论的主要依据。后来,这张图也被吴有训纳入了自己的博士论文《论康普顿效应》之中。

1925年年初,康昔顿教授在美国哈佛大学的讲台上,满怀信心地公布了他的研究成果:“关于X射线散射光谱的实验结果。”消息传出,轰动美国和全世界,然而,事情并非一帆风顺。哈佛大学、也是现代世界上著名的实验物理学家P·W·布里基曼教授,以自己那细致、慎重的态度,依据“康普顿效应”的物理原理,不厌其烦地亲手做了这一实验,出人意外的是,竟然没有能够重复康普顿教授的效果。于是,布里基曼教授毫不迟疑地在讲台上向大家介绍了这一情况。由于哈佛大学以及布里基曼教授的盛名,人们不能不对“康普顿效应”这一重大发现表示怀疑。一时间,非议和指责传遍哈佛、芝加哥,全美国,乃至全世界。事情传到了吴有训的耳朵里,他万分焦急,但他仍然坚信康普顿教授是世界第一流的物理学家。想到这里,他急忙走进实验室,再一次查对了所有数据,又亲手做了三次实验,结果丝毫无错。吴有训连晚饭也顾不得吃,当夜就乘飞机赶到了哈佛。

第二天下午,哈佛大学的大教室里坐满了来自世界各国的物理学家、学者和教授。他们要听听康普顿的得意门生吴有训的补充讲演和实验结果,看看这个年轻人有什么高见。年仅27岁的吴有训第一次登临世界讲台,他不慌不忙,风度潇洒。他终于用他那无可辩驳的补充讲演、流畅生动的英语口才以及当场所表演的物理实验,博得了全场热烈而经久不息的掌声。台下的康普顿教授流下了激动的泪水。原来持怀疑态度的布里基曼教授走了过来,紧紧握着吴有训的手,说:“吴先生,我很信服你的实验,我要说你不愧是一位物理实验大师”。吴有训终于用自己那艰苦的实验与严格的计算、分析和整理工作,充分证实了康普顿的X射线量子散射理论——“康普顿效应”。

“康普顿效应”这一伟大的发现,无论在理论和实践上,都有着极其深远的意义。康普顿因发现“康普顿效应”获得了举世瞩目的诺贝尔物理学奖。

中国留学生吴有训的《论康普顿效应》博士论文,也轰动了全世界,为我们伟大祖国赢得了极高声誉。至今,这篇论文仍保存在芝加哥大学的图书馆里,成为世界物理学史上光辉的一页。

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