“康普頓—吳有訓(xùn)效應(yīng)”

光學(xué)是一門擁有悠久歷史的學(xué)科，在西方對于光學(xué)的研究可以追溯到公元前歐幾里得所著的《反射光學(xué)》。而縱觀諾貝爾物理學(xué)獎的百年頒獎歷史，與光學(xué)直接或者間接相關(guān)的獲獎成果就有45項，占物理學(xué)獎約41%。其中對于光學(xué)的研究大多集中在光的相干性、量子性和非線性這三個范疇。1927年，阿瑟·霍·康普頓憑借“康普頓效應(yīng)”獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，他的研究對量子力學(xué)的發(fā)展影響深遠(yuǎn)。

康普頓效應(yīng)

1892年9月10日，康普頓出生在俄亥俄州伍斯特的一個高級知識分子家庭，父親曾任伍斯特學(xué)院哲學(xué)教授兼院長，大哥是普林斯頓大學(xué)物理系主任，后來成為了麻省理工學(xué)院院長。也許是因為康普頓從小與大哥關(guān)系親密，所以大哥成為了康普頓科學(xué)道路的引路人。

康普頓走上科學(xué)家的道路是從研究X射線開始的。他早在大學(xué)時期的畢業(yè)論文中，就提出了一個新的理論見解，其大意是：在晶體中X射線衍射的強(qiáng)度是與該晶體所含的原子中的電子分布有關(guān)。

1923年5月，31歲的康普頓在《物理評論》雜志上以《X射線受輕元素散射的量子理論》為題，發(fā)表了他所發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，并用光量子假說對其進(jìn)行了解釋。他在文中這樣寫道：“從量子論的觀點看，可以假設(shè)：任一特殊的X射線量子不是被輻射器中所有電子散射，而是把它的全部能量耗于某個特殊的電子，這電子轉(zhuǎn)過來又將射線向某一特殊的方向散射，這個方向與入射束成某個角度。輻射量子路徑的彎折引起動量發(fā)生變化。結(jié)果，散射電子以一等于X射線動量變化的動量反沖。散射射線的能量等于入射射線的能量減去散射電子反沖的動能。由于散射射線應(yīng)是一完整的量子，其頻率也將和能量同比例地減小。因此，根據(jù)量子理論，我們可以期待散射射線的波長比入射射線大”，而“散射輻射的強(qiáng)度在原始X射線的前進(jìn)方向要比反方向大，正如實驗測得的那樣?！?/p>

這一簡單的推理對于現(xiàn)代物理學(xué)家來說早已成為常識。可是，在那個年代人們對于經(jīng)典物理概念根深蒂固，加之康普頓的實驗證據(jù)尚不完備，所以康普頓效應(yīng)的提出遭到了人們的諸多質(zhì)疑。

為了獲得全面的實驗證據(jù)，康普頓在芝加哥大學(xué)的奈爾森物理實驗室開展了深入的研究，其中來自中國的研究生吳有訓(xùn)以高超的實驗技術(shù)、細(xì)致的工作，為證實康普頓效應(yīng)做出了重要的貢獻(xiàn)。

吳有訓(xùn)留學(xué)到芝加哥大學(xué)后，對導(dǎo)師康普頓所研究的X射線散射現(xiàn)象產(chǎn)生了濃厚的興趣。他認(rèn)為“X射線的散射研究將證實，光的顆粒性所起的作用不僅是光子的能量，而且還有它的動量。這樣一來，光子的粒子資格，便以更明顯的形式被確定下來。這將意味著人類對于核物理及高能物理的深入研究，將會發(fā)生劃時代的重大變化。”

吳有訓(xùn)在康普頓的指導(dǎo)下，先用7種物質(zhì)作X射線散射材料，結(jié)果都與康普頓的實驗效應(yīng)一致，由此證實了康普頓效應(yīng)的普適性。后來吳有訓(xùn)又增加了8種物質(zhì)，這15種物質(zhì)都無一不證明了康普頓效應(yīng)的普遍性。

1924年9月，康普頓和吳有訓(xùn)合著的第一篇論文《經(jīng)過輕元素散射后的鉬Kd射線的波長》發(fā)表。隨后，吳有訓(xùn)突破了好幾項實驗難題，單獨發(fā)表了兩篇論文《變線與不變線的能量分布》《變線與不變線的能量比率》，這些實驗結(jié)果都證實了康普頓效應(yīng)的客觀存在。而吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)最突出的貢獻(xiàn)在于測定了X射線散射中變線、不變線的強(qiáng)度比率R隨散射物原子序數(shù)變化的曲線，證實并發(fā)展了康普頓的量子散射理論。

借此，康普頓效應(yīng)終于獲得了舉世公認(rèn)。世界諾貝爾獎評選委員會因此將其列入了下一屆物理獎的名單并希望康普頓寫下這一創(chuàng)舉的過程、價值以及獲得候選人的名單。此時，榮譽(yù)加身的康普頓并沒有忘記吳有訓(xùn)，他想將吳有訓(xùn)的名字也加入其中，但被吳有訓(xùn)拒絕了，吳有訓(xùn)的理由是“如果沒有我，教授，您的研究和實驗同樣會有飛快的進(jìn)展。我認(rèn)為，一個偉大真理的誕生，是任何艱難險阻也抵擋不住的。我想，這應(yīng)該是人類進(jìn)步、科學(xué)事業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律?！?/p>

1926年，康普頓在其出版的《X射線的理論與實驗》一書中，對吳有訓(xùn)的工作給予了高度評價，全書有19處運用了吳有訓(xùn)的研究成果。特別令人感動的是，康普頓認(rèn)為，“康普頓效應(yīng)”可以稱為“康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)”。

教授與正之

“正之，現(xiàn)在你們的國家很窮，又是連年戰(zhàn)爭，沒有搞科學(xué)實驗的條件，像你這樣的實驗科學(xué)家，回去了，施展不了自己的才華，還是留在這里吧，繼續(xù)當(dāng)我的助手，我將給予你優(yōu)厚的條件。”

一個星期后，吳有訓(xùn)（字正之）終于將自己回國的決定告訴了康普頓?？灯疹D為此惋惜不已。

在以后的日子里，康普頓一直對這位來自大洋彼岸的學(xué)生念念不忘，他常向人們夸贊吳有訓(xùn)的獨到見解與實驗才能。“1961年12月，70歲的康普頓聽說吳有訓(xùn)的學(xué)生楊振寧要返回中國探親，便找到楊振寧，希望他能代為問候吳有訓(xùn)，次年1月，楊振寧回到中國，將自己寫的書贈予吳有訓(xùn)，書的扉頁上題詞道：‘年前晤霍·康普頓教授，他問我?guī)熃鼪r如何，并謂我?guī)熓且簧凶畹靡獾膶W(xué)生?！?/p>

康普頓比吳有訓(xùn)大5歲，儀表堂堂，和藹可親。康普頓到芝加哥大學(xué)任教是在吳有訓(xùn)入學(xué)的第二年。

康普頓授課的頭一年，吳有訓(xùn)對這位老師的教學(xué)方法非常不適應(yīng)。康普頓教學(xué)過程中跳躍性大，中間留下了大片“空間地帶”，需要吳有訓(xùn)費很大力氣才能理解。

通過一年的努力，吳有訓(xùn)逐漸適應(yīng)了這種跳躍式的教學(xué)方式。同時，他利用自己的業(yè)余時間對導(dǎo)師的研究成果進(jìn)行驗證，以期更好地向?qū)煂W(xué)習(xí)。

一次，康普頓要在學(xué)校進(jìn)行講學(xué)活動。他演講的題目是《關(guān)于X射線散射現(xiàn)象分析》。當(dāng)康普頓用兩個半小時講完自己的研究成果后，他微笑著強(qiáng)調(diào)說：“請各位注意，我的實驗結(jié)果證明了我的研究基本上是成功的，當(dāng)然，研究光子的動量僅僅開始，許多難題還橫在我們面前，所以我的實驗并不是無懈可擊的?！?/p>

頓時，課堂里鴉雀無聲。人們開始相互張望，竊竊私語起來。也許，人們在等待有反對者起身駁斥教授的研究成果。

此時，吳有訓(xùn)起身說道：“康普頓教授的實驗結(jié)果，是令人信服的……由于康普頓教授研究的課題太重要了，必然引起許多人的矚目，其中就包括我在內(nèi)。我用業(yè)余時間做了一些實驗，有些結(jié)果似與教授的結(jié)論略有差別，現(xiàn)在提出來或許可供參考……”

吳有訓(xùn)無可辯駁的論證，博得了全場的陣陣掌聲，同時他也順利的成為康普頓教授的助理。

至此，才有了“康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)”的出現(xiàn)。