2022年的诺贝尔奖已经落下帷幕，有惊喜，有遗憾，更多的是国人心中的意难平。殊不知我国科学家百年前就有一次与诺贝尔奖擦肩而过的机会，且这个重大的发现至今仍与我们的日常生活密切相关。物理教科书中大名鼎鼎的“光电效应”想必经历过中学物理课折磨的同学们都不陌生，而紧接其后的“康普顿效应”就是其重要的补充，当然还有“电子对效应”，他们就是X射线与物质相互作用的主要三种形式。限于篇幅和理解力，中学物理着重介绍了“光电效应”和“康普顿效应”，因为这对于我们理解光的波粒二象性具有重要的意义。

有关光的特性问题，从经典物理学家勒内·笛卡尔和艾萨克·牛顿的粒子学说到麦克斯韦的电磁波学说，各方面的争论一直持续到上世纪初，持续数百年之久。早在公元前500年左右的古希腊哲学就认为光是由微小粒子组成的粒子流，这与人们朴素的自然观点和生活经验有关。笛卡尔通过三棱镜将白光变成彩色光的实验认为光是由于光源在介质中引起的扰动传播，是由不停旋转的粒子构成的。虽然并不完全同意笛卡尔的观点，但牛顿也基本认同光的粒子说。

直到1807年，英国科学家托马斯·杨在《自然哲学讲义》中提出了著名的“双缝干涉实验”，有力的证明了光的波动性，物理学界的基石开始动摇。随后的1873年，麦克斯韦的煌煌巨著《电磁学理论》用简洁、对称的麦克斯韦方程组完美的描述了电磁波的形式，1888年德国科学家海因里希·赫兹首次用实验证实了电磁波的存在。此时的科学家们又一边倒的支持光的波动学说，所有人都认为光是波的一种形式。

双缝干涉实验证实光的波动性

然而，直到人们意识到光电效应的存在之后，这才发现经典的电磁波理论毫无用武之地。好巧不巧，光电效应就是赫兹在1887年研究电磁波时候的意外发现，当时的他对此并没有深究，发表在《物理年鉴》之后就再也没有关心后续。那么，什么是光电效应呢，顾名思义，肯定与光和电相关。简而言之，就是光照射到金属上引起物质的电性质发生变化。在单位时间内入射光子的数量越大，自由逃逸的光电子就越多，形成的光电流也就越强，由此完成了由光能变成电能产生自动放电的光电效应。按照能量守恒定律，此时X光子携带的所有能量都给了核外电子，表现为物质对X射线的吸收，因此也称之为光电吸收。

光电效应示意图

光电效应预示着光存在粒子属性，如果事实如此，那就意味着光即是波，也是粒子，这在当时经典物理学家的眼里简直是荒谬到不可接受。直到天降猛男爱因斯坦将光的粒子性与波动性统一起来，在1905年发表了《关于光的产生和转化的启发式观点》（On a Heuristic Point of View Concerning the Production and Transformation of Light），提出了著名的“光的波粒二象性”学说，并籍此与尼尔斯·玻尔共同开创了延续至今发扬壮大的量子力学门派。

当时的物理学家虽然成功的观测到了光电效应，并且爱因斯坦提出的光的波粒二象性学说也已经对此做出了合理的解释。熟悉中学物理的同学们应该注意到了，在光电效应中只提到了能量守恒，粒子碰撞中另一个重要的特性动量守恒并未在其中。毫无疑问，物理学界仍然在等待一个完美的动量守恒模型和成功的实验来进一步验证光的粒子性。

1923年，芝加哥大学的康普顿教授在研究X射线的散射实验时，发现入射光束由单一波长组成，但是散射出的射线出现了两个不同波长的波且波长均要长于入射光束波长。如果用光的波动性理论并不能很好的解释这一现象，但是如果使用光的光子模型则可以从动量守恒定律的角度完美的对其做出解释。这就是康普顿当时提出的X射线量子散射理论，也就是康普顿效应的提出时的雏形。

康普顿效应示意图

康普顿效应说明光子具有粒子性，而且光子不但具有能量，还有动量。光电效应与康普顿效应的物理本质是相同的，都是个别光子与个别电子的相互用。但二者光子和电子相互作用的微观机制不同。在光电效应中，电子吸收了光的全部能量，从金属中射出，在这个过程中只满足能量守恒定律；而康普顿散射是光子与电子作弹性碰撞，同时遵循能量和动量守恒定律。简而言之，光子能量低的时候，以光电效应为主；当光子能量相当大，达到MV时，光对自由电子发生散射，产生康普顿效应；以及光子能量更大的时候，会出现电子对效应。

一个全新的理论在刚刚提出之时，肯定会受到来自各方的质疑，尤其康普顿提出的理论与光的经典性质大相径庭，最为重要的是康普顿并没有拿出令人信服的实验证据来充分的证明康普顿效应的确切存在和普适性，物理学界仍然在等待和观望之中。毋庸置疑，康普顿是当时理论水平一流的理论物理学大师，但是在实验物理方面，康普顿则是力有不逮。但是在1922年，一位来自中国的年轻人加入了康普顿教授的研究团队之后，事情开始有了变化，他就是我国著名的物理学家、教育家吴有训先生。

公元1897年，时值清朝光绪二十三年，吴有训出生于江西省高安荷岭北麓的石溪吴村。吴起辅和邓宝贤夫妇对于此子的降生甚为欣喜，因其长子有则早夭，故对家中实际的长子有训加倍疼爱，特意取字为“正之”，意为长兄，又寄予了父母期望其正直做人之意。吴起辅在高安县城有自己的商铺和买卖，因此吴家的光景在当时尚可，吴有训也幸而有机会持续上学。吴有训7岁时入私塾，习旧学，12岁时，家族中一位自云南返乡的族叔怀抱着开眼看世界的积极热情开设了新式学堂。在这位新派思想族叔的引领下，吴有训首次接触到了书本之外的世界，中国之外的世界。在当时新思潮的带领下，吴有训发奋读书，期望着学有所成，报效家国，努力学习的他在17岁之时以优异的成绩奔赴省城南昌就读省立第二中学。

青年吴有训

民国政府草创之初，辛亥革命虽然胜利，但紧接而来的胜利果实却被袁世凯的北洋军阀所窃取。1913年江西督军李烈钧在湖口拉起了“二次革命”的讨袁大旗，但很快就被准备充分的北洋军阀所平定。此时1914年的南昌城内，并没有吴有训所期望看到的截然不同于高安乡下的新风貌和新气象，官僚们仍然是高头大马、呼来喝去、威风凛凛，虽然没有了标志性的辫子，但似乎一切都不曾改变。

吴有训在省立第二中学依然保持一贯优秀的学业，并于1916年7月顺利毕业。19岁的吴有训已经深刻的认识到，孙中山先生所倡导的开启民智之路还刚刚开始，需要青年们所做的事情还很多。彼时的国民政府位于南京，他毫不犹豫的报考了位于长江之滨的南京高等师范学校，预科一年，本科三年，免收学费食宿。有关吴有训在南高的入学记录，《南京高等师范学校同学录》中有载：

吴有训（字正之），22岁，江西省省立第二中学毕业。通讯地址：江西高安安南城永和义记号。

吴有训自小在农村长大，各种农活驾轻就熟，在读书期间就展现出了实验物理学家所必备的超强动手能力。他所在的南高理化部经常需要购置实验器材，有一次实验室急需一张高桌用于安放新购置的仪器。吴有训自告奋勇，用四处拼凑寻来的木材自己动手，打制了一张牢固实用的木台。自此之后，凡是实验室里有临时需要的小物件，老师同学们第一个想到的就是吴有训。可能现在的00后大学生对此没有概念，现在的大学生活一切都已经被安置妥当，学生们只需要按照既定的轨迹执行下去，总归是没有错的。彼时的大学教育方兴未艾，教学方法并无定式，也没有统一的教材之类。很多教授都是留洋归来，怀抱着满腔的热血回报祖国，留给师生们自由发挥的空间极大，有意或者无意间契合了陈寅恪先生所提倡的“自由之思想，独立之人格”大学办学理念。

吴有训在升至三年级的时候就遇到了一位对他影响深远的良师——刚从美国哈佛大学归国的青年学者胡刚复，由他在理化部专门教授物理。吴有训对于胡刚复有关X射线研究的课程兴趣盎然，并有志于此继续研究。但他也深刻的意识到，想要继续有关X射线的研究，就必须留学西洋，学习西方先进科学技术，才能改变我国当时积贫积弱的现状。1920年从南京高等师范学校毕业后，吴有训回到南昌第二中学任教，期间也曾在上海公学担任过短期的物理学教员，但这均不能够满足年青学子对于先进科学知识的渴望。在恩师胡刚复的引导下，吴有训终于决定远赴重洋，求学海外，报效祖国。

1921年冬，吴有训以优异的成绩考取了江西官费赴美留学，而他将要奔赴的是彼时在国际物理学界有重大影响力的芝加哥大学物理系。美丽富饶的芝加哥城区犹如半片残缺的叶子，散落在密歇根湖幽静的西南岸边，城市里绿树成荫，水波荡漾，与天同为一色。石油大王洛克菲勒1890年于此创建了著名的芝加哥大学，此刻它正静静的排列在湖岸迎接远渡重洋的中国学子们。1922年冬，吴有训一行人舟车劳顿，终于抵达芝加哥大学校园，同行的还有杨武之、袁敦礼、夏少平等。每位同学都在抵校后选定了自己所属的研究院系，吴有训毫无犹豫的选择了芝加哥大学物理系。芝加哥大学在成立之初就由1907年诺贝尔物理学奖得主迈克尔逊教授担纲主持首任物理系主任，之后接任的密立根教授因其发明的油滴实验测定电子电荷而获得1923年诺贝尔物理学奖。彼时的芝加哥大学物理系人才济济，并且在吴有训就读之后的翌年，大名鼎鼎的物理学家康普顿教授加盟就任物理系主任。他所提出的康普顿效应名噪一时，但是缺乏充分的实验证据，目前学界对此并未达成共识，直到康普顿在芝加哥大学与吴有训的相遇。

康普顿教授对于学生的学习要求严格，但是在具体的实验过程中，却给予极大的自由度，任由他们自我发挥。他常常抛出某个观点，大家可以就此展开热烈的讨论，但并不给出具体的解答，最后也不一定有最终的结论。密歇根的湖水清澈平静、舒展开阔，然而在湖畔不远处的芝加哥大学物理系康普顿教授的实验室里，吴有训正经历洋溢着积极、开放、自由的研究氛围。优美的自然环境，热烈的研究氛围，年轻的吴有训更加发愤图强，像一块海绵一样，贪婪地吸纳周围的养分。他深深的认识到自己所学到的太少，所需要学的太多，唯有孜孜不倦的充实自己方能参与最前沿的物理学研究。

在康普顿来到芝加哥大学任教之初，就对班里23位同学中唯一的中国人吴有训留下深刻的印象，这位个子高大的中国大龄留学生，完全刷新了他既往对于中国以及中国学生的刻板印象。比吴有训仅年长5岁的康普顿教授能够深切的体会到吴有训时不我待的紧迫感，彼时的中国基础科学研究尚在襁褓之中，迫切需要大量的科研人才改变当前积贫积弱的现状。吴有训对于科学研究发自内心的热情和主动性，极强的实验动手能力，恰好符合康普顿对于学生兼助手的苛刻要求。而吴有训也不负所托，在最初的三个月内，他废寝忘食，整理了近10万字的学习笔记，做了几十个物理实验，终于追上了康普顿教授的跳跃性思维。这段魔鬼训练为吴有训以后独立思考，走上自己的学术道路奠定了扎实的基础。

20世纪初的物理学正在经历两朵乌云所带来的剧变，各种全新的发现和理论层出不穷，令时人目不暇接。康普顿效应就是这场理论大爆炸中的其中一朵奇葩，爱因斯坦引进了光子和光量子的概念成功的解释了光电效应并籍此提出光的波粒二象性。如果康普顿效应普适性存在的话，那么就将进一步证实光的粒子性，不仅能量守恒，而且在弹性碰撞过程中遵循动量守恒。1923年5月，康普顿的论文即刊登在《物理学评论》杂志，引发了大量的争论，有人认为这和当前的理论冲突，有人认为康普顿只应用了石墨一种散射物质的数据，并没有用多个不同的材料来充分的验证实验数据，不具备普适性和推广可能。

在当时芝加哥大学的一次研讨会议上，针对这些质疑，康普顿的助手吴有训站了出来，“康普顿教授的实验结果是令人信服的。世界上第一个吃螃蟹的人是英雄，我们又怎么能苛责他是连壳带肉一起囫囵吞下的呢？壳不必吞下是我们后人在无数次实践中得到的结果，但我们需要铭记第一个吃螃蟹的人。对于康普顿教授的实验，我也进行了重复和拓展，目前的一些结论尚有出入，主要体现在两点：1.关于X射线散射的强度问题，在射线能级为KV时观测到的康普顿效应并不显著，此时主要表现为光电效应。但是当射线能级提升到MV，观测到的主要是康普顿效应。2.X射线散射后的光谱图问题，我们观测到散射后的射线波长均较入射波更长……”。当涉及到自己的专业领域时，年轻的吴有训侃侃而言，口若悬河，充分且无可辩驳的实验数据一一呈现，博得全场热烈的掌声和交口称赞。

当然，康普顿效应的实验验证过程也并不是一直都一帆风顺，从1922年3月刚开始接触康普顿效应的研究开始，一直到1924年7月。两年多的时间里，吴有训亲手做了120余次物理实验，整理了近百万字的实验笔记，其中大部分都是实验失败的记录。科学实验就是如此，失败乃是常态，真理面前唯一需要的就是扎实的数据和严密的论证。所幸的是，吴有训高超的实验技巧和动手能力在此刻发挥了用武之地。在1923年底到1924年初的这段时间，吴有训与康普顿合作使用了包括碳在内的7种物质实验，测量的结果与康普顿效应所预测的基本吻合。证明了只要X射线的散射角相同，不同物质散射的效果都一样，变线与不变线的偏离与物质成分无关。小试牛刀的成功无疑让吴有训和康普顿师徒俩兴奋不已，这进一步拓宽了康普顿效应的适用范围，也给康普顿效应的实验验证指明方向。

1924年9月，吴有训与康普顿的第一篇合著论文《经过轻元素散射后的钼Kd射线的波长》（A．H．Compton，Woo Y H．The wave－length of molybdenum Ka rays when scattered by light elements．Proc．Nat．Acad．Sci．1924，10：271－273．）在“美国国家自然科学杂志”（PNAS）发表，文中明确的指出“从各种材料得到的光谱在性质上几乎完全一致，每种情况，不变线都出现在与钼的Kα谱线相同之处，而变线的峰值则在允许的实验误差范围内，出现在上述的波长变化量子公式所预计的位置上。这些实验无可置疑地证明了散射量子理论所预言的光谱位移的真实性”。

吴有训与导师康普顿合著的首篇发表在PNAS论文的插图

在康普顿效应中，X射线的散射曲线存在两个峰值，其中波长等于初始射线波长的称之为不变线，另外一个波长变长的波称之为变线。在1923年的论文中，康普顿曾对不变线的起因作出解释，他的假设认为在X射线散射过程中分给电子的能量不足以把电子从原子释放时，就会出现不变线；同时他也假设入射光子被原子核散射造成不变线；但是不变线的真正成因，仅靠假设只能是猜想，最终仍需严谨的实验予以证实。受此启发，吴有训对于康普顿效应的思索愈加深刻，实验所得到的数据和结论越来越多，连续在物理学界知名的“美国物理评论”杂志单独署名发表了《变现与不变线的能量分布》（Woo Y H．The distribution of energy between the modified and the unmodified rays in the Compton effect．Phys．Rev．1926，27：119—129．），《变线与不变线的能量比率》（Woo Y H．Ratio of intensities of modified and unmodified rays in the Compton effect．Phys．Rev．1926，28：426．）等论文，文中测定了X射线散射中变线和不变线之间的强度比随着散射物原子序数变化的关系，证实并发展了康普顿量子散射理论。

阿瑟·霍利·康普顿教授与康普顿效应

这两篇文章应用康普顿改进过的X射线管和电离分光计对5种物质分别进行测量，得出散射曲线之后用平面仪把代表谱线的曲线面积进行积分计算。吴有训所使用的准直管极为精细，研究的波长只在极窄范围之内，因而只能在很近似的程度内获得每种光谱的相对能量。吴有训的结论认为：对于给定的元素，散射强度比随着散射角的增大而增大；对于给定的角度，散射强度比随着原子序数的增大而减小；基于此，吴有训认为如果用最轻的金属锂作为散射物，理论上能够得到最大的散射强度比。

那么如何有效的验证这个设想呢，因为在吴有训既往的研究经验中曾经发现过X射线经过锂散射后的数据，不变线虽然可辨别，但非常的微弱。吴有训创造性的想到了将锂放置在充满氢气的铅室中，铅室上的两扇云母窗分别让初始的X射线进入和经过散射后的二次射线射出。吴有训精密的实验设计得到了出人意料的结果，他发现在经过锂散射的二次射线中康普顿效应的不变线消失。因为如果按照康普顿的后一种假设，理论上仍然能观测到锂散射二次射线中的不变线，但现在实验证明应该采用康普顿的前一种假设，即“不变线是由于散射过程中电子获得的能量不足以使它脱离原子”。他的这些论文均从多个客观实验角度出发，完美的验证了康普顿效应，拓展了康普顿散射理论。

不够，这些都还不够，吴有训明白，如果想要物理学界接受康普顿效应的普遍存在，仍然需要大量扎实的实验验证。目前为止，尚未有人在实验中完美的验证光的粒子性和动量守恒，如果这个问题能够解决的话，那必定具有划时代的意义。经过耐心细致的验证，吴有训用X射线散射元素测试粒子动量的设想终获成功，从最开始的3种、5种，进而7种、10种。最终吴有训连续花费了3个月的时间创造出了15种元素所散射的X射线光谱图，这张极其重要的光谱图被康普顿教授纳入其著作《X射线的理论与实验》（X-rays in Theory and Experiment）一书，与自己的石墨散射的X射线光谱图并列，作为康普顿效应的重要证明理论依据。这张图后来被纳入吴有训的博士论文《论康普顿效应》之中，并且在接下来的几十年中被后来的研究者们所广泛引用。

吴有训绘制的X射线散射光谱图（部分）

然而，通往真理的道路总是困难的，此时美国各地的研究者都在试图重复吴有训的实验，但均没有成功。著名的X射线研究者，哈佛大学的威廉·杜安尼教授、克鲁夫特实验室的著名物理学家布里基曼教授等均宣称未能观测到康普顿效应所预测的峰值。这些研究者们质疑，“康普顿的峰值有可能是由于实验装置所放置的包有铅皮的木箱所激发出的全新射线”。细心的吴有训立马赶赴两位研究者所在的实验室，亲自查看了对方的实验流程，仔细排查之后，他终于恍然大悟。在接下来的1个月时间内，吴有训再次核对数据，重复实验流程，确保所有的条件万无一失，他这次有十足的把握，“不会错!绝对不会错!”

在哈佛大学的课堂上，面对着来自全球顶尖物理学家们挑剔和怀疑的眼光，吴有训胸有成竹的将康普顿效应的理论预测和实验验证流程娓娓道来。他特意把X射线管和各种散射物质放在不含有木材的铅室中进行操作，彻底杜绝了威廉·杜安尼教授和布里基曼教授等人提出的质疑，最终依然得到了可信服的X射线散射实验数据。他扎实的实验操作、流利的英文表达、严谨的论证过程，令场内人无不折服。布里基曼教授盛赞道“吴先生，您的实验结果令人信服，真是一位了不起的实验物理大师”，吴有训为人谦虚，忙解释道“这都是康普顿教授的成果，我只是作为他的学生协助完成他的工作”。

“可是，在我看来，你的工作和贡献已经不仅仅是我的助手，可以这么说，是我们俩一起证实了康普顿效应。正之，如果没有你的工作，康普顿效应不会这么快就被学术界所接受，可能在论证的过程中会遇到很多麻烦，多走很多弯路。”康普顿给予吴有训的贡献以高度的评价。

1925年，吴有训以博士论文《论康普顿效应》顺利完成答辩获得芝加哥大学博士学位。翌年的第135届美国物理学会年会即于吴有训和康普顿所在的芝加哥大学莱尔森实验室召开，吴有训的研究成果被列为重要议题并且第一个在大会开幕式宣读，彼时的吴有训时年仅28岁。

那自然界中是否存在与康普顿效应相反的现象呢？其中吴有训在当时实验的时候曾经有观察到与康普顿相反的效应，只是当时并没有确切的定义。现在科学家们将其称之为反康普顿效应或者逆康普顿散射，指的就是用低能光子撞击高能电子，获得高能光子后将其与另一束高能光子相撞，即可实现高能光子对撞功能。现今反康普顿效应已经成为天文物理学研究中非常重要的课题，比如天文学观测中的伽马射线暴的高能辐射机制就与此相关。

正当吴有训在国外的研究前程似锦之际，他却婉言谢绝导师康普顿的盛情邀请，毅然决定回到生养他的祖国母亲怀抱。1926年9月12日，吴有训搭乘“公主号”启程返航，翌年，1927年诺贝尔物理学颁予阿瑟·霍利·康普顿教授，奖励其发现的康普顿效应从理论和实验层面具有的深远意义，是近代量子物理学的奠基之一。有关吴有训为什么错失诺贝尔奖的传闻很多，诸如吴有训发扬了中华民族谦虚重道的优良美德，坚决推辞与导师康普顿一起署名；吴有训恰好在授予诺奖的前一年回国，失去了被提名的机会，毕竟有人的地方就有江湖，朝中有人好办事等等。如果吴有训有幸获奖，华人首次获诺奖的时间就要从1957年杨振宁、李政道的获奖整整提前到30年前的1927年了，这是何等幸事，但是历史不容许假设。然而，不管结果如何，吴有训在康普顿效应中所做的贡献不可磨灭。尤其在那个中国历史上的最低潮时期，民族自信降落到了最低点，文言文都是咬文嚼字的腐朽陈词滥调，时人弃之如敝履。一切向西方看齐，最流行的是西洋文字，最时髦的是西洋舶来品，最向往的地方是美国和西方。吴有训的逆向选择恰恰是在向时代宣告，传统的中国文化并没有落伍；吴有训的成就证明中国人在科学领域也能做出自己的贡献，给海外学子做出了表率，极大增强了民族自信心和自豪感。

吴有训此时回到的祖国一穷二白，基础研究条件薄弱，连像样的实验器材都没有，需要充分发挥自己的主观能动性和创造能力。吴有训清晰的认识到如果他继续留在美国，有高水平的研究团队和完备的实验设备支撑，肯定比回国之后能做出更多卓著的成就。但时刻心怀祖国的吴有训知道祖国的建设需要他，以及像他一样的有识之士加入进来。回国之后的吴有训历任清华大学教授，物理系主任、理学院院长，西迁后的西南联大继续任理学院院长，抗战胜利后出任中央大学校长，新中国成立后任近代物理研究所所长、交通大学校长、中国科学院副院长等职。严济慈先生评价吴有训的归国“实开我国物理学研究之先河”，吴有训先生培育的弟子后来大都成为具有国际国内重大影响力的科学家，如今的我们都耳熟能详，包括且不限于：钱三强、钱伟长、杨振宁、李政道、邓稼先、王淦昌、朱光亚等等。

毛主席接见吴有训等科学家

值得一提的是，吴有训还是有史以来在《Nature》正刊发表学术论文的第一位中国人。坊间有传闻称中国近代科学家徐寿先生是第一位发表Nature论文的中国人，确实有一篇题为《Acoustics in China》发表于1881年3月10日的Nature论文，旨在讨论中国的声学研究。但是据考证这个结论并不确切，徐寿只是向友人提出了一个观点，文章是国外学者撰写的，并且还是以读者来信的形式刊登，并不能算严格意义上中国学者发表的正刊学术论文。如果我们在Nature搜寻的话，可以发现第一篇中国学者的文章出现在1930年10月4日，署名为 YH Woo的《Intensity of total scattering of X-rays by monatomic gases》（单原子气体对X射线的总散射强度），YH Woo就是我们故事的主人公吴有训先生。