青年吴健雄：中国、伯克利、原子弹计划

从上海沿高速公路向西北方向，进入江苏后不久，有一个指示牌写着“浏河”。我每次经过这里都会留意一下，因为浏河镇是吴健雄的故乡。那里还有个长江港口，是郑和下西洋的出发点。郑和的走向世界与吴健雄的走向世界当然没有直接关系，但是给童年吴健雄留下深刻印象。

01

从中国出发

吴健雄生于1912年5月31日。她的父亲吴仲裔毕业于南洋公学，曾参加爱国学社、同盟会和上海商团，回乡后创办明德学校。吴健雄从父亲那里得到各种知识和进步思想的熏陶，包括自然知识和男女平等的观念。她11岁时，完成了明德学校的学业，前往苏州第二女子师范就读，6年后保送国立中央大学(1949年改称国立南京大学)。由于对师范毕业生的规定，吴健雄先在上海的中国公学学习了一年，因此成为胡适的学生。她曾说，除了她父亲，胡适对她影响最大 [1]。

1930年，吴健雄来到南京，进入中央大学。1933年，比吴健雄大4岁的施士元在法国获科学博士学位，就任中央大学物理学系教授兼系主任。在巴黎大学，施士元在居里夫人指导下从事核谱学研究[2]。

▲ 从左到右：吴健雄母亲樊复华 、兄健英 、吴健雄、父亲吴仲裔，来源：澎湃新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_24483489

放射性原子核发出3种射线，α射线（氦原子核）、β射线（电子）与γ射线（光子）。核谱学测量这些射线的性质，特别是能量的分布，从而推测原子核的性质。原子核发出α射线后，可以处于能量最低的基态，或者处于一个能量稍高的激发态。这称为α射线精细结构。处于激发态的原子核可以发出γ射线，转变为基态。施士元在锕系元素中发现，两个能态之间的能量差与γ射线的能量相等[2]。这证明了核能级的存在，原子核从高能级跃迁到低能级，能量差就转化为γ射线的能量。

在中央大学，吴健雄修了施士元的近代物理课程[1,3,4]，又在他指导完成了本科毕业论文，题目是《晶体中X射线布拉格衍射方程的验证》[4,5]。当时施士元在从事晶体X射线实验，1936年发表了一篇论文[6]。这个领域发展成为南京大学长期耕耘的一个强项。

1934年，吴健雄从中央大学本科毕业。她先在浙江大学做了一年助教（据说做过束星北的助教），然后经系主任张绍忠（中央大学校友[7]）推荐，来到位于上海的中央研究院物理研究所（所址现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所，对面的兆丰公园就是现在的中山公园），做了一年研究（1935-1936），在顾静徽指导下研究气体光谱[2]。顾静薇是中国第一个物理学女博士，博士论文是在密歇根大学分子结构专家丹尼森（David M. Dennison）指导下的光谱工作。

▲ 年轻时的吴健雄， 来源： 澎湃新闻 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_24483489

气体光谱基于分子的能量变化所发出的光，与施士元在巴黎研究的核谱学和在中央大学研究的X射线晶体衍射都是谱学，而吴健雄后来耕耘多年的主要领域是β射线谱。可以看出，吴健雄在中国初涉的研究领域是X射线晶体衍射和气体光谱，虽然不是后来从事的放射性或核物理方面，但是有很多相通之处。而且她也可能对施士元以前的核谱学工作有所了解。所以吴健雄最初在中国的物理训练与她后来的β射线和核物理研究是一脉相承的。

1936年，在顾静薇的推荐和建议下，吴健雄赴美国自费留学，目的地是密歇根大学。经济资助来自叔叔吴琢之[1]，吴琢之当时是江南汽车公司（南京公交公司前身）[8]。

吴健雄1936年8月抵达美国旧金山，预备短暂停留后赴密歇根大学，其间参观加州大学伯克利分校物理系，特别是劳伦斯（Ernest O. Lawrence）建立的辐射实验室（Radiation Laboratory，就是今日的Lawrence Berkeley国家实验室的前身），内有劳伦斯的回旋加速器，印象深刻[1]。劳伦斯1930年代初发明回旋加速器，而且不断建造扩大版。最初只有4英寸，吴健雄1936年看到的应该是27英寸，1937年达到37英寸，1939年达到60英寸。1939年劳伦斯因回旋加速器获诺贝尔物理学奖。在伯克利逗留期间，吴健雄又了解到密歇根大学有性别歧视，与她从小就形成的平等观念相悖，而且密歇根大学当时中国学生很多，她却不希望来美国与中国同学扎堆。两方面的原因，使得吴健雄希望留在伯克利学习。她成功实现了这个愿望，成为物理系的博士研究生。陪同她参观实验室的袁家骝（袁世凯之孙）后来成为她的丈夫。

02

伯克利

2.1

博士生和博士后

吴健雄在伯克利待了6年，4年博士研究生（1936-1940），2年博士后（1940-1942），研究工作是连续的。头两年的课程学习结束后，选择论文导师时，吴健雄曾希望跟随大名鼎鼎的理论家奥本海默（J. Robert Oppenheimer），但是没被选中，而劳伦斯接受她，成了她的导师[1]。吴健雄将在实验物理的道路上走下去。

1938年．在劳伦斯指导下，她开始在伯克利进行了第一个研究工作，是关于β衰变。在弱相互作用主宰下，原子核中的中子转化为质子，发出电子和反中微子，这就是β衰变，这里的电子被称为β射线。吴健雄研究放射性铅发出的β射线所激发的X射线。有趣的是，这部分的博士工作联系了她之前的本科论文工作和她职业生涯的主要领域β衰变，包括宇称不守恒实验。这个工作发表于1941年，文末感谢了劳伦斯的选题和指导[9]。这是吴健雄职业生涯发表的第一篇论文。也就是说，她在职业之初就进入了她后来的主要领域β衰变。

吴健雄的另一位导师是 赛格瑞 （Emilio Segrè），她跟 赛格瑞 做了几年研究，于1940年博士毕业，接着继续留在那里跟着赛格瑞做了两年博士后。赛格瑞是费米在意大利时期的学生，1938年从意大利来到美国。吴健雄是赛格瑞在美国的第一个学生。吴健雄名义上的博士导师是劳伦斯，但是赛格瑞也是其导师。1959年，赛格瑞因反质子的反现分享诺贝尔物理学奖。

▲ 吴健雄1948年在美国，来源： 澎湃新闻 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_24483489

1939至1940年，作为她博士论文工作的另一部分，吴健雄跟随赛格瑞，用37英寸回旋加速器产生的中子，研究铀裂变产物，特别是放射性氙。

此前，赛格瑞的博士后兰斯道夫（A. Lansdorf Jr.)发现了一个放射性元素，别人确定是氙的放射性同位素。吴健雄和赛格瑞发现了氙的另一个放射性同位素[10]。接着，吴健雄确认，这 两个放射性同位素 分别是氙133和氙135[11]。但是因为保密，还有一些数据当时并没有发表，打算等战后再发表。正如下文所述，1944年，吴健雄以前在伯克利关于氙135的研究成果对研制原子弹的曼哈顿计划做出了重要贡献。1945年3月，吴健雄和赛格瑞还基于以前在伯克利的工作，发表了一篇论文，系统阐述氙的这两个放射性同位素[12]。

以上分别由劳伦斯和塞格雷指导的两方面工作构成了吴健雄的博士论文。吴健雄在博士后期间（1940-1942），与西博格（Glenn Seaborg）的研究生费兰德（G. Friedlander）合作，用回旋加速器产生的中子，研究放射性的汞[13,14]。

2.2

友谊

在伯克利，除了劳伦斯、塞格雷、奥本海默，吴健雄熟悉的教授还有1968年因发现共振态而获诺贝尔物理学奖的阿瓦雷兹（Luis Walter Alvarez）、1951年因发现钚等超铀元素分享诺贝尔化学奖的西博格，熟悉的同学中有后来在哥伦比亚大学的同事、1955年因氢原子光谱的兰姆位移而获得诺贝尔物理学奖的兰姆（Willis Lamb），1939年与导师奥本海默研究恒星引力塌缩形成黑洞的沃尔科夫（George Volkoff），劳伦斯的另一位学生、后来成为费米国家实验室首任主任的威尔逊（Robert R. Wilson），等等。

▲ 法兰克（左）、吴健雄（中）和沃尔科夫（右），来源：《吴健雄传》

江才健的《吴健雄传》提到[1]，沃尔科夫提供了一张他与吴健雄及另一位同学的合影，其中吴健雄和那位同学牵着手，说那位同学是法兰克（Stanley Frankel）；吴健雄曾向江才健表示，法兰克很聪明却可惜没做出杰出贡献[1]。其实法兰克是有杰出贡献的，只是不太为人所知。法兰克是奥本海默的博士后，参加了曼哈顿计划，在原子弹和氢弹的计算方面做出了重要贡献，最早将计算机（IBM机器）引进到洛斯阿拉莫斯实验室做科学计算，后来又使用第一台通用电子计算机ENIAC。1949年，他因为父亲是共产党，被迫离开洛斯阿拉莫斯实验室和保密工作，在蒙特卡罗计算、个人计算机的开发方面等方面有重要贡献[15,16]。

▲ 1975年吴健雄出任美国物理学会第一任女性会长，来源：凤凰新闻https://ishare.ifeng.com/c/s/7oehsD1It3A

但是最近江才健更正，1996年杨振宁和他的同学戈德伯格（Marvin L. Goldberger）帮助辨认出，照片中的人应该是克里斯蒂(Robert Christy)。

克里斯蒂是奥本海默的学生，对曼哈顿计划做出重要贡献，特别是在钚弹引爆方面。“氢弹之父”特勒做过奥本海默听证之后，某日见到克里斯蒂，伸手要握手，却遭到克里斯蒂拒绝。克里斯蒂后来还做过加州理工学院的执行院长，与戈德伯格同事（戈德伯格曾任加州理工学院校长）。他第二位妻子为他写的传记记载[17]，克里斯蒂说，吴健雄因为宇称不守恒得了诺贝尔奖。这当然是弄错了。书中还记载，克里斯蒂对吴健雄的多方面个性印象深刻，关于吴健雄的记忆还使得他让两个女儿学中文。这些情况提示，他确实对吴健雄印象特别。奇怪的是，沃尔科夫说错照片上人是谁，因为他和克里斯蒂太熟悉了，他们都是加拿大英属哥伦比亚大学的本科生，前者比后者早一年，而且克里斯蒂还步沃尔科夫后尘，到伯克利成为奥本海默的学生。有趣的是，施士元也误以为吴健雄得过诺贝尔奖[2]。

在伯克利，吴健雄还和从英国剑桥来伯克利访问的生物化学家鲁桂珍成为好友，后来，1942年到1945年，鲁桂珍在哥伦比亚大学工作，又与吴健雄重逢[1]。在她的导师李约瑟转向中国科技史这件事上，鲁桂珍是个重要因素。1957年，她回到剑桥，自己也转到中国科技史。《吴健雄传》收入了一张照片（下图），上面有吴健雄、赛格瑞、奥本海默和一位美国女同学，但是没有认出另一位中国女士就是鲁桂珍。

▲ 吴健雄、赛格瑞、奥本海默和鲁桂珍，来源：作者

03

战时工作

3.1

史密斯学院和普林斯顿

1942年，吴健雄结束博士后工作。尽管被奥克兰论坛报报道（见本文最后一章），吴健雄还是没能留在伯克利，也没有在其他地方找到研究职位。袁家骝在普林斯顿的美国无线电公司（RCA）找到工作。吴健雄去马萨诸塞州北安普顿的史密斯学院（Smith College）任教。这是一个女子学院，当时南希•里根正在那里学戏剧。吴健雄去这个学校，是因为 史密斯学院 的安斯洛（Gladys Anslow）教授到伯克利来访问研究，与吴健雄成为朋友，邀请吴健雄将来去史密斯学院工作[1,15]。安斯洛当时使用伯克利的回旋加速器研究蛋白质分子，被称为第一个在此加速器上工作的女科学家[18]。后来安斯洛做过谢希德的硕士导师[1]。

▲ 在实验室的吴健雄，来源：澎湃新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_24483489

史密斯学院和吴健雄彼此很友好，但是缺少吴健雄需要的科研条件。在波士顿的一个会议上，吴健雄遇到劳伦斯，表示了不能做研究的烦恼。于是劳伦斯将吴健雄推荐给东部的8所大学，它们都接受了吴健雄的申请[1]。当时大量物理学家为战争服务，很多大学也需要物理学家。

1943年，吴健雄去了家附近的普林斯顿大学，成为该校历史上第一位女讲师。但是她这里的工作仍然不是科研，而是给一批海军军官教书。

3.2

哥伦比亚大学和曼哈顿计划

几个月后，也是在在劳伦斯推荐下，哥伦比亚大学参与曼哈顿计划的部门请吴健雄去面试 [1]。曼哈顿计划是二战期间研制世界上第一颗原子弹的计划。这个部门的代号是替代合金材料（Substitute Alloy Materials）实验室（SAM）。1944年3月，吴健雄加入哥伦比亚大学，在SAM的第一部门工作。这个部门的负责人是邓宁（John R. Dunning）[19]。可以说，曼哈顿计划给吴健雄带来了科研机会，她成为参与曼哈顿计划的唯一华人。其实，吴健雄离开伯克利时，曼哈顿计划已经开始，她的很多老师同学就参与其中，导师劳伦斯和塞格雷都是曼哈顿计划中的重要人物。显然，吴健雄在伯克利时没有被吸纳，与她是一个中国公民有关。

美国的核裂变实验研究正是从哥伦比亚大学开始。1930年代，邓宁向劳伦斯学习，在哥伦比亚大学建造了一个37英寸的回旋加速器。1939年1月25日，费米、邓宁和学生安德森（Herbert Anderson）在这个加速器中验证了核裂变[20]。费米1月2日刚到纽约，是从斯德哥尔摩领取诺贝尔奖后，逃到美国（他的夫人是犹太人）。

▲ 吴健雄在哥伦比亚大学实验室的机械设备旁留影，来源：凤凰新闻https://ishare.ifeng.com/c/s/7oehsD1It3A

1938年圣诞节前，柏林的哈恩（Otto Hahn）和斯特拉斯曼（Strassman）在约里奥•居里（J. Joliot-Curie）和伊雷娜·居里（I. Joliot-Curie）夫妇的工作基础上，发现中子轰击铀核，产生了钡核，质量数比铀小很多。他们将实验现象告诉刚逃到斯德哥尔摩的犹太同事梅特娜（Lise Meitner）。圣诞假期中，她和来自哥本哈根的外甥费里希（Otto Frisch）给出了物理解释，指出是铀原子核俘获中子后发生了裂变。1935年诺达克（I. Noddack）曾经提出裂变可能性，但是未受重视。1月6日，费里希回到哥本哈根与玻尔讨论。第二天，在火车站给了玻尔两页草稿，玻尔要去美国普林斯顿访问。玻尔将核裂变的消息带到普林斯顿。兰姆从普林斯顿将消息带给费米。于是有了25日费米、邓宁和安德森的实验，他们是用云雾室验证了裂变产物因为有那么高的能量，导致很大的光脉冲。其实这是在不知道的情况下，重复了费里希13至14日做的实验。费里希借鉴细胞分裂的英文名词，命名“裂变”（fission），16日投出两篇论文。

3.3

老数据的新贡献

就在吴健雄来到东海岸的那一年，1940年年底，就在哥伦比亚大学，塞格雷、劳伦斯与费米讨论了钚239的裂变可能性。后来正是塞格雷和西博格在伯克利观察到钚239的裂变[15]。1944年9月27日，作为曼哈顿计划一部分，汉福德（Hanford）的B核反应堆开始工作，从天然铀生产钚239。这后来提供了胎死腹中的原子弹“瘦子”、首次试爆的原子弹和扔在长崎的原子弹“胖子”的原料。

当初哈恩等人发现核裂变后，西拉德（Leo Szilard）和费米的理论分析和约里奥•居里等人的实验发现表明，核裂变所产生的中子，又引起更多的铀核裂变，从而发生链式反应。因此核反应堆和原子弹的一个关键是链式反应，而链式反应需要大量中子。

▲ 吴健雄和她的同事们，包括后来的诺贝尔奖得主李政道（右），来源：澎湃新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_18356585

但是汉福德的B核反应堆运行几小时后，达到一定功率就停止了。这被称为“中毒”。费米和惠勒发现，这是因为核反应产生了氙135，吸收了大量中子，而中子是维持链式反应所必需的，所以中子被氙135吸收后，链式反应就缺少足够的中子，不能持续下去。所以他们需要氙同位素对中子吸收方面的数据。

塞格雷告诉他们，吴健雄和他战前的工作恰恰获得了这些数据。所以吴健雄提供了她1939到1940年关于氙135中子吸收截面的数据，对解决反应堆“中毒”问题做出了重要贡献。1945年，吴健雄和塞格雷又用当年的实验结果发表了一篇论文[6]。所以吴健雄对曼哈顿计划的贡献之一是，用博士生期间的工作对钚239的生产做出了贡献。

3.4

慢中子效应和放射性探测器

吴健雄在黑汶斯（William W. Havens Jr.）领导的小组中工作,合作者还有 雷恩沃特 （James Rainwater）。雷恩沃特和黑汶斯都是邓宁的学生。战后，吴健雄和他们都留在哥伦比亚大学。他们1946年获得博士学位，博士论文解密，并在物理评论（Physical Review）发表，分别以本人为第一作者，另一人为合作者。1952年，他们两人成为教授，吴健雄成为副教授。雷恩沃特1950年做了个原子核结构的理论工作，1975年分享诺贝尔物理学奖。

战后，吴健雄与邓宁、黑汶斯和雷恩沃特将曼哈顿计划里的一些工作解密发表，并有延续的研究。笔者查阅Web of Science,发现他们在1946年到1948年发表了一系列论文，一方面是关于氢和其他元素的慢中子效应，有大约8篇论文；另一方面是以吴健雄为主所研究的灵敏的放射性探测器，用来探测β射线（也就是电子）、光子和其他粒子，有大约7篇论文。这些研究反映了吴健雄在曼哈顿计划中做的工作。而且这些工作经验对吴健雄后来的职业生涯有很深的影响。

▲ 吴健雄与西方科学家们一起探讨学术，来源：凤凰新闻https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_24483489

在中国打下基础，在伯克利受到大师的指导和一流的科研训练，并在前沿工作，经历两年的教学工作，又在曼哈顿计划中工作了两年，吴健雄为她未来的一系列精准实验工作打下了基础[21]。

一份重要的史料

1941年4月25日加州奥克兰的报纸《奥克兰论坛报（ Oakland Tribune ）》对吴健雄的报道[1,22,23]（见下图）。我找到了这个报道[23]。当时吴健雄正在作博士后。从中还可以看出来，当时公众已经知道原子核可以提供巨大的能量。从报道中可以窥见一点吴健雄当时的情况。作为历史资料，抄录如下。

▲ 奥克兰论坛报（Oakland Tribune），来源：作者

PETITE CHINESE GIRL SHOWSRESEARCH IN ATOM SMASHING

Blackboard TreatiseBackwards But ResultSatisfiesScientists

BERKELEY,April 25. In a laboratory where science is smashingatoms,a petite Chinese girl workson even terms with some of America's top-notch physicists.This youngwomanis C. S.Wu, newcomer to the University of California's physics research staff. MissWu,or more properly,Dr. Chien-Shiung Wu, looks as though shemight be an actress or an artist ora daughter of wealth in search ofOccidental culture.To strangers she appears shy andreticent. But before an audience ofphysicists and advanced students sheis confident, incisive.The other day she was reviewingbefore such an audience some recentadvances in nuclear fission research. Nuclear fission is the phenomenonin which the nuclei of certain atomssplit roughly in half with terrificforce,and is at present the No.1hope as a source of atomic power.To make acertain point she wrotea formula on the blackboard, but from right to left, which to an Occidental is backwards. It turned outfine.Born in Shanghai in 1914.Dr.Wuwon her master's degree in Chineseschools before she was 2l, then cameto the United States to finish her academic education.But her heart is in China. There is an almost militant air about herwhen she speaks of“China and democracy”.She is preparing to return to her homeland with thehope of rendering some service to China.

翻译如下。

参考文献

[1] 江才健, 吴健雄——物理科学的第一夫人. 复旦大学出版社, 1997.

[2] 施士元，施士元回忆录及其他，南京大学出版社，2007。

[3] 王凡，追忆施士元先生，现代物理知识 19(6),66-67 (2007) 。

[4] 杨慧，居里夫人的中国弟子，现代物理知识 19(6),67-68 (2007) 。

[5] 肖太桃, 吴健雄：于纷繁复杂中发现简单图景，中国科学报,2019年2月20日。

[6] S. Y. Sze, Theory of the effect of thermal agitation on the reflection of x-rays by crystals，Chinese Journal of Physics， 2(2)，124-127(1936).

[7] 施郁，中央大学和金陵大学的物理学科，新兴科学与技术趋势，（2023）。

[8] 王伟，著名实业家吴琢之和享誉东南的江南汽车公司，江苏经济报，2017年9月29日。

[9] C.S. Wu, The Continuous X-Rays Excited by the Beta-Particles of 15P32, Phys. Rev. 59(6), 481–488 (1941).

[10] E. Segrè and C. S. Wu, Some Fission Products of Uranium, Phys. Rev. 57(6), 552–552 (1940).

[11] C. S. Wu, Identification of Two Radioactive Xenons from Uranium Fission, Phys. Rev. 58(10), 926–926 (1940).

[12] C.-S. Wu and E. Segrè, Radioactive Xenons, Phys. Rev. 67(5–6), 142–149 (1945).

[13] C. S. Wu and G. Friedlander, Radioactive Isotopes of Mercury, Phys. Rev. 60(10), 747–748 (1941).

[14] G. Friedlander and C.-S. Wu, Radioactive Isotopes of Mercury, Phys. Rev. 63(7–8), 227–234 (1943).

[15] R. P. Feynman, Surely You're Joking, Mr. Feynman!

[16] https://en.wikipedia.org/wiki/Stan_Frankel

[17] I-Juliana Christy, Achieving the Rare：Robert F Christy's Journey in Physics and Beyond, (World Scientific, Singapore, 2013).

[19] H.L.Anderson, John Ray Dunning 1907–1975, Biographical Memoirs,. National Academy of Sciences 58, 163–186 (1989).

[20] R. Rhodes, The Making of The Atomic Bomb, Simon & Schuster, New York,1986.

[21] 施郁，吴健雄的科学贡献和科学精神：从量子纠缠到宇称不守恒, 墨子沙龙, 2023-06-02。

[22] S. B. McGrayne, Nobel Prize Women in Science, 2nd Ed., Joseph Henry Press, Washington, D. C., 1998.

[23] Fetite Chinese Girl Shows Research in Atom Smashing, Oakland Tribune, April 25, 1941.

（参考文献可上下滑动查看）

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