阿瑟·康普頓

阿瑟·霍利·康普頓（Arthur Holly Compton，1892年9月10日－1962年3月15日）是一名美國物理學家，因發現展示電磁輻射粒子性的康普頓效應而於1927年獲得諾貝爾物理學獎。那時的人們儘管已經清楚理解光的波動性，但仍不能完全接受光同時具有波動性與粒子性。因而這一發現轟動一時。他在曼哈頓計劃中領導芝加哥大學冶金實驗室的事跡，以及在1945至1953年間擔任聖路易斯華盛頓大學校長的經歷也為人熟知。

1919年，康普頓成為首批受美國國家科學研究委員會資助出外留學的學生，前往英國劍橋大學的卡文迪許實驗室深造。在那裡，他研究了伽馬射線的散射與吸收。他在日後發現的康普頓效應正是基於這些研究。此外，他還利用X射線研究了鐵磁性與宇宙射線，並發現：鐵磁性是電子自旋排列的宏觀表現；宇宙射線主要由帶正電的粒子組成。

第二次世界大戰期間，康普頓是曼哈頓計劃的關鍵人物。他的報告對於計劃的實施非常重要。1942年，他成為芝加哥大學冶金實驗室的領導人，負責建造將鈾轉化為鈽的核反應堆、尋找將鈽從鈾中分離出來的方法以及設計原子彈等工作。康普頓監理了恩里科·費米建造世界首個核反應堆芝加哥1號堆的過程，該反應堆在1942年12月2日開始試運行。芝加哥大學還負責了位於橡樹嶺國家實驗室的X-10石墨反應堆的設計與實現。核燃料鈽元素則在1945年自漢福德區的漢福德B反應堆中開始批量製造出來。

戰後，康普頓成為聖路易斯華盛頓大學的校長。在其任期內，學校正式廢止本科生中的種族隔離，任命了首任女性正教授，又錄取了大量回國老兵。

## 早年

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阿瑟·康普頓1892年9月10日生於俄亥俄州的伍斯特。他是埃利亞斯·康普頓與奧特莉亞·凱薩琳·康普頓的兒子（娘家姓奧格斯普爾格）。康普頓的母親曾當選1939年度的「美國母親」。康普頓生長於書香門第。康普頓的父親是伍斯特大學（伍斯特學院的前身，康普頓曾就讀該校）的院長。長兄卡爾（也曾就讀伍斯特學院）1912年在普林斯頓大學獲得博士學位，並在1930年至1948年間任麻省理工學院的校長。次兄威爾遜·馬丁代爾·康普頓同樣曾經就讀於伍斯特學院，1916年獲得經濟學博士學位，並在1944年至1951年擔任華盛頓州立學院（華盛頓州立大學的前身）的院長。三兄弟都曾是阿爾法-陶-歐米伽互助會的成員。

康普頓年輕時對天文學很有興趣，他曾在1910年拍攝哈雷彗星的相片。1913年，他曾描述過一個通過觀測圓管中水的運動來展示地球自轉的實驗。他在那一年從伍斯特畢業並獲得理學學士學位，同年進入普林斯頓大學就讀。1914年，他得到了碩士學位。康普頓接著在赫里沃德·L·庫克指導下攻讀了物理學博士學位。畢業論文題為《X射線反射的強度及原子中電子的分布》（"The intensity of X-ray reflection, and the distribution of the electrons in atoms"）。

在康普頓1916年獲得博士學位後，他與他的兄弟成為第一組共同從普林斯頓獲得博士學位的三兄弟。後來他們又成為美國第一組同時擔任大學校長的三兄弟。1916年6月，康普頓與貝蒂·夏麗蒂·麥克洛斯基成婚。貝蒂是康普頓在伍斯特學院以及研究生時期的同學。夫婦二人育有兩子，阿瑟·阿蘭·康普頓與約翰·約瑟夫·康普頓。

康普頓曾在1916年至1917年間當過明尼蘇達大學的物理教師，接著在匹茲堡的西屋燈具公司當過兩年工程師。他在那裡研究改進了鈉燈。第一次世界大戰期間，他為美國陸軍信號部隊開發了航空儀器。

1919年，康普頓成為首批受美國國家科學研究委員會資助出外留學的學生。他選擇前往英國劍橋大學的卡文迪許實驗室深造。康普頓與約瑟夫·湯姆孫的兒子喬治·湯姆孫研究了伽馬射線的散射與吸收。他發現經過散射的射線比原射線更容易被吸收。康普頓受到卡文迪許實驗室的各位科學家極大的影響，特別是歐內斯特·盧瑟福、查爾斯·高爾頓·達爾文和阿瑟·愛丁頓。他後來還以約瑟夫·湯姆孫的名字為次子命名。

康普頓當過浸信會的執事。他認為：「科學與認為人是上帝之子的宗教並不衝突。」

## 任教經歷

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### 康普頓效應

1920年，康普頓回國後被任命為聖路易斯華盛頓大學的物理系主任，韋曼·克羅物理學教授。1922年，他在研究X射線被自由電子散射的情況中發現，被散射的X射線波長變長的現象，並與入射的X射線減少的能量（即電子得到的能量）符合普朗克關係。這就是描述電磁輻射的粒子性的「康普頓效應」（或「康普頓散射」）。

1923年，康普頓在《物理評論》雜誌中發表論文，通過愛因斯坦1905年解釋光電效應時預言的光子所具有的動量，解釋了X射線的移位。康普頓在論文中，基於X射線的光子只與一個電子相互作用的假設，推導出X射線的波長移位與散射角的數學關係。他的實驗驗證了這樣的關係

$\lambda' - \lambda = \frac{h}{m_e c}(1-\cos{\theta})$。

式中

$\lambda$是原波長。

$\lambda'$是散射後的波長。

$h$是普朗克常數。

$m_e$是電子靜質量。

$c$是光速。

$\theta$是散射角。

h現在稱作電子的康普頓波長，等於2.43×10^-12m。波長移位λ′ − λ的大小在零（θ = 0°時）與電子康普頓波長的二倍（θ = 180°時）之間。他發現儘管有些X射線經過了大角度的散射，但波長並沒有移位。對於這種案例，光子並沒有與電子發生作用。因此移位大小與電子的康普頓波長無關，而與整個原子的康普頓波長有關，可能會比電子的小一萬倍。

「當我於1923年在美國物理學會的會議上展示我的結果時」，康普頓後來回憶道，「它引起了我所知的最為激烈的科學論爭。」當時的人們非常清楚地了解光的波動性，但人們無法輕易接受光具有波粒二象性的論述。特別是X射線在晶格中的衍射只能利用其波動性來作解釋。康普頓1927年因為他發現的效應獲得了諾貝爾物理學獎。康普頓與阿爾弗雷德·W·西蒙還發展出，在同一時刻，觀察單獨散射X射線光子與反衝電子的方法。德國的瓦爾特·博特與漢斯·蓋革也曾獨立發展過類似的方法。

### X射線

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1923年，康普頓改任芝加哥大學的物理學教授，並任職該職位22年。1925年，他發現，用13萬伏特X射線對於元素周期表中前16個元素（從氫到硫）做散射實驗，都會獲得具有偏振的射線。約瑟夫·湯姆孫已在先前預測到這個結果。哈佛大學的威廉·杜安曾想證明康普頓對康普頓效應的解釋是錯誤的。對於這論述，他曾進行過一系列的證偽實驗，但無法證實康普頓的論述有誤。1924年，杜安最終承認了事實。

康普頓研究過照射X射線於鹽會對鈉離子與氯離子產生的作用。他還利用X射線研究過鐵磁性，並因此推論其與電子自旋排列有關。1926年，他成為通用電氣燈具部的顧問。1934年，他回到英國擔任「伊斯特曼訪問教授」。在那裡，通用電氣公司要求他對於英國通用電氣公司位於溫布利的實驗室做狀況報告。康普頓對於那個實驗室的螢光燈研究很感好奇心。他的報告促使美國方面開始相關的研製工作。

康普頓的首部專著《X射線與電子》（"X-Rays and Electrons"）發行於1926年。他在其中展示了如何利用X射線的衍射圖樣來計算衍射材料的密度。後來，他在塞繆爾·艾利森的幫助下對該書做了修訂，並最終著成《X射線：理論與實驗》（"X-Rays in Theory and Experiment"，1935）。這部專著在之後的三十年裡一直是標準參考書。

### 宇宙射線

三十年代初，康普頓轉向研究宇宙射線。在那個時代，人們儘管已經知道它們的存在，但對它們的來源及性質仍處於推測階段。通過對於一個充滿壓縮空氣或氬氣的圓形「炸彈」進行測量導電性的動作，可以探測到宇宙射線的蹤跡。在歐洲、印度、秘魯以及澳洲的旅行使康普頓得以測量不同經緯度上的宇宙射線。與其他在世界各地觀測的研究組一道，他們發現兩極的宇宙射線比赤道要強上15%。康普頓主張，將宇宙射線假定為由帶電粒子組成，而不是羅伯特·密立根推測的光子，並且地磁場在不同緯度會對帶電粒子產生不同程度的影響，這兩個因素可以解釋這一現象。

## 曼哈頓計劃

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1941年4月，戰時的美國國防部科研委員會首腦萬尼瓦爾·布希籌建了一個由康普頓領導的特別委員會來報告科研委員會的鈾項目。康普頓在其1941年5月提交的報告中預見了放射武器，核動力推進船隻以及使用鈾-235或新近發現的鈽的核武器的開發前景。他在十月份又著手撰寫了一份有關原子彈可行性的報告。在這份報告中，他與恩里科·費米一起計算了鈾-235的臨界質量，保守估計這個量會在20千克至2噸之間。他還與哈羅德·尤里討論了濃縮鈾的實現前景，與尤金·維格納會談關於如何使用核反應堆生產鈽，並與羅伯特·賽培爾說明了如何將反應堆中的鈽從鈾中分離出來。他在十一月提交的報告承認了原子彈的可行性，但有關其破壞力，他的估計量要比馬克·奧利芬特等英國同行預估的要保守一些。

康普頓在十一月提交的報告的最終稿中並沒有提到使用鈽，但在與歐內斯特·勞倫斯討論了新近的研究進展後，他最終還是承認了鈽彈也是可以實現的。同年十二月，康普頓成為鈽計劃的負責人。他希望能在1943年1月實現受控鏈式反應。為了實現目標，他將哥倫比亞大學、普林斯頓大學以及加州大學伯克利分校等學校的研究鈽與核反應堆設計的研究組整合為芝加哥的冶金實驗室。實驗室要實現的目標包括建造將鈾轉化為鈽的反應堆，尋找將鈽從鈾中分離出來的化學方法以及設計製造原子彈。

1942年6月，美國陸軍工兵部隊接管了核武器開發項目，而康普頓的冶金實驗室也成了曼哈頓計劃的一部分。同月，康普頓授權羅伯特·奧本海默設計原子彈。冶金實驗室的各位科學家設計出不同類型的反應堆，儘管當時還沒有建成任何反應堆，康普頓擁有決定哪種類型值得繼續發展的最終權力。

在冶金實驗室的遷址問題仍在討論中時，康普頓決定在斯塔格球場看台下建造首個核反應堆芝加哥1號堆。在費米的指導下，反應堆於1942年12月2日進行了臨界實驗。康普頓安排馬林克羅特公司執行鈾礦的濃縮，指派杜邦公司負責位于田納西州的橡樹嶺的鈽反應堆的部分工程。

鈽項目在1943年7月遭遇了重大危機。埃米利奧·塞格雷發現橡樹嶺的X-10石墨反應堆產生的鈽含有大量的鈽-240。這種同位素會發生自發裂變，不能用於槍型核武器。奧本海默的洛斯阿拉莫斯實驗室承接了設計製造內爆型核武器的任務。

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康普頓1944年9月到達漢福德區，監看反應堆運行的啟動。第一批鈾錠在該年的十一月注入B反應堆。反應堆產生的鈽從1945年2月開始運往洛斯阿拉莫斯。康普頓在戰爭期間一直是首要的科學顧問與管理者。1945年，他與勞倫斯、奧本海默以及費米是一個科學小組的成員。該小組建議在軍事上使用原子彈轟炸日本。康普頓因在曼哈頓工程中的工作獲授功績獎章。

## 重回華盛頓大學

戰後，康普頓辭去了芝加哥大學的查爾斯·H·斯威夫特傑出服務物理教授職位，回到聖路易斯華盛頓大學，並於1946年就任該校的第九任校長。在康普頓的任期內，學校正式於1952年廢止本科生中的種族隔離政策、任命了首任女性正教授，又錄取了大量回國老兵。康普頓個人的聲望以及在美國國內科學界的人脈令學校招募到許多美國國內知名的研究人員。儘管康普頓任內有諸多功績，但因為他在徹底廢止種族隔離方面的動作遲緩，以至華盛頓大學成為聖路易斯最後一所向非裔美國人敞開大門的學府，歷史學家對他有所非議。

1954年，康普頓從校長職位上退休，但仍保留自然哲學傑出服務教授的職位，直至1961年不再擔任全職教員。退休後，他寫了《原子任務》（"Atomic Quest"，1956）一書，自述在曼哈頓計劃中扮演的角色。

## 哲學方面的思考

康普頓是少數幾位支持自由意志兩階段模型的科學家與哲學家（其他支持者包括威廉·詹姆斯、亨利·龐加萊、卡爾·波普爾、亨利·馬格瑙及丹尼爾·丹尼特）。康普頓推崇基於量子不確定性的人類自由說，並於1931年發明了將微觀量子事件放大的概念，這是為了要將「可能性」引入宏觀世界。按照他所設計的怪異機制，他想像將炸藥與他的放大器被綑綁在一起。這放大機制與埃爾溫·薛丁格於1935年發表的薛丁格貓悖論有相似之處。

一些哲學家給出批評，他的構想將「可能性」視為人們行動的直接動因。針對這些意見，康普頓1955年在《大西洋月刊》發表文章澄清了他思想的兩階段性質：首先會有一系列隨機事件，人們再通過選擇的動作添加決定性因素。

## 離世與紀念

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1962年3月15日，康普頓因顱內出血在加利福尼亞州伯克利去世，葬於俄亥俄州伍斯特的伍斯特公墓。在逝世前，他於1962年春成為了加州大學伯克利分校的客座教授。

康普頓一生獲得過大量榮譽，包括諾貝爾物理學獎（1927）、馬泰烏奇獎章（1930）、皇家學會頒發的休斯獎章（1940）以及富蘭克林研究所頒發的富蘭克林獎章（1940）。後人以他的名字命名了以下事物以示對他的紀念：

- 月球上的康普頓環形山（以他和他的哥哥卡爾的名義）。
- 聖路易斯華盛頓大學的物理研究中心。
- 「霍利減速帶」，由康普頓發明的較為和緩的減速帶。
- 芝加哥大學學生宿舍之一的康普頓樓，目前已列入美國國家歷史名勝名錄。
- 聖路易斯的名人步行街也有一顆屬於他的星星。
- 美國航空航天局的康普頓伽瑪射線天文台，康普頓效應是天文台上的儀器探測伽馬射線的核心原理。

## 外部連結

- 《大眾科學》（"Popular Science"）雜誌1932年4月號中 介紹阿瑟·康普頓對宇宙射線研究的文章
- 聖路易斯華盛頓大學 對阿瑟·康普頓的介紹
- 阿爾索斯核問題數字圖書館提供的 帶注釋的阿瑟·康普頓著作
- 資訊哲學家（"Information Philosopher"）對阿瑟·康普頓的介紹
- 諾貝爾獎官方網站中康普頓的傳記
- 美國能源部下屬的科學技術資訊辦公室提供的 傳記與著作資源
- 美國國家科學院提供的 紀念傳記

## 基本資料

- 日語原文：阿瑟·康普頓、Arthur Compton
- 出生：阿瑟·霍利·康普頓
- 出生日期：1892年9月10日
- 出生地：美國俄亥俄州伍斯特
- 逝世日期：1962年3月15日
- 逝世地：美國加利福尼亞州伯克利
- 國籍：美國
- 研究領域：物理學
- 機構：聖路易斯華盛頓大學、芝加哥大學、明尼蘇達大學、柏克萊加州大學
- 母校：伍斯特學院、普林斯頓大學
- 博士導師：赫里沃德·L·庫克
- 博士生：路易斯·阿爾瓦雷茨、溫斯頓·H·博斯蒂克、羅伯特·S·尚克蘭、喬伊斯·A·比爾登、吳有訓
- 知名於：康普頓散射、康普頓波長
- 獲獎：諾貝爾物理學獎（1927）、馬泰烏奇獎章（1930）、富蘭克林獎章（1940）、休斯獎章（1940）、功績獎章（1946）
- 配偶：貝蒂·夏麗蒂·麥克洛斯基
- 子女：阿瑟·阿蘭·康普頓、約翰·約瑟夫·康普頓
- 備註：卡爾·泰勒·康普頓與威爾遜·馬丁代爾·康普頓的弟弟