他是重塑加拿大物理學的破局者_風聞

約翰·斯圖爾特·福斯特是加拿大傑出的物理學家，曾任麥吉爾大學麥克唐納物理學教授、輻射實驗室主任，並獲得麥吉爾大學榮休教授頭銜。他在麥吉爾大學任職期間重塑了該校的物理學研究，對該校乃至加拿大物理學的發展產生了深遠影響。福斯特在斯塔克效應實驗領域取得顯著成就，他帶領的研究團隊做出多項重要工作，使麥吉爾大學在20世紀30年代成為加拿大在光譜學研究領域的重鎮。福斯特主持建造的迴旋加速器更是為麥吉爾大學的核物理學帶來了復興，在加拿大物理學發展史上具有里程碑意義。福斯特在麥吉爾大學培養了超過百名碩士和博士，為加拿大物理學輸送了大量人才。文章通過回顧福斯特的學術生涯和研究工作，分析並總結了他對麥吉爾大學以及加拿大的物理學發展所做出的卓越貢獻。

撰文 | 汪蕊、朱慧涓 (首都師範大學物理系）

來源 | 選自《物理》2025年第5期

01

引言

約翰·斯圖爾特·福斯特 (John Stuart Foster，1890—1964，圖1) 於1890年5月30日出生在加拿大新斯科舍省克拉倫斯的一個農民家庭[1]。1924年，博士畢業於耶魯大學，同年進入麥吉爾大學擔任物理學助理教授。1929年成為加拿大皇家學會院士，1935年當選英國皇家學會院士，並榮升為麥吉爾大學麥克唐納物理學教授。1941年至1944年在麻省理工學院輻射實驗室從事戰時雷達研發工作，1947年因此項貢獻被授予美國銅質自由勳章。1946年在麥吉爾大學建成加拿大第一台迴旋加速器，同年還榮獲加拿大皇家學會託利獎章(Tory Medal)。1952年至1955年擔任麥吉爾大學物理系主任，1955年成為麥吉爾大學首位盧瑟福物理學教授，1958年榮獲加拿大物理學家協會獎章，1960年被授予麥吉爾大學榮休教授。1964年因突發心臟病在美國去世，享年74歲。而就在福斯特去世前3個月，為表彰他在核物理學方面的重要貢獻，麥吉爾大學將他主持建設的輻射實驗室命名為“福斯特輻射實驗室”。

圖1　約翰·斯圖爾特·福斯特

福斯特是20世紀加拿大物理學的重要人物，以其在量子力學和核物理學領域的貢獻而聞名。福斯特不僅在斯塔克效應實驗研究和迴旋加速器建造方面取得了成果，還對麥吉爾大學乃至整個加拿大的物理學發展產生了深遠的影響。在擔任麥吉爾大學物理學教授期間，福斯特通過一系列精確的斯塔克效應實驗，成功地檢驗了量子力學理論對氫原子斯塔克組分的相對強度的預測。後來，他指導多名學生繼續開展斯塔克效應實驗，在該領域取得了豐碩成果。這些成果不僅為量子力學提供了重要的實驗證據，也使麥吉爾大學成為20世紀30年代加拿大物理學研究的中心之一。

隨着斯塔克效應實驗研究逐漸成熟，福斯特敏鋭地意識到需要拓展新的研究領域，於是他轉而投入迴旋加速器的建造和輻射實驗室的建立，並積極推動麥吉爾大學與美國的交流合作，為麥吉爾大學的核物理學研究注入了新的活力。正是在福斯特的領導下，麥吉爾大學在1946年成功建造了加拿大第一台迴旋加速器，並將其應用於放射性物質的研究。這一成就標誌着麥吉爾大學在核物理學領域邁出的重要一步，也為加拿大的核物理研究奠定了基礎。

本文將探討分析福斯特在推動麥吉爾大學物理學發展過程中做出的關鍵貢獻，以此揭示其對麥吉爾大學物理學乃至加拿大物理學發展所起到的重要影響。

02

麥吉爾大學物理系的新人

1924年，福斯特受到麥吉爾大學麥克唐納物理實驗室主任的伊夫 (Arthur Eve，1862—1948) 的邀請回到加拿大，在麥吉爾大學擔任物理學助理教授。這一年，他剛從耶魯大學獲得博士學位，準備在研究上大展拳腳。

麥吉爾大學是加拿大一所歷史悠久的高等學府，建於1821年。該校早期的科學教育由文理學院 (Faculty of Arts) 提供，通常由一名“數學與自然哲學”教授擔任物理學的教學。當時的物理學被冠以“自然哲學”之名，在該校也不太受到重視，獲得的贊助相較其他科學學科要少。直到19世紀90年代初，情況發生了改變，物理學科從“自然哲學”中獨立了出來，有了專門的物理系。一位慷慨的煙草製造商威廉·麥克唐納 (William Macdonald) 向麥吉爾大學共捐贈了80餘萬美元，其中包含了用於設立實驗物理學教席的5萬美元和用於建造物理系大樓所需要的必要經費[2]。麥克唐納物理系大樓 (圖2) 建成於1893年，裏面配備了全新的實驗室設備。物理系以其優良的基礎設施和充足的資金支持吸引了優秀的年輕科學家來此任教，使其在世紀之交的前沿科學發現成為可能。

圖2　麥克唐納物理大樓

在福斯特到來之前，麥吉爾大學物理系曾經有過一段輝煌的時期，那是盧瑟福 (Ernest Rutherford，1871-1937) 擔任麥克唐納實驗物理學教授的時期。盧瑟福與化學系演示員索迪 (Frederick Soddy，1877-1956) 合作，為麥吉爾大學帶來了前沿的天然放射性元素研究，進而提出了化學元素嬗變理論，這一重大發現使盧瑟福摘得1908年諾貝爾化學獎的桂冠。麥吉爾大學物理系也因此興盛起來，但隨着盧瑟福等人的離開以及一戰的爆發，麥吉爾大學物理學的研究重點發生了變化，轉向了潛艇探測和聲納技術的研究[3]。福斯特到來之時，麥吉爾大學物理系還未恢復早期在原子物理學上的光榮傳統，也並沒充分涉及到量子力學領域。百廢待興，這位新人似乎早已做好了準備。

自福斯特在加拿大的蒙特艾莉森大學受到阿諾德 (Harold Arnold，1883-1933) 的物理學啓蒙後，他就立志要成為一名物理學家，為此，他選擇離開家鄉，赴美深造[4]。1920年，福斯特進入耶魯大學物理系，師從邦斯德 (Henry Bumstead) 教授，邦斯德建議他研究德國物理學家斯塔克 (Johannes Stark，1874-1957) 於1913年發現的一種原子現象——斯塔克效應。可惜的是，這位邦斯德教授在1921年年初不幸突發意外離世[5]，福斯特隨後在佩吉 (Leigh Page，1884-1952) 教授的指導下繼續從事此項研究，並在耶魯大學完成了他的首個斯塔克效應實驗。相較於前人的實驗，他提出了一種觀測斯塔克效應的新方法——中性楔法（注：中性楔法，即將中性玻璃與無色玻璃楔形塊粘合在一起，使兩塊玻璃形成一個平面平行板，此為中性楔。在確保狹縫能夠得到均勻照明後，將中性楔放置好，並進行7—8個小時的曝光。），並將其應用於測定氦光譜中各線成分的相對強度。福斯特在1924年拿到了博士學位，此時他已經是斯塔克效應方面的著名學者。帶着這樣的身份，福斯特進入了麥吉爾大學，為其注入了新的研究活力。

03

推動斯塔克效應實驗與光譜學的研究

福斯特為麥吉爾大學帶來的第一個新研究方向就是斯塔克效應的實驗研究。這項研究是他博士期間工作的延續，他準備開展更多的氦和氫的斯塔克效應實驗，並改進實驗儀器，獲得更精確的斯塔克效應值。斯塔克效應實驗是量子力學史上具有里程碑意義的實驗之一，在20世紀20年代中期，量子力學初步建立之時，福斯特的實驗就對其做出了驗證。

福斯特在耶魯大學完成的第一個斯塔克效應實驗是利用中性楔法測定氦光譜中各線成分的相對強度，但這一次實驗中採用的中性楔強度測量方法受到了陰極點蝕的影響。於是福斯特進入麥吉爾大學後在這項研究上的首要工作是改進實驗方法，很快他使用旋轉陰極的方法成功減少了點蝕的影響，並利用這種方法在電場中測量氫和氦原子的斯塔克效應。1926年，福斯特再次進行氦的斯塔克效應實驗，以建立明確的斯塔克效應的譜線圖案。

這一年，福斯特還獲得了一次國際訪學的機會，國際教育委員會資助他前往哥本哈根的尼爾斯·玻爾理論物理研究所進行交流學習。同年夏天，玻爾邀請了理論物理學家海森伯擔任客座講師。福斯特在這裏有機會聆聽量子力學大師們的講座，並瞭解到最前沿的量子力學發展。在此期間，福斯特發表了他一生中最重要的一篇論文《量子力學在氦原子斯塔克效應中的應用》，文中理論的部分利用海森伯的矩陣力學對氦原子中的斯塔克效應進行擾動計算[6]。這篇論文是福斯特對量子力學理論做出的重要貢獻，使他贏得了國際認可和聲譽，同時他在斯塔克效應實驗方面的工作也得到了玻爾的認可：“他 (福斯特) 從麥吉爾那裏帶來的實驗材料引起了這裏的理論工作者的極大熱情，並帶來了許多有啓發性的討論[1]”。此次在玻爾研究所的交流對福斯特後續的研究產生了積極的影響，使他更加確信斯塔克效應實驗具有重要的研究價值。

於是，福斯特在回到麥吉爾大學後努力打造了一支專門從事斯塔克效應實驗以及光譜學的研究團隊。1928年，該團隊迎來了重要的研究成果。福斯特和他的博士研究生喬克 (Laura Chalk，1904-1996) 進一步對氫光譜中斯塔克組分強度進行了定量研究 (圖3)，修正了此前實驗中少數嚴重偏離的數據，得到了更為精確的實驗數據[7]。這一結果發表在《自然》雜誌上。論文明確指出，實驗測量與理論值的比值基本在1.00左右，表明理論值與觀測值幾乎相同，也説明福斯特的實驗結果檢驗了薛定諤波動力學的正確性，進而肯定了量子力學對斯塔克效應的解釋是有效的。這一實驗為量子力學提供了重要的觀測依據，同時也為海森伯和薛定諤等人獲得諾貝爾獎提供了實驗上的支持[8]。

圖3　福斯特在實驗過程中採用了上述三種形式的放電管 (a)改進後的蘇爾多放電管(Lo Surdo tube)，可獲得更高的電場和光譜儀狹縫上圖像的均勻強度，但在通過較大電流時容易過熱；(b)為解決過熱問題而改進的放電管，加入了厚鋁條以傳導熱量。同時，放電管的圓柱形表面有助於在光源的窄帶兩端維持較弱的電場強度，從而更方便使用摩爾光度計進行精確測量；(c)進一步改進的放電管，為了增大光強，採用了圓形截面的放電管，可以保持較大的電流密度。通過調控孔洞直徑和陰極與孔洞的間距，有效降低了陰極上產生的高電場

福斯特團隊完成檢驗量子力學的工作後，轉而研究更為複雜的分子光譜中的斯塔克效應以及電場和磁場的聯合斯塔克效應等問題。這些研究在當時還不是物理學研究的主要領域，不過還是有一些值得關注的問題。對平行電場和磁場中的氦進行的研究表明，平行極化的斯塔克分量不受磁場影響，而垂直的斯塔克分量則各自分成兩個分量，具有塞曼效應。

在斯塔克效應研究之外，20世紀30年代中期，福斯特在洛克菲勒基金會的支持下，開展了對生物材料中微量元素的光譜定量分析實驗。福斯特和他的團隊發表的一系列論文，不僅推動了適用於生物問題的光譜分析定量方法的發展，還特別強調了解決特定生物或醫學問題的重要性。福斯特通過實驗測定了動植物中的微量元素的濃度，並利用石英光譜儀分析了微量元素對動植物體生長和正常發育的影響[9—11]。

正如科學史學家海爾布隆 (John Heilbron) 所指出的，盧瑟福在麥吉爾大學執教期間未能建立起一個學派，他的離開也標誌着麥吉爾大學原子物理學前沿研究的終結。此後一直到福斯特到來之前，麥吉爾大學的物理學基本上遵循傳統路線，未開創新的研究方向。路易斯·金 (Louis King) 和比勒 (Etienne Bieler) 講授的主要科目是電磁學和聲學，巴恩斯 (Howard Barnes) 講授的主要科目是冰的性質和氣象學。而福斯特的到來，為麥吉爾大學引入了一個新的研究領域和獨特的實驗研究路線[12]。福斯特的工作提升了麥吉爾大學在前沿物理學方面的研究水平，也使麥吉爾大學乃至加拿大在20世紀30年代在斯塔克效應實驗領域與光譜學領域具有國際研究水平[13]。福斯特不無信心地説：“在麥吉爾大學，我們現在得到了那些與物理學最近一些傑出進展最密切相關的人的充分信任。與此同時，我們有很好的機會在現代實驗物理學的至少一個階段中保持我們目前的領先地位”[14]。

04

建設迴旋加速器與爭取研究資金

斯塔克效應實驗能夠為一所高校帶來的研究前景畢竟有限（注：在1937年10月給洛克菲勒基金會的一份報告中，福斯特再次強調了研究斯塔克效應對發展麥吉爾大學物理系的重要性，但是後續的斯塔克效應很難開發新的研究領域，以致吸引的學生越來越少。），福斯特又瞄準了核物理學研究領域。20世紀30年代，核物理學開始飛速發展，作為一門基礎物理學領域，核物理學對於理解物質的基本構成和相互作用具有重要意義。福斯特認識到這一點，認為該領域可以保持純物理的標準，發展廣泛的應用，同時還可以為麥吉爾大學吸引最優秀的學生。

開展核物理學需要實驗設備，美國加州大學伯克利分校輻射實驗室的勞倫斯 (Ernest Lawrence，1901-1958) 在1931年建造了第一台迴旋加速器設備，這是20世紀30年代最先進的加速器。福斯特也希望能夠在麥吉爾大學建造類似的加速器設備，從而推動麥吉爾大學在該領域處於領先地位。這一想法得到了當時麥吉爾大學物理系主任的支持。1935年底，福斯特共獲得了15000美元的資金用以建設迴旋加速器[14]。初步計劃仿照伯克利輻射實驗室的加速器建造一台10 MeV的質子迴旋加速器。

兩年後，福斯特與同事們完成了詳細的設計方案。1937年11月，福斯特向麥吉爾大學理事會的財政委員會正式提議建立一個迴旋加速器實驗室，包括15名研究中子和原子核的研究人員。福斯特預想將該實驗室用於生物學研究，通過人工放射性元素探測生物體內元素的運動和分佈情況，為生物學和醫學研究提供新的手段和方法[15]。此外，這個實驗室還將計劃引入更多研究人員到麥吉爾大學從事核物理學的研究，以此恢復麥吉爾大學早期在物理學領域的榮耀。

二戰的爆發導致福斯特的提案被擱置。加拿大雖未直接參戰，但作為美英的同盟，它也需要損耗大量的戰略物資，而回旋加速器的戰略價值決定了其是否繼續建設。1940年，麥吉爾大學新任校長詹姆斯 (Frank Cyril James，1903-1973) 試探地詢問國家研究委員會主席對渥太華提供財政支持的可能性[14]。但得到的回覆是，政府的政策是不向任何對戰爭沒有意義的項目提供資金。於是在1941年10月，詹姆斯下令放棄迴旋加速器的項目。而福斯特本人也由於戰爭的原因，去了美國從事雷達研究。

1944年，二戰結束前夕，迴旋加速器的建造突然又有了轉機。國家研究委員會和麥吉爾大學瞭解到迴旋加速器有助於解決戰爭期間和戰後的科學問題，因此決定重新支持該項目的建設。同年10月，麥吉爾大學理事會授權為迴旋加速器撥款12.5萬美元[14]。迴旋加速器能夠重新建設，國家研究委員會在其中發揮了主導作用。作為曼哈頓工程的一部分，加拿大成立了蒙特利爾國家實驗室，與英美共同合作進行核能研究，並計劃建造一個重水核反應堆[16]。該機構負責人之一是英國物理學家科克羅夫特 (John Cockcroft，1897-1967) （注：約翰·科克羅夫特，英國物理學家，他與沃爾頓(Ernest Walton)因在原子核人工蜕變方面的開創性工作而獲得1951年的諾貝爾物理學獎。1944年，科克羅夫特被派往加拿大負責喬克河項目，併成為加拿大第一個核實驗室的主任。），他認識到了迴旋加速器的重要性，並希望福斯特能夠説服詹姆斯校長重新支持此項目的建造。很快，國家研究委員會表示願意為該計劃提供“強有力的財政支持”[14]。而另一方面，福斯特在麥吉爾大學建造加拿大第一個迴旋加速器的創舉，也獲得了加拿大相關方面的認可，國家研究委員會以及後來的原子能控制委員會 (AECB) 向福斯特提供了可用的資源，包括戰爭期間的戰略物資、戰後的剩餘設備以及國家研究委員會核物理學家未發表的技術信息。

最終1946年，在福斯特的主持下，一個重達300噸、82英寸的調頻100 MeV的質子同步迴旋加速器在麥吉爾大學落成 (圖4)，這個迴旋加速器在當時僅次於美國加州大學建造的加速器，屬於世界第二大回旋加速器。配套建成的還有一座實驗大樓，在福斯特退休的那年，麥吉爾大學將其命名為福斯特輻射實驗室。

圖4　福斯特與麥吉爾迴旋加速器

儘管輻射實驗室於1946年正式開放，但與迴旋加速器有關的第一篇論文和出版物直到1951年才出現。在20世紀50年代早期，最常見的研究是檢查各種元素被高能質子轟擊後產生的放射性。在接下來的三十年裏，福斯特輻射實驗室記錄的放射性活動在世界各地記錄的人造放射性活動中佔據相當大的比例。在50年代末，麥吉爾物理學家將他們的興趣轉移到原子核參與的反應上。1960年，貝爾 (Robert Bell，1918—1992) 成為主任後，實驗室擴大了規模，重點也發生了變化，即進行延遲質子和質子碰撞的研究。麥吉爾大學的迴旋加速器在20世紀70年代得到進一步改進，用於加速質子以外的粒子[17]。

福斯特主持建造的迴旋加速器一直運轉良好，17年後加拿大才出現了第二台規模相當的加速器。麥吉爾大學曾因為盧瑟福等人的工作成為“核物理學的發源地”，福斯特主持建造的迴旋加速器讓核物理學的傳統在麥吉爾大學復興，輻射實驗室和福斯特團隊主導的麥吉爾大學的核物理學研究，為麥吉爾大學在國際物理學界贏得了一席地位，也是加拿大在促進物理研究方面邁出的重要一步。

05

促進與美國的研究合作

20世紀初期，加拿大作為英國的自治領，其科學發展在很大程度上受到了英國的影響和限制。麥吉爾大學的多位物理學教授都曾經在英國接受教育，其中盧瑟福、路易斯·金、伊夫等人畢業於劍橋大學。在盧瑟福1907年離開麥吉爾大學之後，該校的物理學研究開始走下坡路。由於研究經費長期短缺，研究空間、設備和人員不足，再加上繁重的教學和行政責任，威爾遜 (Harold Wilson)、博伊爾 (Robert Boyle) 等教授在1914年前後相繼離職[14]。研究人員的流失致使麥吉爾大學與歐洲物理學水平進一步拉開差距。到了1924年，資深教授格雷 (Joseph Gray) 和路易斯·金相繼辭職，格雷受皇后大學邀請擔任喬恩物理學研究教授 (Chown Research Professor of Physics)，而路易斯·金則是因為身體問題選擇離開，這使麥吉爾大學物理系遭受重創[18]。（注：格雷在墨爾本大學獲得理學學士學位，並在1909年至1912年間在英國曼徹斯特大學跟隨盧瑟福從事研究，1913年獲得博士學位。格雷在加拿大麥吉爾大學相繼擔任物理學講師、副教授和教授，並在第一次世界大戰期間參與了聲音測距的工作。）這兩位教授的離開預示着麥吉爾大學與英國之間的緊密聯繫不再存在了。1919年起擔任物理系系主任的伊夫聯繫了包括盧瑟福、布拉格 (William Bragg，1862-1942) 和達爾文 (Charles Gawton Darwin，1887-1962) 在內的英國資深物理學家，希望他們能推薦適合的人擔任麥吉爾大學物理學教授，但並未有人願意來此。最終，伊夫慧眼識人才，物色到了福斯特，使其入職麥吉爾大學。福斯特的到來打破了麥吉爾大學只招募在英國頂尖大學受過教育人才的傳統[12]。

20世紀30年代美國物理學在國際上的地位上升，也是從這一時期開始，福斯特尋求建立麥吉爾大學與美國之間的聯繫。他定期與伯克利輻射實驗室的勞倫斯和庫克西 (Donald Cooksey) 通信，並將自己的學生送到伯克利學習[4]。勞倫斯是伯克利輻射實驗室的創始人與領導者，福斯特與勞倫斯在耶魯大學求學時就結下了深厚的同窗情誼。此後，兩人一直保持密切的學術交流。這層關係在福斯特的兒子約翰尼·福斯特 (Johnny Foster，1922— ) （注：約翰尼·福斯特，全名John Stuart Foster, Jr，在加州大學伯克利分校獲得博士學位。他深受勞倫斯的影響，參與了勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的大型科學項目，併為核武器研究做出了貢獻。他在1961年至1965年擔任LLNL實驗室主任。因小福斯特在科學和國防領域的貢獻，LLNL在2015年設立了約翰·福斯特獎，每年頒發以表彰在科學、技術和工程或政策制定方面表現出卓越領導力的人。首屆獎項授予了小福斯特本人。）與勞倫斯的合作中得到了延續和加強。而作為勞倫斯的密友，時任輻射實驗室主任助理的庫克西，也曾向福斯特建議過輻射大樓和迴旋加速器的資金分配問題，並誇讚福斯特的輻射大樓設計得非常漂亮[14，19]。

福斯特希望藉助與美國的學術交流逐漸擺脱麥吉爾大學對歐洲物理學的依賴，尤其是消除20世紀頭20年劍橋大學的學術影響。福斯特曾將自己的研究生桑頓 (Robert Thornton) 派去伯克利和勞倫斯一起工作，並告訴他“你會在美國物理學中發現一些非常有趣的事情”[20]。

在建造迴旋加速器的過程中，福斯特也多次尋求勞倫斯的幫助，並和勞倫斯溝通迴旋加速器建造的進程。1936年8月，福斯特寫信給勞倫斯，向其講述了麥吉爾大學核物理學的研究策略，並希望得到勞倫斯的幫助，勞倫斯回信建議其縮減建設規模。1937年，福斯特告訴勞倫斯，他的提案順利通過，並獲得10萬美元的資金[14]，勞倫斯得知後，在1938年為迴旋加速器的建造提出了許多建議。後因建造計劃被推遲，為了能夠繼續推進迴旋加速器的建造，福斯特再次寫信向勞倫斯徵求這一設施在軍事應用方面的建議，但勞倫斯並未給出建設性意見。此外，在戰爭期間，福斯特還試圖聯繫玻爾和勞倫斯，以瞭解新的發展，特別是在原子彈的製造方面。

福斯特在為迴旋加速器的科學應用做籌備時，也向美國其他的科學家瞭解最新的信息。在伯克利的英國科學家奧列芬特 (Mark Oliphant) 建議説，由於大多數放射性元素可以用新的方法和設備製造出來，迴旋加速器在生產化學示蹤劑所需的較重元素方面是有用的，這台機器對於核物理學和快中子放射學工作來説是“必不可少的”[14]。

20世紀中葉，麥吉爾大學在福斯特的帶領下，逐漸擺脱了英國的影響，轉而與美國建立更緊密的科研合作關係。福斯特通過與勞倫斯等美國科學家的交流合作，不僅推動了麥吉爾大學物理學研究的現代化，也為加拿大在國際物理學界中的地位提升奠定了基礎，特別是在迴旋加速器的建設和核物理學研究方面。福斯特的努力使得麥吉爾大學能夠與世界科學中心保持同步，同時也為加拿大在核能研究上提供了重要支持。

06

人才培養

福斯特對麥吉爾大學物理學發展還存在一個重要貢獻，就是他培養了許多物理學優秀人才。

福斯特長期都是麥吉爾大學物理系研究生培養的中堅力量。加拿大皇后大學物理系教授道格拉斯 (Allie Douglas) 曾回憶説：“福斯特在斯塔克效應、新數學工具方面的理論工作，以及在實驗室的靈活探索開闢了一個全新的研究領域。他培養了一批又一批優秀的學生，在麥吉爾大學取得了無與倫比成績”[14]。福斯特在麥吉爾大學開展了多個研究方向：斯塔克效應、定量光譜學、微波雷達和核物理學等，在幾乎每個方向上都培養了一大批學生。

福斯特重點培養學生在複雜設備的構造和操作上的能力，這些經驗使他們日後能夠在工業企業、政府或學術科學領域從事相關工作。福斯特在麥吉爾大學從事光譜學研究期間，藉助他個人籌建的精密儀器，培養了3名研究生。而後，他又發現了斯塔克效應對年輕畢業生的吸引力，因為它將“廣泛而有用的技術訓練與玻爾理論及其現代表述密切相關的理論解釋”結合在一起[14]，還吸引了外部的支持和獎學金。當他從斯塔克效應的研究轉向其他方向時，他共指導了物理系大約80名碩士和30名博士，是當時指導學生最多的教授。在這些學生中，喬克是麥吉爾大學第一位獲得物理學博士學位的女性。這些學生中的大多數人在畢業後仍選擇繼續從事研究工作，其中很多人都對加拿大的物理學發展做出了重要貢獻。

在從事迴旋加速器的建造過程中，福斯特又培養了一眾才華橫溢、訓練有素的物理學家。加拿大物理學家桑頓跟隨福斯特攻讀了碩士和博士學位，其博士論文研究了原子光譜學和斯塔克效應[21]。1933年，福斯特介紹他前往伯克利與勞倫斯合作，並參與了多個迴旋加速器的建設。在第二次世界大戰期間，桑頓參與了曼哈頓工程。戰後，桑頓返回伯克利，領導了184英寸迴旋加速器的建造工作，並在此後27年時間裏擔任物理學教授，他的工作對於迴旋加速器的發展和核物理研究有着重要影響。福斯特輻射實驗室前主任貝爾也是福斯特的學生，他後來成為麥吉爾大學校長[22]。

07

結 語

福斯特作為加拿大傑出的物理學家，在斯塔克效應實驗和核物理學領域取得了重要的成果，雖然他在國際上的知名度相對較低，但他對麥吉爾大學物理學的發展乃至加拿大物理學的發展都做出了極大的貢獻。

在20世紀30年代，核物理學研究在加拿大未得到足夠的重視，在加拿大國家研究委員會屬於邊緣的研究領域[13]。當時，加拿大的核物理學研究仍侷限於對天然放射性元素的研究，幾所著名大學也並不關注核物理學的新近發展。然而福斯特憑藉其敏鋭的科學洞察力，預見了核物理學的重要性，特別是在瞭解到美國核物理學的發展後，主張建設迴旋加速器，使麥吉爾大學在核物理學研究領域邁入先進行列。

此外，福斯特作為麥吉爾大學物理系的教授和輻射實驗室的主任，展現了非凡的研究和領導才能。福斯特意識到麥吉爾大學核物理學需要擺脱對歐洲物理學的依賴，走上獨立發展之路。他採取了多個舉措，既積極有效地提升了麥吉爾大學的實驗物理水平，也尋找到了新的物理學研究方向。他不僅成功搭建了麥吉爾大學與美國研究機構的合作橋樑，還與勞倫斯保持密切聯繫，派遣學生前往伯克利國家輻射實驗室學習前沿技術。此外，他組織了多次核物理學研討會，並積極推動迴旋加速器和新實驗大樓的建設。這些舉措奠定了麥吉爾大學在核物理研究中的重要地位。

福斯特不僅在科研上做出了重要的貢獻，在教學方面也備受尊敬。他為人真誠、直率且幽默，有着高超的教學技巧，深受學生的喜愛。他一旦發現學生的潛力，就會不遺餘力地培養他們。到1960年退休時，福斯特一共培養了81名物理學博士和33名物理學碩士，為麥吉爾大學以及加拿大輸送了大量優秀的物理學人才。

縱觀福斯特的一生，他熱愛自己的科學事業，以卓越的洞察力開闢新的科研方向。他很好地詮釋了一位傑出的實驗物理學家、一名出色的科研領導者、一名優秀的物理教育家的多重角色。

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本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”，原題目為《重塑麥吉爾大學物理學：約翰·斯圖爾特·福斯特的貢獻》。

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