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张煦在哈佛铜像前（1936年）
1936年秋，张煦随同一群中国青年学生，怀着“科学救国”“实业救国”的理想，登上“太平洋”号客轮，远渡美国，开始其异邦求学生涯。张煦选择的学校是位于美国东部剑桥的哈佛大学。
哈佛大学创办于1636年，是英格兰移民美洲的一批清教徒在新大陆创建的第一所大学。这些清教徒在英国的剑桥大学受过古典式的高等教育，为了使子女在新大陆也能享受跟他们一样的教育，于是模仿剑桥大学的模式，在马萨诸塞州的波士顿大市区查尔斯河畔创办了一所学校。起初学校命名为“剑桥学院”。1639年，为了纪念学校的创办者和主要捐助者约翰·哈佛（John Harvard，1607—1638），经马萨诸塞州议会同意，更名为“哈佛学院”。哈佛大学从创办之初，就以追求真理为宗旨，其校徽上用拉丁文写着“VERITAS”，即真理。校训则写着：“以柏拉图为友，以亚里士多德为友，更要以真理为友。”
哈佛大学校徽
北美独立战争时期，哈佛学院成为支持美国独立的重要思想阵地。战后学校进行了一系列改革，并于1780年升格为哈佛大学。学校除了原有的以文理为主科的哈佛学院，先后又开设了神学院、法学院等，成为正式的大学建制。进入19世纪，在一些曾留学德国的年轻教师推动下，哈佛大学从过去模仿剑桥大学，以古典教育为宗旨的传统，逐渐转变为德国式的现代教育。即减少古典学的课程，增加数理科学教育，兴办理学院、天文台等。到19世纪末20世纪初，哈佛大学已经办成包括法学院、医学院、商业管理学院、文理学院等学科比较齐全的综合性大学。
在张煦就读哈佛大学期间，校长是化学家科南特（J.b. Conant，1893—1978）。科南特担任哈佛大学校长长达20年（1933—1953），对学校做了多项大胆改革，推行通识教育，大力加强研究生教育，实行课程必修与选修相结合，普通教育与专业教育相结合的办法，使学校办学质量有了飞速发展，成为世界一流的综合性研究型大学。按照校长科南特的说法，“大学的荣誉，不在它的校舍和人数，而在于它一代一代人的质量。”
校长科南特的个人魄力与学术追求，加上校友们的大力支持，使学校经费非常充足，哈佛大学一直重视聘请世界各地最有名的学者到校任教或做短期讲学、访问研究，学校学术氛围浓厚，研究水平大幅提高。张煦于此时期到哈佛求学，可以说恰逢其时。
留学哈佛是当今很多中国青年学生的最大梦想之一，但在当时的背景下，“实业救国”的理想更为迫切，许多留学生及其家长更愿意选择麻省理工学院等以工程见长的工科院校。一则因为这些工科性质的学校不但专业更为“实用”，符合实业救国的理想；二则这些学校的办学方式、专业设置与交通大学的办学传统相似，选择专业也要容易些。比如，跟张煦同年毕业的钱学森，先到麻省理工学院攻读硕士学位，后又转到加州理工学院攻读博士学位。张煦的好友张钟俊直接到麻省理工学院攻读硕士和博士学位。相对而言，张煦在数学、物理等基础理论方面比较擅长，计算能力也很强，但并不十分善于动手。因此，他比较偏重基础理论研究，哈佛大学拥有比较宽厚的基础理论，更适合他的风格。1936秋至1937年夏，张煦在哈佛大学研究生院的物理与通信工程（Physics & Communication Engineering）专业修硕士研究生课程。1937年6月，张煦获得哈佛大学科学硕士学位，学位论文研究方向为高频振荡电磁场发射器的特征。
按照当时庚款公费留美的资助计划，公费留学生只能在美国留学两年，也就是说，张煦的留学生涯将在1938年夏结束。此时，张煦的无锡老家已经是敌占区，处于一片混乱恐慌中，父亲张德载也失去工作了。张煦与其兄张烈同在美国留学，家庭经济不堪重负。他原打算拿到哈佛大学硕士学位后，到贝尔电话公司等电信企业实习一年，然后回国服务。于是，1937年夏，张煦准备向其导师，哈佛大学的查菲（E.L. Chaffee）教授等辞行，到贝尔电话公司实习一年，然后回国工作。当时，查菲教授即将升任哈佛大学克鲁孚脱（Cruft）研究所主任，可以单独招收博士研究生。查菲为张煦的处境感到非常惋惜。因为张煦学习很努力，成绩也特别优秀，每门课成绩都是A，若就此回到中国，学业很可能就此荒废。于是，查菲好意挽留张煦继续做博士论文，帮助他申请奖学金，并安排适当工作，以解决留学费用和生活费用问题。
由此，1937年6月至9月，张煦到麻省理工学院暑期学校学习和做实验。1937年9月至1938年8月，在贝尔电话公司（纽约）以及美联邦无线电厂等实习一年，之后又回到哈佛大学。