費米的物理“教皇”之路

張佳靜

如果讓你隨便說出一個國際著名實驗室，你會想到哪一個？很多人都會脫口而出：費米實驗室。位于美國伊利諾伊州的費米實驗室全稱為費米國立加速器實驗室，擁有目前全世界能量輸出最高的粒子加速器，由于其經常取得世界矚目的科研成果而全球聞名。這么重要的實驗室，以費米命名，那么費米是何許人物呢？

費米被公認為20世紀首席物理大師之一，他首創了β衰變理論，是弱相互作用理論的前導，負責設計建造了世界首座自持續鏈式裂變核反應堆。費米還是曼哈頓計劃的主要領導者，與羅伯特·奧本海默共同被尊稱為“原子彈之父”。以他的名字命名的科學名詞有費米黃金定則、費米統計、費米子、費米面、費米液體及費米常數等等。這位對于理論物理學和實驗物理學均做出了重大貢獻的跨界物理大師，有一個外號叫“教皇”。從愛讀書的小孩到科學巔峰，從惡作劇少年到最年輕院士，科學之路上這位物理“教皇”留下了怎樣的故事呢？

通過閱讀走出童年陰影

恩里科·費米出生在意大利羅馬一個小康之家。父親阿爾伯托是一位鐵路段長，費米的母親生育了3個孩子：1899年瑪利亞出生，1900年朱利奧出生，1901年我們的主角——恩里科·費米出生。3個僅相差一歲的孩子讓費米太太力不從心，于是將老二朱利奧和老三費米送往鄉下。鄉下相依為命的生活，讓小費米和哥哥朱利奧建立起了深深的感情依賴。他們年齡相仿，都天賦異稟，都有著非同一般的聰慧。童年時，他們一起制作出自己設計的電動機，并使電動機運轉；他們繪制出讓周圍所有兒童著迷的飛機引擎草圖，讓專家們都驚嘆不已；費米和哥哥還一同設計制作了很多機械玩具和電動玩具。

1915年冬天的一個突發事件改變了費米的一生。朱利奧突然不幸病逝了，費米從此失去了最好的朋友和玩伴。哥哥去世后，學習成了費米排解憂傷的唯一方式。他深深地沉醉在數學和物理學中，在輕輕松松完成了學校的功課后，還如饑似渴地到處尋找書籍，他閱讀了《物理數學初步》這本專業書籍，并認為這是一本非常好的書。這種閱讀和學習培養了費米清晰的思維、數學方面的才能和對科學的興趣，也為費米后來的科學之路奠定了基礎。

比薩大學的“傳奇”學生

1918年，中學畢業的費米參加了比薩大學高等師范學院的入學考試。費米被要求寫一篇關于弦振動的論文，費米交的論文題為《聲音的性質》，文中他列出了一根振動棒的偏微分方程，并用傅立葉分析解出了這個方程。這篇出自高中生之手的論文讓主考官驚嘆，甚至決定面見這個才華橫溢的年輕人，并告訴費米他是一個“出類拔萃”的人。

這個出眾的年輕人到大學后，幾乎沒有老師可以教他知識，因為他懂得太多。費米只有靠自學獲取知識。費米認真地研讀了法國科學家龐加萊的《渦流理論》、德國物理學家普朗克的《熱力學》、英國物理學家理查森的《物質的電子理論》和盧瑟福的《放射性物質和它們的放射性》等諸多名家名作，甚至還包括丹麥物理學家玻爾論氫原子的第一篇論文。從他選擇的書目就可以看出他超出同齡人的學術鑒別能力。費米大學時期的物理學老師甚至要求費米教他理論物理學，而費米毫不客套，很快給他的老師開設了一門關于愛因斯坦相對論的課程。

1920年，費米通過了預備性課程，進入比薩大學物理系準備他的博士論文。物理實驗室的主任給了他很大的自由，他和同學弗朗科·拉塞蒂等人擁有實驗室、圖書館、儀器室的鑰匙，可以隨時查閱資料，做實驗。費米和他的好朋友們在這里盡情發揮著自己的才能。盡管費米后來以理論物理學家著稱，但這段經歷卻鍛煉了他的動手能力，而且他一直認為理論與實驗工作同等重要。

1922年，21歲的費米獲得了物理學博士學位，論文內容是彎曲晶體的X射線衍射以及由此方法獲得的圖像。按照慣例，費米要做一場學位論文公開演講。很多人都期待聽到這位在比薩大學儼然已經成為物理學權威人士的學生的演講，但是這個演講卻讓很多人“失望”了。并不是費米的演講內容不夠精彩，而是他的物理學造詣超出了很多人的理解能力，除了少數幾個人驚訝地揚起眉毛之外，其他人均是一頭霧水，觀眾席中甚至有人打起哈欠。

羅馬學派的物理“教皇”

1923年，費米獲得意大利教育部一個自然科學博士后獎學金，赴德國哥廷根，跟隨著名理論物理學家馬克斯·玻恩學習量子論。玻恩在量子力學方面做出的貢獻為費米以后的工作提供了必要的知識基礎。1924年，費米回到意大利，并在佛羅倫薩大學教授數學。

兩年之后，費米的一篇關于理想氣體行為的論文獲得了意大利著名物理學家、羅馬大學物理系主任柯比諾教授的青睞，被邀請擔任理論物理學教授的職務，并開設了當時意大利國內第一個理論物理學講座。26歲的費米獲得了人生第一個終身席位，對大多數教授來說，他們可能要到50歲才能得到這個席位。

在羅馬大學，費米與自己大學時的同學、青年物理學家拉塞蒂一起成為了新成立的羅馬大學物理研究所的核心人物。他們經常與幾位有才華的年輕學者一起進行物理學探討和研究，后來他們的研究小組被稱為“羅馬學派”。費米被推崇為該學派的“教皇”，拉塞蒂則成了“紅衣主教”。年輕的“教皇”費米不久就讓全世界的物理學家知道了他的能力：1926年，費米與狄拉克分別提出了一種基本粒子所遵循的統計規則，后來被稱為“費米—狄拉克統計”；1930年，費米的研究奠定了量子電動力學的基礎。

1929年，費米被選入意大利皇家學會，成為當時最年輕的會員。出席科學院會議時要穿著特制的院士服，服裝上有大量的鏤花紋飾，褲子上鑲有銀片，看起來雍容華貴，銀光閃閃。費米個性低調，不喜歡表現自己，非常不喜歡穿這種花哨的衣服。有一次會議必須穿著院士服，恰巧當天有一位畫家在費米家中畫畫，難為情的費米怕被畫家看到自己的裝扮，央求夫人關閉了大廳中所有的門，給他“清道”。還有一次，費米穿著自己的普通衣服去參加科學院的會議，被警察攔住，最后他謊稱自己是“費米閣下”的司機，才蒙混過關。

“知錯必改”的諾貝爾獎獲得者

1934年，居里夫人的女兒伊倫娜·約里奧·居里和她的丈夫發現用具有天然放射性的α粒子去轟擊目標物鋁等輕元素時，目標物也會具有放射性，他們開拓性的研究獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

那么重元素被α粒子轟擊，會不會帶有放射性呢？這個問題成了當時全球物理學家都在思索的問題，但是他們的研究都失敗了，因為α粒子對于轟擊重元素不起作用。理論物理學功底扎實的費米想到了使用降低了速度但增加了能量的中子來轟擊元素。實驗能力強大的費米和他的研究伙伴們按照元素周期表的順序，一個一個用中子去轟擊這些元素，從氟開始，奇跡出現了，其后的元素被一個個激活，不到兩個月的時間，他們獲得了三十幾種新的放射同位素。當他們用中子轟擊元素周期表最后一個元素鈾時，發現了一種新的元素，在當時被稱為“93號元素”。

1938年，費米因為“論證了由中子轟擊所產生的新的放射性元素，并且發現了由慢中子引起的核反應”而榮獲當年的諾貝爾物理學獎。

然而在費米獲得諾貝爾獎后的第12天，有研究證明費米發現的新元素“93號元素”竟然是已知的第56號元素鋇。聽到這個結果后費米的第一反應是重復了實驗，并坦率承認和檢討了自己的錯誤，表現出了一個科學家該有的素養。

核反應堆之父

1938年的意大利已經開始了反猶太運動。盡管費米不熱衷政治，但是因為他的妻子是猶太人，他的家庭已經受到了騷擾。于是費米夫婦決定，趁著前往瑞典斯德哥爾摩領取諾貝爾獎之際，逃離意大利，移民美國。

1939年2月，費米抵達紐約，并接受了哥倫比亞大學物理學教授的職位。費米到紐約后獲悉幾位效忠于希特勒政府的法西斯科學家試圖利用鏈式反應的原理制造原子彈，于是他和幾位科學家起草了一封由愛因斯坦署名的信，遞交給美國總統羅斯福，提醒他注意這一威脅。羅斯福馬上行動起來，并推動組織了制造人類歷史上第一顆原子彈的曼哈頓工程。

費米使用了一個叫作亨利·法默的假名字，在這個龐大而又有歷史意義的工程中擔任綜合顧問。他的任務是研究受控的、自持的核鏈式反應，他設計了核反應所必須的裝置，并將其命名為“核反應堆”。1945年6月，在新墨西哥州的一個空軍基地，第一顆原子彈爆炸試驗成功。據說爆炸前費米在地面上灑下些紙片，通過測量原子彈爆炸后轉化成氣流的力量來測定原子彈的威力。幾個星期后，原子彈被用于二戰戰場——日本的廣島和長崎。

原子彈給人類帶來的傷害讓他陷入深深的思考，他決心離開“戰爭科學”，回到基礎研究。1946年，費米成為芝加哥大學原子核研究所的教授，并推動建造了芝加哥大學大型粒子加速器，1950年費米當選為英國皇家學會的外籍會員。

全能的物理學家

在理論物理學中，費米根據奧地利物理學家泡利提出的“中微子”概念，提出β衰變理論，這個理論開啟了場論進入基本粒子物理學的先河，對物理學有重大的影響，費米認為這是他在理論上最偉大的貢獻。

在實驗物理學中，費米用中子產生放射性現象的實驗導致了原子裂變的首次成功，而原子裂變是核動力和原子彈的基本原理，這是人類歷史的一個里程碑——人類由此走進了原子能時代。

費米一生的最后幾年，主要從事高能物理的研究。1949年，他揭示了宇宙線中原粒子的加速機制，研究了Л介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙線起源理論。他與楊振寧合作，提出基本粒子的第一個復合模型。1952年，費米發現了第一個強子共振──同位旋四重態。

費米還培養了一批年輕物理學家，他對這些年輕人傾注了極大的熱情和心血，他們在費米的引導下都獲得了巨大成就，其中包括來自中國的學生楊振寧和李政道。

1954年，費米不幸患上胃癌。當他的同事去醫院看望他時，費米正在測量他靜脈輸液管里液體的流速，數著液體的滴數，用秒表為它們計時。1954年12月9日，費米逝世，年僅54歲。

為了紀念費米對物理學的貢獻，原子序數為100的元素被命名為鐨。楊振寧曾這樣評價費米：“他是20世紀一位大物理學家，他是最后一位既做理論，又做實驗，而且在兩個方面都有一流貢獻的大物理學家。認識費米的人普遍認為，他之所以能取得這么大的成就，是因為他的物理學是建立在穩固的基礎上的，他總是雙腳落地的?！?/p>