張佳靜

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

費(fèi)米被公認(rèn)為20世紀(jì)首席物理大師之一，他首創(chuàng)了β衰變理論，是弱相互作用理論的前導(dǎo)，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)建造了世界首座自持續(xù)鏈?zhǔn)搅炎兒朔磻?yīng)堆。費(fèi)米還是曼哈頓計(jì)劃的主要領(lǐng)導(dǎo)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(xué)名詞有費(fèi)米黃金定則、費(fèi)米統(tǒng)計(jì)、費(fèi)米子、費(fèi)米面、費(fèi)米液體及費(fèi)米常數(shù)等等。這位對于理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)均做出了重大貢獻(xiàn)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(xué)巔峰，從惡作劇少年到最年輕院士，科學(xué)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(fèi)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(fèi)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(fèi)米出生。3個僅相差一歲的孩子讓費(fèi)米太太力不從心，于是將老二朱利奧和老三費(fèi)米送往鄉(xiāng)下。鄉(xiāng)下相依為命的生活，讓小費(fèi)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(shè)計(jì)的電動機(jī)，并使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；他們繪制出讓周圍所有兒童著迷的飛機(jī)引擎草圖，讓專家們都驚嘆不已；費(fèi)米和哥哥還一同設(shè)計(jì)制作了很多機(jī)械玩具和電動玩具。

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

比薩大學(xué)的“傳奇”學(xué)生

1918年，中學(xué)畢業(yè)的費(fèi)米參加了比薩大學(xué)高等師范學(xué)院的入學(xué)考試。費(fèi)米被要求寫一篇關(guān)于弦振動的論文，費(fèi)米交的論文題為《聲音的性質(zhì)》，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(fèi)米他是一個“出類拔萃”的人。

這個出眾的年輕人到大學(xué)后，幾乎沒有老師可以教他知識，因?yàn)樗锰?。費(fèi)米只有靠自學(xué)獲取知識。費(fèi)米認(rèn)真地研讀了法國科學(xué)家龐加萊的《渦流理論》、德國物理學(xué)家普朗克的《熱力學(xué)》、英國物理學(xué)家理查森的《物質(zhì)的電子理論》和盧瑟福的《放射性物質(zhì)和它們的放射性》等諸多名家名作，甚至還包括丹麥物理學(xué)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(xué)術(shù)鑒別能力。費(fèi)米大學(xué)時期的物理學(xué)老師甚至要求費(fèi)米教他理論物理學(xué)，而費(fèi)米毫不客套，很快給他的老師開設(shè)了一門關(guān)于愛因斯坦相對論的課程。

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

1922年，21歲的費(fèi)米獲得了物理學(xué)博士學(xué)位，論文內(nèi)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(fèi)米要做一場學(xué)位論文公開演講。很多人都期待聽到這位在比薩大學(xué)儼然已經(jīng)成為物理學(xué)權(quán)威人士的學(xué)生的演講，但是這個演講卻讓很多人“失望”了。并不是費(fèi)米的演講內(nèi)容不夠精彩，而是他的物理學(xué)造詣超出了很多人的理解能力，除了少數(shù)幾個人驚訝地?fù)P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(xué)派的物理“教皇”

1923年，費(fèi)米獲得意大利教育部一個自然科學(xué)博士后獎學(xué)金，赴德國哥廷根，跟隨著名理論物理學(xué)家馬克斯·玻恩學(xué)習(xí)量子論。玻恩在量子力學(xué)方面做出的貢獻(xiàn)為費(fèi)米以后的工作提供了必要的知識基礎(chǔ)。1924年，費(fèi)米回到意大利，并在佛羅倫薩大學(xué)教授數(shù)學(xué)。

兩年之后，費(fèi)米的一篇關(guān)于理想氣體行為的論文獲得了意大利著名物理學(xué)家、羅馬大學(xué)物理系主任柯比諾教授的青睞，被邀請擔(dān)任理論物理學(xué)教授的職務(wù)，并開設(shè)了當(dāng)時意大利國內(nèi)第一個理論物理學(xué)講座。26歲的費(fèi)米獲得了人生第一個終身席位，對大多數(shù)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(xué)，費(fèi)米與自己大學(xué)時的同學(xué)、青年物理學(xué)家拉塞蒂一起成為了新成立的羅馬大學(xué)物理研究所的核心人物。他們經(jīng)常與幾位有才華的年輕學(xué)者一起進(jìn)行物理學(xué)探討和研究，后來他們的研究小組被稱為“羅馬學(xué)派”。費(fèi)米被推崇為該學(xué)派的“教皇”，拉塞蒂則成了“紅衣主教”。年輕的“教皇”費(fèi)米不久就讓全世界的物理學(xué)家知道了他的能力：1926年，費(fèi)米與狄拉克分別提出了一種基本粒子所遵循的統(tǒng)計(jì)規(guī)則，后來被稱為“費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)”；1930年，費(fèi)米的研究奠定了量子電動力學(xué)的基礎(chǔ)。

1929年，費(fèi)米被選入意大利皇家學(xué)會，成為當(dāng)時最年輕的會員。出席科學(xué)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(fèi)米個性低調(diào)，不喜歡表現(xiàn)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(dāng)天有一位畫家在費(fèi)米家中畫畫，難為情的費(fèi)米怕被畫家看到自己的裝扮，央求夫人關(guān)閉了大廳中所有的門，給他“清道”。還有一次，費(fèi)米穿著自己的普通衣服去參加科學(xué)院的會議，被警察攔住，最后他謊稱自己是“費(fèi)米閣下”的司機(jī)，才蒙混過關(guān)。

“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(fā)現(xiàn)用具有天然放射性的α粒子去轟擊目標(biāo)物鋁等輕元素時，目標(biāo)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(xué)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(dāng)時全球物理學(xué)家都在思索的問題，但是他們的研究都失敗了，因?yàn)棣亮Ｗ訉τ谵Z擊重元素不起作用。理論物理學(xué)功底扎實(shí)的費(fèi)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(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)大的費(fèi)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(xiàn)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(dāng)他們用中子轟擊元素周期表最后一個元素鈾時，發(fā)現(xiàn)了一種新的元素，在當(dāng)時被稱為“93號元素”。

1938年，費(fèi)米因?yàn)椤罢撟C了由中子轟擊所產(chǎn)生的新的放射性元素，并且發(fā)現(xiàn)了由慢中子引起的核反應(yīng)”而榮獲當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎。

然而在費(fèi)米獲得諾貝爾獎后的第12天，有研究證明費(fèi)米發(fā)現(xiàn)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(jié)果后費(fèi)米的第一反應(yīng)是重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并坦率承認(rèn)和檢討了自己的錯誤，表現(xiàn)出了一個科學(xué)家該有的素養(yǎng)。

核反應(yīng)堆之父

1938年的意大利已經(jīng)開始了反猶太運(yùn)動。盡管費(fèi)米不熱衷政治，但是因?yàn)樗钠拮邮仟q太人，他的家庭已經(jīng)受到了騷擾。于是費(fèi)米夫婦決定，趁著前往瑞典斯德哥爾摩領(lǐng)取諾貝爾獎之際，逃離意大利，移民美國。

1939年2月，費(fèi)米抵達(dá)紐約，并接受了哥倫比亞大學(xué)物理學(xué)教授的職位。費(fèi)米到紐約后獲悉幾位效忠于希特勒政府的法西斯科學(xué)家試圖利用鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理制造原子彈，于是他和幾位科學(xué)家起草了一封由愛因斯坦署名的信，遞交給美國總統(tǒng)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(fèi)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(dān)任綜合顧問。他的任務(wù)是研究受控的、自持的核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，他設(shè)計(jì)了核反應(yīng)所必須的裝置，并將其命名為“核反應(yīng)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(yàn)成功。據(jù)說爆炸前費(fèi)米在地面上灑下些紙片，通過測量原子彈爆炸后轉(zhuǎn)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(zhàn)戰(zhàn)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(zhàn)爭科學(xué)”，回到基礎(chǔ)研究。1946年，費(fèi)米成為芝加哥大學(xué)原子核研究所的教授，并推動建造了芝加哥大學(xué)大型粒子加速器，1950年費(fèi)米當(dāng)選為英國皇家學(xué)會的外籍會員。

全能的物理學(xué)家

在理論物理學(xué)中，費(fèi)米根據(jù)奧地利物理學(xué)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(jìn)入基本粒子物理學(xué)的先河，對物理學(xué)有重大的影響，費(fèi)米認(rèn)為這是他在理論上最偉大的貢獻(xiàn)。

在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)中，費(fèi)米用中子產(chǎn)生放射性現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)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(jìn)了原子能時代。

費(fèi)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(jī)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(fù)合模型。1952年，費(fèi)米發(fā)現(xiàn)了第一個強(qiáng)子共振──同位旋四重態(tài)。

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

1954年，費(fèi)米不幸患上胃癌。當(dāng)他的同事去醫(yī)院看望他時，費(fèi)米正在測量他靜脈輸液管里液體的流速，數(shù)著液體的滴數(shù)，用秒表為它們計(jì)時。1954年12月9日，費(fèi)米逝世，年僅54歲。

為了紀(jì)念費(fèi)米對物理學(xué)的貢獻(xiàn)，原子序數(shù)為100的元素被命名為鐨。楊振寧曾這樣評價費(fèi)米：“他是20世紀(jì)一位大物理學(xué)家，他是最后一位既做理論，又做實(shí)驗(yàn)，而且在兩個方面都有一流貢獻(xiàn)的大物理學(xué)家。認(rèn)識費(fèi)米的人普遍認(rèn)為，他之所以能取得這么大的成就，是因?yàn)樗奈锢韺W(xué)是建立在穩(wěn)固的基礎(chǔ)上的，他總是雙腳落地的?！?/p>