費米：永遠的物理教皇

美籍意大利裔物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi，1901年9月29日—1954年11月28日）是二十世紀最偉大的物理學家之一，理論和實驗均臻大師境界。他也是原子彈的設(shè)計師和締造者之一，被譽為“原子能之父”。

導讀：

在費米領(lǐng)導建造第一個核反應(yīng)堆的地方，有一座名為《核能》的雕塑。有人說像蘑菇云，有人說像骷髏。雕塑的作者、英國雕塑家亨利·斯賓賽·摩爾說，這是教堂的形象。

用教堂紀念物理教皇，太合適不過了。

瞿立建 |撰文

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費米最后一項計算：自己的壽命

1954年10月9日，費米做了手術(shù)，醫(yī)生告訴他，他的胃癌無可挽回，只有幾個月的生命了。

費米年僅53歲，卻在走向生命終點，但費米一切如常，友好、理性、幽默。

與費米關(guān)系特別密切的物理學家們陸陸續(xù)續(xù)前來探望。

費米的學生和親密合作的同事埃米利奧·塞格雷（Emilio Segrè，1905年1月30日—1989年4月22日）來了。

埃米利奧發(fā)現(xiàn)，費米躺在病床上，“正在輸營養(yǎng)液。他拿秒表數(shù)著液滴，以一貫的方式測算著營養(yǎng)液的流量。看起來他好像正在與己無關(guān)的東西上進行一個普通的物理實驗。”

離開病房后，塞格雷非常難過，幾乎要崩潰。他獨自走進酒吧，要了一杯烈酒。

費米是塞格雷的偶像和指路明燈，現(xiàn)在卻時日無多了，真是難以接受。

塞格雷不禁想起他和費米年輕時一起在羅馬工作的日子，一起做出問鼎諾貝爾獎的工作，讓伽利略的故鄉(xiāng)重新煥發(fā)科學的榮光。業(yè)余時間，同事們一起登山、遠足，還互相起外號。費米的外號是物理教皇，因為費米分析物理問題，就像教皇一樣，金口玉言，絕無差錯。

11月3日，費米回家養(yǎng)病，度過最后的歲月。費米夫人勞拉租了一張病床，安置在家里。費米對勞拉說：“租到本月月底就行了，之后我就不需要病床了。”

11月28日，費米的心臟停止了跳動。他又一次做出了非常準確的計算。

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自學成才

4歲的費米（中間）與5歲的哥哥和6歲的姐姐

恩里科·費米于1901年9月29日生于意大利首都羅馬。費米的父親阿爾貝托在鐵路公司工作，母親是小學教師。費米上邊有一個哥哥和姐姐，三個孩子依次相差一歲。

兄弟倆自幼喜歡建造模型和裝配電機等活動，并對自然科學和工程很感興趣。

1914年，恩里科13歲，他的數(shù)學天賦顯現(xiàn)了出來。恩里科父親的同事阿米代伊 （Adolfo Amidei） 發(fā)現(xiàn)恩里科喜歡數(shù)學，便借了幾本數(shù)學書給他，結(jié)果恩里科很快就能解完書里的習題，這令阿米代伊贊嘆不已。

1915年，費米家族發(fā)生一悲劇性事件，大兒子死在了手術(shù)臺上。一家人傷心欲絕。

阿米代伊借給恩里科更多數(shù)學書，希望學習能排解他的痛苦。一天，費米來還一本微積分的書，阿米代伊說，送給你吧。費米回答，不必了，這本書我已經(jīng)全部掌握了。此后40年，費米說掌握了什么事情的時候，就是真的掌握了。

恩里科哥哥的同學恩里科·佩爾西科 （Enrico Persico，1900年8月9日——1969年6月17日） 這時成了恩里科的朋友，一起制造機械裝置的伙伴。15年后，兩位恩里科成為了意大利第一流的物理學家。

1915年年底的一天，兩位恩里科在羅馬的鮮花廣場淘書。費米淘到一本拉丁文著作Elementorum physicae mathematicae （《數(shù)學物理基礎(chǔ)》） ，這是一部900多頁的大部頭著作，內(nèi)容廣泛，涵蓋數(shù)學、經(jīng)典力學、天文學、光學和聲學等主題。此書出版于1840年，作者是意大利數(shù)學家、物理學家Andrea Caraffa。

接下來的幾個星期里，費米仔細研讀此書，一有所得就寫在自己的筆記本上。

在20世紀的物理天才中，費米可能不是唯一完全靠自學成才的，但他極有可能是唯一最早從拉丁文著作接觸物理學的。

費米到了要考慮上大學的年紀了。當時的意大利的大學沒有學生宿舍，所以，費米比較好的選擇是，就在羅馬上大學，住在自己家里。阿米代伊覺得不妥。費米一家一直沒有走出喪子之痛，籠罩在愁云慘霧的氣氛下，阿米代伊認為，這對費米的成長非常不利。

阿米代伊也給費米想好了一個好的去處——比薩高等師范學校。這所學校是拿破侖仿巴黎高等師范學校創(chuàng)建的，是意大利首屈一指的精英學府。

費米父母不同意兒子離家求學，豈不是等于又失去一個兒子嗎。阿米代伊耐心做費米父母的工作，終于使二人點頭同意。

費米的高三最后一年沒有再去學校，而是經(jīng)常與佩爾西科在羅馬氣象研究所 （Rome Meteorological Institute） 做各種物理實驗。二人之所以能來這里，是因為費米的科學老師在這里做所長。

俄國物理學家奧列斯特·赫沃爾松（Orest Khvolson，1852年12月4日——1934年5月11日），沙俄和蘇聯(lián)著名物理學家，他的五卷本《物理教程》（Physics Course）是俄國大學的主要教科書，被翻譯成德語、法語和西班牙語。費米自學了此書。

費米在羅馬氣象研究所的圖書館找到一套五卷本《物理教程》 （Physics Course） ，超過4000頁，作者是俄國物理學家奧列斯特·赫沃爾松，費米看到的是這套書的法語譯本。

1918年夏天，費米自學了此書。費米跳過自己熟悉的內(nèi)容，一天看一百多頁，雖然閱讀速度快，但掌握程度令人嘆為觀止，為經(jīng)典物理學的每一部分都打好了基礎(chǔ)。

費米還聽從阿米代伊的建議，學習了德語，這是當時最前沿的科技論文所廣泛采用的語言。聽從這個建議并不容易，因為德國是一戰(zhàn)期間意大利的敵國。

1918年11月，費米參加了比薩高師的入學考試。

考試共四天，前三天是8個小時的筆試，第四天為口試。筆試內(nèi)容為代數(shù)、幾何、物理，每個科目還都要寫一篇小論文。

費米的考卷讓考官嘆服，為自己贏得“早熟的天才”的贊譽。費米的物理科目小論文更是讓考官們擊節(jié)贊嘆，就算是一個頗有天分的研究生來寫都令人難以想象，更不必說會出自一位高中生之手。

負責考試的三人委員會，主任是羅馬大學的幾何學教授朱利奧·皮塔雷利 (Giulio Pittarelli，1852年——1934年) ，他忍不住要提前見一下費米，盡管他清楚，這是違規(guī)行為。

皮塔雷利在辦公室與費米見面，就費米的論文，連續(xù)發(fā)問。費米雖然戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，但沉著應(yīng)答，讓皮塔雷利確信眼前的學生沒有作弊。皮塔雷利告訴費米，自己從教四十年，見到了天分最高的學生。

費米果然以優(yōu)異的成績被錄取。

1918年12月，費米來比薩高師報到。

那個時代的意大利，物理被看作是一門實驗課，相應(yīng)地在教學上就只是強調(diào)那些適合課堂演示的物理現(xiàn)象。這與費米的知識水平相比，簡直是小兒科。費米只好自學物理，深入研讀龐加萊、索末菲、盧瑟福等大家的德語、法語、英語的物理學著作。他還開始閱讀學術(shù)刊物，比如德語的物理學頂尖期刊Zeitschrift für Physik （物理學報） ，他可能是學校里該期刊的唯一讀者。

費米依然堅持他一貫的閱讀方法，把復雜內(nèi)容理解清晰之后，記錄在筆記本上。

在比薩高師，費米就是唯一對物理學前沿有真正理解的人。比薩高師只有一位物理學教授，路易吉·普錢蒂 （Luigi Puccianti，1875年6月11日—1952年6月9日） 。好在他并不嫉賢妒能，反而虛心向費米講解物理學前沿知識。

費米還幸運地在高師收獲了一位同樣聰明的朋友，佛朗哥·拉塞蒂 （Franco Rasetti，1901年8月10日——2001年12月5日） ，他是工程專業(yè)學生。

1922年7月，費米畢業(yè)并獲得Laurea學位，在意大利就可以被稱為博士了，而在其他國家，這其實是學士學位。意大利直到1980年代中期才引入與國際接軌的學位制度，Laurea 成為學士學位。

畢業(yè)了，就要考慮就業(yè)問題了。

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教授之路

在意大利，進入學術(shù)生涯的既定路線是，先給一個給教授做助理，然后做講師，獲得講課的資格，但薪水很低甚至沒有。熬上幾年，通過教育部一個五位教授組成的委員會的評審，就可以做教授了，先在一所不入流的大學任教，幾年之后，再逐步調(diào)動至比較好的大學，如都靈大學、博洛尼亞大學等。在這樣的體系中，最重要的是人脈，而非才華。

費米非常了解這個系統(tǒng)，也急切地想盡快進入并達到這個系統(tǒng)的頂部——羅馬大學。

費米畢業(yè)之后，回到羅馬家中，拜會羅馬大學的一些教授，其中包括意大利當時的物理泰斗科爾比諾，他當時是羅馬大學教授、參議員、教育部長。

奧爾索·科爾比諾（Orso Corbino，1876年4月30日—1937年1月23日），意大利物理學家和政治家，費米的伯樂。

科爾比諾幾乎是意大利當時老一輩物理學家中唯一理解物理學最新發(fā)展的人，他尤其非常關(guān)注量子物理的重大進展，然而看到意大利沒有人投身于此，十分苦惱。這時，費米出現(xiàn)在他的辦公室。一番交談之后，科爾比諾認定了費米就是意大利現(xiàn)代物理的希望。

科爾比諾在意大利官學兩界很有面子，但也不是一言九鼎，他給費米安排教授職位頗為不順。到了1926年，費米已經(jīng)躋身于最頂尖的物理學家行列，在意大利依然沒有競爭到一個物理學教授頭銜，而只能委身于低薪講師職位。

科爾比諾動用自己的地位，沒有職位就創(chuàng)造職位。在他一番運作之下，羅馬大學設(shè)立了意大利第一個理論物理教授席位，費米順利獲得了這一職位。

費米成為教授之后，迅速組建了一個年輕的團隊。他終于有機會大顯身手了。

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諾貝爾獎

費米立志把羅馬大學物理系建成世界第一流的物理系。

費米邀請他在比薩的同學、好友拉塞蒂來到羅馬。費米團隊還有三個學生，埃米利奧·塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905年1月30日—1989年4月22日）、愛德華多·阿馬爾迪（Edoardo Amaldi，1908年9月5日——1989年12月5日）和埃托雷·馬約拉納（Ettore Majorana，1906年8月5日——？），后來還有一位化學家斯卡·達戈斯蒂諾（Oscar D’Agostino，1901年8月29日——1975年3月16日）加入。費米團隊的成員都很年輕，都不超過30歲，被合稱為“帕尼斯佩爾納大道少年團（Via Panisperna boys）”。帕尼斯佩爾納大道是羅馬大學物理系所在地。

帕尼斯佩爾納大道上的少年團部分成員，從左至右依次為：達戈斯蒂諾、塞格雷、阿馬爾迪、 拉塞蒂、 費米。

帕尼斯佩爾納大道上的少年團部分成員，從左至右依次為：達戈斯蒂諾、塞格雷、阿馬爾迪、拉塞蒂、費米。

這個團隊成員親密無間，互相起外號，費米被稱為“教皇”，因為他金口玉言，永不出錯。拉塞蒂是費米的助手，因此得外號“紅衣主教”。關(guān)懷他們的長者科爾比諾被他們親切地稱為“圣父”。

1928年7月19日，費米結(jié)婚，妻子勞拉是一位猶太姑娘，來自意大利上層社會，父親是海軍上將。

意大利在法西斯黨一黨專政和墨索里尼一人獨裁下，專政氣氛越來越濃厚，學術(shù)界活動也受到干擾，但費米的團隊兩耳不聞窗外事，專心致志搞研究，不斷有重要工作發(fā)表。到1930年，費米和羅馬大學物理系有了相當?shù)膰H聲譽。費米要更進一步，進軍當時最激動人心的領(lǐng)域——原子核物理。

當時，原子核物理主要問題有哪些？

氫原子核就是質(zhì)子，元素周期表上氫之后氦的原子核里應(yīng)有兩個質(zhì)子，但氦原子核的質(zhì)量卻大約是質(zhì)子的4倍，所以原子核里肯定還有別的東西存在，那是什么？

原子核中的質(zhì)子之間會有靜電斥力，如何抱成一團？不可能是萬有引力，它太弱了。

當時發(fā)現(xiàn)，放射性元素會發(fā)生兩種衰變，α衰變和β衰變。α衰變會釋放一個帶正電的粒子，稱為α粒子，后來確認，它就是氦原子核。β衰變中，會有一個電子釋放出來。原子核中為什么會有電子跑出來？

有人提出，原子核中原本就有電子，比如，氦原子核中，有4個質(zhì)子兩個電子，所以對外顯示兩個單位的正電荷。這種猜想會帶來更多問題，電子-質(zhì)子對如何形成？因何解離？電子如何跑出來？

β衰變還有一個更嚴重的問題：貌似能量不守恒？

費米對這些問題都有興趣。

1932年，原子核物理迎來一個重大突破：原子核中存在另一種粒子——中子。

這一發(fā)現(xiàn)本應(yīng)是居里夫人的女兒和女婿，即約里奧-居里夫婦的成果，可惜他們錯誤解釋了實驗結(jié)果，英國物理學家查德威克重復并正確解釋了小居里夫婦的實驗，發(fā)現(xiàn)了中子。

其實，認識到約里奧-居里夫婦文章漏洞的人不止查德威克一人。費米團隊中的馬約拉納也意識到了。費米敦促馬約拉納將想法寫成論文發(fā)表，但馬約拉納太完美主義，認為他的理論還不完善，便沒有發(fā)表他的洞見。否則的話，他有可能與查德威克分享1935年的諾貝爾獎。

費米開始構(gòu)建他的β衰變理論。

1933年圣誕節(jié)假期，新婚的阿馬爾迪夫婦、塞格雷、費米夫婦一起滑雪。爽滑一天之后，剛到酒店，費米就叫阿馬爾迪和塞格雷到他的酒店房間里來。二人知道，肯定是談物理，而塞格雷被摔得骨肉酸疼，就想痛快泡個澡。

進入房間落座之后，費米一開口，他們的酸痛就煙消云散了。費米說，他準備跟他們分享的，很可能是他迄今最好的工作成果。

費米說，引力和電磁力并不是僅有的作用力，還有第三種力在起作用，它能在原子核里將一個中子轉(zhuǎn)化為一個質(zhì)子、一個電子和一個小中子，新產(chǎn)生的質(zhì)子留在原子核里，而電子和小中子會跑出來。這就是β衰變的機制。

費米所說的小中子是三年前泡利提出來的，只不過他認為，這種小中子是原子核的一種成分。這種小中子即“中微子”，這個術(shù)語來自費米。

1934年，費米的β衰變理論發(fā)表。這篇論文不僅解決了物理學中的一個重要問題，而且行文風格被認為是學術(shù)論文的典范：將問題闡述得清清楚楚，提出一個解答，沒有花言巧語，沒有矯揉造作，只有事實！

這項工作是費米對理論物理學最重大的貢獻，但他最大的志向是建設(shè)一個實驗物理高地。但他苦于沒有經(jīng)費，實驗設(shè)備是在羅馬各五金店采購材料搭建而成的，太簡陋了，實在難以做出重大的工作。1934年，意大利政府撥給他們充足的經(jīng)費。費米終于可以領(lǐng)導他的團隊做最尖端的實驗了。

費米決定接著約里奧-居里夫婦錯失中子發(fā)現(xiàn)的實驗做。

約里奧-居里夫婦用α射線轟擊鈹、鋰、硼等元素，得到一種新的輻射，他們再用這種新輻射轟擊石蠟，打出很多質(zhì)子。夫婦二人認為新輻射是伽馬射線，對實驗結(jié)果做了錯誤解釋。新輻射其實是中子。

費米想，既然所得中子輻射如此強悍，轟擊一下其他元素的會怎么樣？

這個想法其實不太吸引人，因為差不多每一萬個α粒子才能產(chǎn)生1個中子，這么低的產(chǎn)率有進一步做實驗的價值嗎？

費米認識到，中子雖少，但它不帶電，能直抵原子核，而帶正電的α粒子會被同樣帶正電的原子核推開。中子的這個優(yōu)點也許會彌補數(shù)量少的缺點。

1934年3月，費米的實驗開始了，克服了初始階段的一點挫折之后，改進了中子源后，成功接踵而至。費米找到了一座科學富礦，他們沿著元素周期表，從氫開始，用中子挨個轟擊，在15個月內(nèi)發(fā)表了10篇相關(guān)論文。

盧瑟福看到費米的第一篇實驗論文后，給費米寫信“祝賀你從理論物理學圈子里成功脫身”，并請費米把后續(xù)要發(fā)表的論文寄給自己一份。

想看新文章的也不止盧瑟福一人。費米將每一篇文章的副本隨后都定期發(fā)給了核物理領(lǐng)域最頂尖的科學家們。有人開玩笑說：“我們都得學意大利語啦！”

費米知道，其他實驗室會快速跟進的，他立即著手升級裝備，增強隊伍，化學家斯卡·達戈斯蒂諾這時候加入了進來。

費米團隊一路轟擊到當時的元素周期表的尾端——92號元素鈾，做出了石破天驚的發(fā)現(xiàn)——超鈾元素。他們延長了元素周期表。

費米團隊對這個發(fā)現(xiàn)比較謹慎，準備做進一步核查之后再發(fā)表，但帕尼斯佩爾納大道上少年團的“圣父”科爾比諾迫不及待地要將這一發(fā)現(xiàn)昭告天下。

1934年6月4日，科爾比諾在意大利科學院院士大會上，當著國王的面，宣布了費米發(fā)現(xiàn)了新元素。他說：“費米在宣布這一發(fā)現(xiàn)之前，小心謹慎地有所保留，并繼續(xù)進行實驗，這種做法是正確的。我每天都在跟進這項研究，我個人相信，這一新發(fā)現(xiàn)是確定無疑的。”

意大利報紙爭相報道，并將此成就歸功于法西斯黨和偉大領(lǐng)袖墨索里尼的英明領(lǐng)導，建議此新元素用領(lǐng)袖的名字命名。

費米并沒有科爾比諾那樣有把握。他知道，做出科學論斷有多容易出錯，一次錯誤對聲譽的影響有多大。費米為此事開始失眠。

幾天后，費米找到科爾比諾，談了自己的憂慮，認為有必要給狂熱的報紙降溫。二人發(fā)表了一篇聯(lián)合聲明：大眾傳媒誤解了科爾比諾的演講……此研究不是為發(fā)現(xiàn)新元素，只是研究一般性現(xiàn)象。

費米致書Nature，詳細說明實驗結(jié)果仍然存在的不確定性。

1934年秋，一個新學生，布魯諾·龐蒂科夫（Bruno Maksimovic Pontecorvo，1913年8月22日—1993年9月24日）加入進來，成為少年團最年輕的成員。

龐蒂科夫進來之后不久就做出一個令所有人困惑的實驗。他發(fā)現(xiàn)，和在大理石臺面上做實驗相比，在木頭桌面上實驗的產(chǎn)物放射性更顯著。這讓大家百思不得其解。

費米有一次安排了這樣一個實驗，研究鉛對入射中子的影響。臨實驗開始的時候，費米臨時起意，把鉛換成了石蠟，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)果顯示，標靶放射性提高了一百多倍。所有人都目瞪口呆，驚呼聲把實驗室所有人都吸引了過來。大家一開始以為是儀器出了問題，但大家很快排除了這個可能性。大家看到的是真實的實驗現(xiàn)象。

此時正是下午一點鐘，費米讓大家去吃午飯。下午三點，大家又來上班的時候，費米已經(jīng)想好了一種解釋：石蠟中的氫原子核減慢了中子，慢中子被目標原子核捕獲的可能性更高，因此能得到更多的放射性產(chǎn)物。這同樣也解釋了他們在木頭桌面和大理石臺面上做實驗時觀測到的差異。從木頭桌面上彈回來抵達標靶物的中子，速度已經(jīng)降低了，而被大理石桌面反射回來的中子并沒有減速。

水也應(yīng)該能起到石蠟一樣的效果。馬上安排實驗，果然如此。

大家連夜在阿馬爾迪家里完成論文。大家都很興奮，因為這必將成為里程碑級發(fā)現(xiàn)。大家嘰嘰喳喳地討論論文每一個字，阿馬爾迪家人還誤以為大家喝高了。以前的論文書名都是按字母表順序排列，這一次大家把費米的名字放在了第一位，因為這是他的發(fā)現(xiàn)。

1935年2月，少年團將這一年的研究寫成一篇40頁的長文，發(fā)表在《倫敦皇家學會會刊》（Proceedings of the Royal Society of London）上，而沒有發(fā)表在德國期刊上。德國迫害猶太科學家，德國科學不再令人敬仰，德國刊物也影響力式微。

這篇論文重點談到，中子轟擊鈾會產(chǎn)生93號或以上的元素，即超鈾元素。其實，在1934年，德國化學家、物理學家伊達·諾達克（Ida Noddack，1896年2月25日—1978年10月29日）質(zhì)疑了費米他們的超鈾元素的解釋，提出了其他可能的解釋，即費米所稱的超鈾元素的原子核可能是元素周期表中位置很靠前、跟鈾相距甚遠的元素，是鈾原子核分裂產(chǎn)生的碎片。少年團的這篇論文完全無視了諾達克的質(zhì)疑。

這篇論文是少年團研究工作的巔峰之作，也是他們在一起工作的絕唱。

當年秋天，羅馬大學只剩下費米和阿馬爾迪了，其他人都離開了，有人找到了更高的職位，有人是猶太人，擔心意大利會像德國一樣反猶，因而逃離了意大利。怪異天才馬約拉納神秘失蹤。

1938年7月，墨索里尼正式宣布反猶。費米夫婦決心移民美國。

費米夫婦還在考慮以何種名義離開意大利的時候，在11月10日接到了瑞典來的電話，費米獲得了諾貝爾獎。次日，費米朋友們開了一個盛大的慶祝party，晚宴進行中，收音機里卻發(fā)布了新的反猶法律，掃了所有人的興致。

12月10日，費米一家人到瑞典參加完諾貝爾獎典禮。與當年超鈾元素的熱鬧相比，意大利媒體對本國獲得諾貝爾獎進行了冷處理，因為納粹德國不喜歡諾貝爾獎。

費米領(lǐng)完獎之后，便帶著一家人去了美國。

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原子彈

1939年1月2日，費米一家抵達紐約。

費米到達美國不久，丹麥物理學家玻爾也來到美國訪問。他給美國的物理學家?guī)砹艘粋€相當“炸裂”的消息。

1938年12月，德國放射化學家和物理學家奧托·哈恩（Otto Hahn，1879年3月8日—1968年7月28日）和弗里德里希·威廉·施特拉斯曼（Friedrich Wilhelm Stra?mann，1902年2月22日—1980年4月22日）以確鑿的實驗證明，費米團隊宣稱的超鈾元素不存在，慢中子轟擊鈾得到的產(chǎn)物是鋇的放射性同位素。這個實驗結(jié)果令人難以置信，一個中子怎么會讓92號元素鈾減少36個質(zhì)子而變成了56號元素鋇？

哈恩請流亡至瑞典的奧地利猶太女物理學家莉澤·邁特納（Lise Meitner，1878年11月7日—1968年10月27日）給出一個機制解釋。邁特納與她的外甥奧托·弗里施（Otto Frisch，1904年10月1日—1979年9月22日）根據(jù)玻爾的原子核液滴模型，提出鈾原子核被慢中子轟擊之后，可以分裂成兩個更小的原子核。他們管這種現(xiàn)象叫做“核裂變”。

核裂變成為原子核物理領(lǐng)域最熱門的研究方向。

物理學家們很快就意識到，裂變發(fā)生時，會釋放中子和能量，要是用中子束瞄準大量緊密堆積的鈾原子核，若最初的裂變可以產(chǎn)生兩個中子，這兩個中子就可能跟別的鈾原子核碰撞從而再產(chǎn)生四個中子。這樣從2到4到8到16到32到64到……持續(xù)下去，就會形成鏈式反應(yīng)，并釋放出巨量能量。這可以做一個新型的炸彈！

然而，核鏈式反應(yīng)的可能性早在1933年就被匈牙利猶太物理學家利奧·西拉德（Leo Szilard，1898年2月11日—1964年5月30日）想到了，當然，他不是通過中子與鈾的核反應(yīng)想到的。

1938年，西拉德來到了美國。1939年，他了解到核裂變的新發(fā)現(xiàn)之后，便挨個說服美國物理學家們，將所有核裂變的科學研究都不要公開發(fā)表，以免被納粹德國利用來開發(fā)新炸彈。

西拉德沒有說服科學家們。

核鏈式反應(yīng)的研究仍在推進，并證明用大量鈾來實現(xiàn)鏈式核反應(yīng)是可能的，進而有可能制成一種極具威力的新型炸彈。

西拉德更加憂心如焚。

西拉德找到了當時最大的科學明星愛因斯坦。西拉德說服了愛因斯坦，共同署名給羅斯福總統(tǒng)寫了一封信，警告德國可能發(fā)展核武器，并建議美國與德國搶時間，在其之前開發(fā)出這種新武器。

西拉德和愛因斯坦寫給羅斯福總統(tǒng)的信

羅斯福成立了“鈾咨詢委員會”，開展相關(guān)工作，儲備相關(guān)資源，但預算只有區(qū)區(qū)6000美元。

同一時間，納粹德國成立了研制核武器的機構(gòu)，對外名稱為“鈾俱樂部”，預算按需支出。

美國科學家們在有限資金支持下，逐步開展著工作。西拉德負責采購實驗所需物料，費米負責實驗工作。由于預算有限，請不起工人，包括費米在內(nèi)的物理學家們還要參與裝卸、建安等體力勞動。

1941年，美國珍珠港被日本偷襲，同時，德國在研發(fā)核彈的消息也在流傳。美國政府驚醒了，全力推進核彈研究工作，于1942年上馬曼哈頓計劃，統(tǒng)籌全部工作。錢不再是問題，只有時間才是問題。

第一步工作是，建設(shè)一個核反應(yīng)堆，讓鏈式反應(yīng)啟動之后能一直進行下去，即實現(xiàn)自持鏈式反應(yīng)。美國在芝加哥大學建立冶金實驗室，負責這項工作，負責人為美國物理學家阿瑟·康普頓（Arthur Compton，1892年9月10日—1962年3月15日）。這個實驗室有各學科的科學家，就是沒有冶金科學家。

康普頓打算把核反應(yīng)堆建在芝加哥郊外的阿貢，那里與城市不遠不近，安全又便于保密。沒想到，美國的建筑工人覺悟太低，鬧起了罷工。

科學家們開會怎么辦？費米提出了一個不尋常的建議：反應(yīng)堆就建在芝加哥大學校園里，橄欖球場看臺下方的壁球場就是一個絕佳的場所。

康普頓大驚：要是出了意外，放射性物質(zhì)泄露，校園和附近人口稠密，當?shù)刎M不是世紀末日了嗎？費米保證不會發(fā)生這種情況。

康普頓糾結(jié)萬分：真地沒有那么一絲一毫的可能性發(fā)生災(zāi)難？要不要給校長說一下？

康普頓最終下定決心，就按費米說地辦，對校長保密，萬一他不同意，事情就難辦了。康普頓也決定，真要是出了事故，自己站出來承擔責任。

1942年11月16日，反應(yīng)堆開工建設(shè)，所有人員兩班倒開始工作，用了15天，搬運了450噸石墨，45噸鈾，完成了整個工程。

12月1日晚上，費米飽飽睡了個覺。第二天一早，他冒著寒風，穿過雪地，步行來到了反應(yīng)堆所在的壁球場。費米細致檢查了所有儀器。

上午10點作用，史上第一次自持鏈式反應(yīng)實驗正式開始。現(xiàn)場近40人冒著生命危險圍觀了實驗，見證了歷史。

下午3時53分，下午取得完滿成功。所有人都長出了一口氣。反應(yīng)堆所產(chǎn)生的能量還不夠點亮一支手電。然而，不控制的話，反應(yīng)堆會讓壁球場里的每一個人尸骨無存，甚至芝加哥都會灰飛煙滅。

康普頓這樣描述那天的費米：“他對實驗人員有完完全全的控制，就像緊急行動中的船長一樣。就在大功告成的這一刻，他的臉上并沒有顯出興高采烈的表情，因為一切都盡在預期。費米的頭腦保持著冷靜、鎮(zhèn)定，沒有停留在剛剛達到的重大成就上，而是又在為工作的下一個緊要階段運籌帷幄了。”

康普頓向首都華盛頓報捷，為防監(jiān)聽，他用了暗語：意大利航海家剛剛在新大陸登陸啦！

1943年和1944年，費米領(lǐng)導設(shè)計和建造了钚反應(yīng)堆。

1944年10月，費米抵達制造原子彈的基地洛斯阿拉莫斯。他成了所有部門的顧問，準備樣品、理論分析、電子、計算機、光學、化學、流體力學，樣樣他都能一語中的。費米是了解洛斯阿拉莫斯所有技術(shù)分支的極少數(shù)人之一（也許是唯一的人）。

1944年年底，科學家們決定進行一次完整的爆炸試驗。

1945年5月，希特勒自殺，納粹德國滅亡，再也沒有機會發(fā)明原子彈威脅全世界了。德國沒能發(fā)明原子彈的原因很多，一個原因是，德國科學家不知道需要高純石墨減慢中子。西拉德要求核裂變研究保密的建議立功了。

曼哈頓計劃并沒有因為德國投降而停滯。

1945年7月16日清晨5:30，試驗核彈被引爆。霎時，整個天空被不可思議的亮光照亮，爆炸發(fā)出的光線，從最初的紫色轉(zhuǎn)為綠色，再轉(zhuǎn)為白色，爆炸產(chǎn)生的蘑菇云高達十余公里。

試爆取得圓滿成功。

三位一體核試爆

費米當時位于距離爆炸點9公里遠處一處設(shè)施里。試爆倒計時之際，費米將一張紙撕成碎片，丟下，通過爆炸產(chǎn)生的沖擊波將紙片吹出的距離，估算了試驗核彈的當量。他的估算結(jié)果為1萬噸TNT。幾天后，根據(jù)儀器記錄數(shù)據(jù)計算的準確結(jié)果出爐：1.86萬噸，與費米的簡單估算非常接近。

見證世界首顆原子彈爆炸的人，有的欣慰，有的喜悅，有的良心不安。奧本海默說：“我成為了死神，世界毀滅者”。而費米冷靜以對，將原子彈爆炸當成又一次物理實驗而已，甚至因為注意力過于集中，以至于都沒注意到爆炸的聲響。

三周后，8月6日和9日，美軍分別向日本廣島和長崎投擲了原子彈，瞬間殺死了兩個城市四分之一的人口。15日，日本宣布投降。

費米為加速戰(zhàn)爭結(jié)束感到滿足和驕傲。

1945年最后一天，費米一家回到了芝加哥。

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回歸教學

費米急切地想回到物理學的研究與教學中。他加入了芝加哥大學。

費米很高興能回到大學校園，繼續(xù)教書。眾多優(yōu)秀的學生受費米吸引而入讀芝加哥大學。

費米如何教學呢？

任何一個專題，總是從頭講起，從最典型例子中的簡單現(xiàn)象講起，而不是從基本理論開始推演。

費米準備講義，很少參考其他教科書，而是參考自己的筆記庫。前文提到過，他記筆記的習慣開始于少年時代，持續(xù)了一生。費米還為自己的筆記庫做了細致的索引。費米的筆記內(nèi)容無所不包，從基礎(chǔ)理論到前沿進展，從基本實驗技術(shù)到高深數(shù)學概念。

費米重新營造了帕尼斯佩爾納大道的那種氛圍，定期邀請學生到他辦公室面對面討論。費米的辦公室沒有舒適的沙發(fā)，也沒有擺滿書的書架，只有一塊黑板，一張普普通通的桌子，幾把椅子，還有盛放他的筆記本的文件柜。

費米有一次在辦公室與李政道交談，問李政道，太陽中心處溫度有多少。李政道回答：約1千萬度。費米追問如何知道的。李政道說，文獻就這么說的，解一個非常復雜的方程組可以得到。費米說，未經(jīng)親身驗證的結(jié)論不能信。費米親自動手，忙活了兩天，與李政道一起做了個計算尺，計算了太陽中心的溫度。

這個問題與李政道的研究生課題沒有任何關(guān)系，也不在費米的研究興趣內(nèi)，如此大費周章，只為給學生言傳身教做學術(shù)的正確態(tài)度。

費米極為擅長數(shù)量級估計，他通過一些具體的問題，傳授自己在這方面的心法。他會問學生：窗戶玻璃上的污物積累多厚才開始掉落？內(nèi)華達州有多少只羊？芝加哥有多少鋼琴調(diào)音師？在回答問題的過程中，學生們獲得了信心，甚至感覺自己“能解決任何問題”。現(xiàn)在，這類問題被稱為“費米問題”。

費米在芝加哥大學培養(yǎng)了6位諾貝爾獎得主，其中包括楊振寧和李政道。他在羅馬大學的學生中出現(xiàn)了1位諾貝爾獎得主，即塞格雷。在培養(yǎng)諾貝爾獎學生方面，僅次于盧瑟福。

只是令人想不到，這么美好的教學時光太短暫了。1954年11月28日，費米因癌癥去世。

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紀念費米

1954年11月16日，原子能委員會頒發(fā)一項國際獎，獎勵原子能領(lǐng)域的杰出科學家，費米成為第一位獲獎?wù)摺ＹM米寫的獲獎感言信成了他的絕筆。兩年后，這個獎項更名為恩里科·費米獎。

費米的墓碑。來源：wikicomms

12月3日，費米的追思會在芝加哥大學的教堂舉行，那里距離建造第一個核反應(yīng)堆的壁球場不遠。恰在12年前，在那里費米成功釋放了原子核中的能量，宣告了原子時代的誕生。

1967年，在費米領(lǐng)導建造第一個核反應(yīng)堆的地方，一座名為《核能》的雕塑矗立起來。

雕塑《核能》，圖源：wikicommons

這座雕塑，有人說像蘑菇云，有人說像骷髏。有人問雕塑的作者、英國雕塑家亨利·斯賓賽·摩爾（Henry Spencer Moore，1898年7月30日—1986年8月31日），摩爾說，這是教堂的形象。

用教堂紀念物理教皇，太合適不過了。

參考資料：

1. 吉諾·塞格雷、貝蒂娜·赫爾林夫婦，《恩里科·費米傳：原子時代的誕生》， 湖南科學技術(shù)出版社

2. 埃米里奧·賽格雷，《原子舞者——費米傳》，上海科學技術(shù)出版社

3. 費米培養(yǎng)的諾貝爾獎學生：https://fermieffect.com/enrico-fermi/influence-in-science/

4. 費米與李政道計算太陽中心溫度：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2012/1/258768.shtm

5. 楊振寧回憶費米的教學風采：https://worldscience.cn/c/1982-09-28/645761.shtml

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》微信公眾號

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