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恩利高·費米

美籍意大利裔物理學家

「費米」重新導向至此。關於恩利高·費米命名的長度單位，請見「飛米」。

恩利高·費米（意大利語：Enrico Fermi；1901年9月29日—1954年11月28日），美籍意大利裔物理學家，美國芝加哥大學物理學教授。[1][2][3][4][5] 他對量子力學、核物理、粒子物理以及統計力學都做出了傑出貢獻，曼克頓計畫期間領導製造出世界首個核子反應堆（芝加哥1號堆），也是原子彈的設計師和締造者之一，被譽為「原子能之父」。[6][7][8] 費米擁有數項核能相關專利，並在1938年因研究由中子轟擊產生的感生放射以及發現超鈾元素而獲得了諾貝爾物理學獎。[5] 他是物理學日漸專門化後少數幾位在理論方面和實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一。[9]

恩利高·費米 1938年諾貝爾物理學獎得主
Enrico Fermi
恩利高·費米，攝於1940年代
出生(1901-09-29)1901年9月29日
 意大利王國羅馬
逝世1954年11月28日(1954歲—11—28)（53歲）
 美國伊利諾州芝加哥
死因胃癌
公民權意大利王國 意大利（1901年－1954年）
 美國（1944年－1954年）
母校比薩高等師範學校
知名於
配偶勞拉·費米（英語：Laura Fermi）
獎項
科學生涯
研究領域物理學
機構比薩高等師範學校
哥廷根大學
萊頓大學
佛羅倫薩大學
羅馬大學
哥倫比亞大學
芝加哥大學
加州大學柏克萊分校
博士導師路易吉·普錢蒂
博士生
其他著名學生
簽名

費米在統計力學領域做出了他第一個重大理論貢獻。物理學家華夫岡·鮑利1925年提出了鮑利不相容原理。費米依據這一原理對於理想氣體系統進行了分析，所得到的統計形式現在通常稱作費米–狄拉克統計。現在，人們將遵守不相容原理的粒子稱為「費米子」。之後，鮑利又對β衰變進行了分析。為使這一衰變過程能量守恆，鮑利假設在產生電子時同時會產生一種電中性的粒子。這種粒子當時尚未觀測到。費米對於這一粒子的性質進行了分析，得出了它的理論模型，並將其稱為「微中子」。他對β衰變進行理論分析而得到的理論模型後來被物理學家稱作「費米相互作用（英語：Fermi's interaction）」。這一理論後來發展為弱相互作用理論。弱相互作用是四種基本相互作用之一。費米還對由中子誘發的感生放射進行了實驗研究。他發現慢中子要比快中子易於俘獲，並推導出費米壽命方程式（英語：Fermi age equation）來描述這一放射過程。在用慢中子對釷核以及鈾核進行轟擊後，他認為他得到了新的元素。儘管他因為這一發現而獲得了諾貝爾物理學獎，但這些元素後來被發現只是核分裂產物。

費米1938年逃離意大利，以避免他的夫人勞拉因為猶太裔出身而受到新通過的意大利種族法（英語：Italian Racial Laws）波及。他移民至美國，並在第二次世界大戰期間參與曼克頓計劃。費米領導了他的團隊設計並建造了芝加哥1號堆。這個反應堆1942年12月2日進行了臨界試驗（英語：Nuclear reactor physics#Criticality），完成了首次人工自持續連鎖反應。他之後着手建造位於田納西州橡樹嶺的X-10石墨反應堆和漢福德區的漢福德B反應堆（英語：B Reactor）。這兩個反應堆先後於1943年和1944年進行了臨界試驗。他還領導了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的F部，致力於實現愛德華·泰勒設計的利用熱核反應的「超級核彈（英語：History of the Teller–Ulam design）」。1945年7月16日，費米參與了三位一體核試，並利用自己的方法估算了爆炸當量。

戰後，費米參與了由羅拔·奧本海默領導的一般顧問委員會，向美國原子能委員會提供核技術以及政策方面的建議。在得知蘇聯1949年8月完成了首亞原子彈爆炸試驗後，費米從道德以及技術層面都極力反對發展氫彈。他1954年在奧本海默安全聽證會上為奧本海默作證。但奧本海默最終仍是被剝奪了安全許可。費米對於粒子物理，特別是π介子以及緲子的相關理論，做出了重要貢獻。他推測宇宙射線產生於星際空間中受磁場作用加速的物質。在他身後，有許許多多以他的名字命名的獎項、事物以及研究機構，其中包括：恩利高·費米獎、恩利高·費米研究所、費米國立加速器實驗室、費米伽瑪射線空間望遠鏡、恩利高·費米核電站（英語：Enrico Fermi Nuclear Generating Station）以及元素鐨。

早年

恩利高·費米在1901年9月29日誕生於羅馬。他的父親阿爾貝托·費米是意大利鐵道部的部門負責人（意大利語：Capo Divisione），母親伊達·德伽提絲是一名小學教員。他是家裏第三個孩子[10][11]，姐姐瑪麗亞比他年長兩歲，哥哥朱利奧比他年長一歲。兄弟二人出生後被送到鄉下的乳母撫養，兩歲半時恩利高回到家裏。[12]由於祖父母篤信天主教，恩利高在出生後依天主教教義接受了洗禮，但他和他的雙親一樣並沒有宗教信仰，並且一生信奉不可知論。恩利高年幼時與他的哥哥興趣相投，他們一起製作摩打，並玩一些電動和機械玩具。[13]1915年，朱利奧在進行咽喉膿腫手術的麻醉期間意外離世[14]。

在羅馬的鮮花廣場附近的市集裏，費米買到了一本《數學物理要旨》（拉丁語：Elementorum physicae mathematicae），這是他在物理學方面的啟蒙教材之一。這本900餘頁的書是由耶穌會士安德烈亞·卡拉法（意大利語：Andrea Caraffa）神甫於1840年以拉丁語寫成的。卡拉法神甫是羅馬學院的教授，他在這本書裏敘述了當時已知的數學、經典力學、天文學、光學以及聲學等方面的知識。[15][16]費米與同樣對科學非常感興趣的恩利高·珀西科（英語：Enrico Persico）非常要好[17]，常常一起鑽研科學。他們曾一起搭起了一架陀螺儀，還嘗試準確測量地球重力所產生的加速度[18]。費米父親的同事阿道弗·阿米代伊積極鼓勵費米學習物理，曾送給他幾本有關物理學及數學的書，這些書讓費米愛不釋手。[19]

比薩生涯

 
在比薩求學時的費米

1918年7月，費米高中畢業。由於設施以及教學等方面的優勢，阿米代伊鼓勵費米申請就讀比薩高等師範學校。經歷過喪子之痛的父母並不願意他離家去比薩讀書，更希望他讀羅馬大學，但最終他們還是同意了。學校為學生提供免費住宿等優待（這也是阿米代伊鼓勵費米選擇比薩高師的原因之一），但是入學考試異常嚴格，校方還要求撰寫一篇以「聲音的特性」為題的論文。當時年僅17歲的費米利用傅立葉分析方法求解了杆振動的波動方程式，他在入學考試中名列第一。羅馬大學的教授朱塞佩·皮塔雷利是考官之一，參與了對費米的面試。皮塔雷利對於費米的入學論文大加讚許，並認為他有成為偉大的科學家的潛質。[20]

在比薩度過的幾年裏，費米與佛朗哥·拉塞蒂成為了推心置腹的好友，拉塞蒂後來成為費米一生的摯友以及學術上的合作者。費米在比薩時期的導師是物理學實驗室主任路易吉·普錢蒂。普錢蒂認為自己對費米在物理學方面可能沒有太多助益，反而會經常讓費米教給他一些新知識。費米非常精通量子物理學，普錢蒂就讓他組織相關的討論班。[21]在這幾年中，費米還學習了張量分析。這種數學分析方法是由格雷戈里奧·里奇-庫爾巴斯托羅和圖利奧·列維-齊維塔引入的，對於廣義相對論的數學表述非常重要。[22]費米一開始主修數學，後來轉作主修物理學。他的廣義相對論、量子力學以及原子物理學相關知識大多都是自學的。[23]

 
光錐是包含所有可能通過時空某點的光線的最小錐面。在這幅圖中，三維空間的一個維度被忽略，時間為豎直軸。

1920年9月，費米進入物理系。當時物理系只有三名學生，費米、拉塞蒂以及內洛·卡拉拉（英語：Nello Carrara）。普錢蒂允許他們隨意使用實驗室里的設備進行自己想要做的研究。在費米的提議下，他們三人研究了X射線晶體學，拍攝了一系列晶體的勞厄相。[24]1921年，費米在《新試驗》（意大利語：Nuovo Cimento）上發表了兩篇科學論文。第一篇論文題為《論平動中的電荷剛體的動力學》（意大利語：Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio）。他在這篇論文中使用張量描述質量。張量通常被用來描述三維空間中運動並不斷變化的物理量。在經典力學中，質量是一個純量。但在相對論中，它會隨物體的速度發生變化。第二篇論文題為《勻強重力場中的靜電學及電荷的質量》（意大利語：Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche）。費米在這篇論文中利用廣義相對論得到電荷的質量為U/c2。其中U是系統的靜電能，c是光速。[23]費米在第二篇論文中提出電動力學理論與相對論在計算電磁質量時存在矛盾。依據電動力學得到的值為4/3 U/c2。費米第二年在另一篇論文中又重申了這一點，並提出這一矛盾是相對論的一個推論。這篇論文廣受讚賞，並於1922年被譯為德語發表在期刊《物理學雜誌（英語：Physikalische Zeitschrift）》（德語：Physikalische Zeitschrift)上。[25]

同年，費米向《猞猁之眼科學院學報》（意大利語：I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei）提交了論文《論世界線附近發生的一些現象》（意大利語：Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria）。在這篇文章中，他探討了等效原理，引入了「費米坐標（英語：Fermi coordinates）」，並證明在時間軸附近的世界線上，空間的性質會與歐氏空間的性質非常近似。[26][27]

1922年7月，費米向比薩高師提交了他的學位論文《概率論的一條定理及它的一些應用》（意大利語：Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni），獲得了桂冠學士（英語：Laurea#Former status of the Laurea degree）（意大利語：Laurea）學位。他在這篇論文中論述了X射線繞射成像。理論物理學當時在意大利並不是一門獨立學科，因而物理系的學生當時只能提交有關實驗物理學的學位論文。意大利的物理學家對於像相對論這樣的新興學說普遍接受緩慢。由於費米對於實驗相關工作也較為在行，因而這對於他來說並非不可逾越的難題。[27]

在 奧古斯特·科普夫著作《愛因斯坦相對論要旨》（德語：Grundzüge der einsteinschen Relativitätstheorie）的1923年意大利語譯本的附錄裏，費米提出，質能等價意味着人類可以從原子核中獲取大量能量。但他寫道：

1924年，費米成為共濟會成員[28]。同年，費米動身前往哥廷根大學，跟隨馬克斯·玻恩學習了一學期。在那裏，他結識了維爾納·海森堡與帕斯庫爾·約當。隨後，他又受到洛克菲勒基金會資助前往萊頓跟隨保羅·埃倫費斯特學習了三個月。這項資助是在數學家維多·沃爾泰拉協助下獲得的。在那裏，他結識了亨德里克·勞侖茲和阿爾伯特·愛因斯坦，並與薩繆爾·古德斯米特及揚·廷貝亨成為好友。費米自1925年1月起在佛羅倫薩大學教授數學物理及理論力學直到1926年末。在那裏，他與拉塞蒂一起進行了一系列實驗，研究含時磁場對於水銀蒸氣共振輻射的退偏振效應。[29]他還參與了羅馬大學的討論班，並做了一些有關量子力學及固體物理的演講[30]。當他講到薛定諤方程式對於一些量子現象的精準預測時，在場的物理學家都對這項物理學成就表示讚嘆[31]。

華夫岡·鮑利於1925年提出了鮑利不相容原理。費米在這之後發表了論文《論單原子理想氣體的量子化》（意大利語：Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico）。在這篇文章中，他在氣體分子遵守鮑利不相容原理的前提下分析了理想氣體系統。費米在這篇文章中提出的統計式十分有名。這個式子描述了由大量遵守不相容原理的全同粒子組成的物理系統的量子態的統計規律。這個式子不久後又被保羅·狄拉克獨立地推導出來。狄拉克還展示了其與玻色–愛因斯坦統計式的聯繫。這種統計形式因而被叫作「費米–狄拉克統計」。[32]現在的物理學家一般沿用狄拉克的做法，將遵守鮑利不相容原理的粒子稱作「費米子」，將不遵守的則稱作「玻色子」[33][34]。

任教羅馬

 
1934年左右，費米及他的研究團隊在羅馬大學物理研究所的合影。自左至右依次是：奧斯卡·達戈斯蒂諾（英語：Oscar D'Agostino）、塞格雷、阿馬爾迪、拉塞蒂以及費米。

意大利的教授席位歸屬是通過一個由教授組成的委員會依據各位申請者發表的著作評定產生的。費米曾申請過卡利亞里大學的數學物理學教授席位，並依靠喬瓦尼·喬治（英語：Giovanni Giorgi）的支持以微弱優勢當選。[35]1926年，費米申請羅馬大學的理論物理學教授席位。這是一個新設的教授席位，也是意大利國內首批理論物理學教授席位。它是在實驗物理學教授奧爾索·馬里奧·科爾比諾的呼籲下由意大利教育部設立的。科爾比諾是羅馬大學物理研究所的主任，曾在墨索里尼內閣任要職。他擔任了這個教授席位的遴選委員會的主席。他希望這個新席位可以提升意大利物理學的研究水準及聲譽。[36]這個席位共有三個候選人，費米、恩利高·珀西科以及阿爾多·蓬特雷莫利（英語：Aldo Pontremoli）。委員會最終選中了費米。[37]科爾比諾協助費米招募研究團隊。佛朗哥·拉塞蒂立即加入了費米的團隊，並被費米任命為助理。幾位日後聲名卓著的學生也加入了這個團隊。這些學生包括愛德華多·阿馬爾迪（英語：Edoardo Amaldi）、布魯諾·龐蒂科夫、埃托雷·馬約拉納以及埃米利奧·塞格雷。[38]這些學生後來被叫作帕尼斯貝爾納路上的少年（英語：Via Panisperna boys）。這個綽號來源於物理研究所所在的街道。[39]

 
勞拉與恩利高·費米夫婦1954年在洛斯阿拉莫斯核子學術研究所的合影

1928年7月19日，費米與勞拉·卡彭（英語：Laura Fermi）結婚。勞拉曾在羅馬大學學習自然科學。[40]他們育有兩個孩子。女兒內拉生於1931年1月，兒子朱利奧生於1936年2月。[41]1929年3月18日，費米被墨索里尼任命為意大利皇家科學院（英語：Royal Academy of Italy）院士。同年4月27日，他加入法西斯黨。當墨索里尼為使意大利國內的意識形態更為接近納粹主義而在1938年頒佈意大利種族法（英語：Italian Racial Laws）時，費米轉而反對法西斯主義。這項法案令身為猶太人的勞拉受到威脅，並且會讓費米的幾位學術上的合作夥伴失業。[42][43][44][45][46]

在羅馬任職期間，費米與他的團隊一道為物理學的理論及實際應用做出多項貢獻。1928年，費米編寫的教材《原子物理學引論》（意大利語：Introduzione alla fisica atomica）出版，為當時的意大利的大學生提供了當時最新的相關知識。他還舉辦公共講座並編寫科普文章，向大眾傳播了新的物理學知識。[47]他會在一天工作結束後將他的同事及學生聚在一起探討一些問題。這些問題不少是他自己正在研究的課題。他的教學工作是通過這種方式完成的。[47][48]科爾比諾的努力獲得一定的成效。一些外國留學生開始到意大利學習物理。諾貝爾物理學獎獲得者，德國物理學家漢斯·貝特也曾是這些留學生中的一員。[49]他受到洛克菲勒基金會資助來到羅馬學習，並於1932年與費米合寫論文《論兩個電子間的相互作用》（德語：Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen）。[47]

物理學界此時正為β衰變前後能量是否守恆困擾。為令能量守恆，鮑利構想了一種新的粒子。這種粒子不帶電荷且質量極小。它會伴隨電子一起放射出來。費米對這一假說非常感興趣。他在1933年至1934年間先後發表了兩篇文章論述了這種粒子的性質，並將這種粒子稱作「微中子」。[50][51][52]他對β衰變的理論解釋後來被物理學家稱作費米相互作用（英語：Fermi's interaction）。這一理論後來發展為弱相互作用理論。這種相互作用是自然界四種基本相互作用之一。微中子直到費米去世後才被探測到。而他所提出的相互作用理論正好能說明為什麼這種粒子非常難探測到。當費米向《自然》雜誌投遞相關論文時，雜誌的編輯拒絕刊載這些論文。他給出的理由是在這些論文中的相關理論假設「與現實物理圖像相去甚遠，不能引起讀者的興趣」。[51]因而費米不得不先將這些理論發表在意大利語及德語的文獻中。[38]

在1968年發表的這些文獻的英譯本的引論中，這些文獻的譯者這樣評價費米所提出的β衰變相關理論：

費米的理論除了對鮑利的微中子假說提供支持外，還對現代物理學產生了重大影響。我們必須注意到在費米提出這些理論的時候，人們只能接觸到自然的β衰變放射源。之後人們發現正電子衰變也能在費米原先提出的理論框架中得到解釋。在他的理論基礎上，物理學家預測原子外層上的電子也能被原子核俘獲。這一預測後來被實驗證實。儘管隨着實驗數據的累積人們在實驗中曾發現特例，費米的理論仍是難以撼動。 費米的理論對於後世的影響非常巨大。例如，（基於這一理論得到的）β衰變能譜是研究核結構的重要工具。而費米的這一有關β衰變的理論最重要的影響也許在於它可以適用於其它類似過程。它是首個能成功描述物質體子的產生與湮滅過程的理論。在此之前，人們只知道光子能夠發生這些過程。[52]

伊雷娜·約里奧-居禮與弗雷德里克·約里奧-居禮於1934年1月宣佈，利用α粒子轟擊原子核的方式可以誘導這些原子核產生放射性。[53][54]同年3月，費米的助理吉安·卡羅·威克利用費米的β衰變理論給出了理論解釋。費米決定採用實驗方法利用查德威克在1932年發現的中子來進行驗證。[55]他想知道利用拉塞蒂發明的釙—鈹中子源是否也能誘導放射性。中子不帶電，所以不會被帶正電的原子核散射。這意味着它們深入原子核時所需能量要比帶電粒子少，因而相關實驗並不需要他們當時還沒有的粒子加速器。[56][57]

 
身穿學位服的費米（中）與拉塞蒂（左）及塞格雷

費米後來打算用由他發明的氡—鈹中子源替代釙—鈹中子源。這種中子源是通過向抽空空氣的玻璃燈泡中加入鈹粉然後充入50毫居禮的氡氣製成的。[58][59]由於氡的半衰期較短[a]，因而這種中子源較釙—鈹中子源來說強度更大。雖然費米知道這种放射源在產生中子同時還會產生γ射線，但他依據自己的理論相信這不會影響到實驗的結果。他開始時是用中子轟擊鉑核。這種元素是當時能獲取的原子序數較高的元素，但實驗並沒有成功。他還嘗試轟擊鉛原子，也沒有獲得成功。於是他轉向轟擊鋁原子核，並成功將其轉化為鈉的一種同位素以及一個α粒子。這個鈉原子後來發生β衰變轉化為鎂原子。他還轟擊了氟化鈣中的氟原子。並成功將其轉化為氮的一種同位素以及一個α粒子。這個氮原子後來發生β衰變，轉化為氧原子。最終，他利用中子轟擊的方法成功誘導了22種元素產生放射。[60]1934年3月25日，費米將這一發現發表在期刊《科學研究》（意大利語：La Ricerca Scientifica）上。[59][61][62]

 
β衰變示意圖：一個中子衰變為一個質子並放射出一個電子。為使衰變前後能量守恆，鮑利及費米假設在放射出電子同時還會放射出一個微中子（
ν
e）。

釷元素與鈾元素具有天然放射性，很難判斷利用中子轟擊這兩種元素原子的結果。費米認為反應產物中包含當時尚未發現的第93號（英語：hesperium）及第94號元素。[63][57]化學家伊達·諾達克對這一實驗結果表示質疑，表示反應產物可能並不是新的元素而是原子序數較鉛小的元素。由於諾達克的研究團隊之前沒有進行過與鈾有關的研究，並且她此前犯過類似錯誤[b]，因而她的質疑並沒有受到重視。當時的物理學家即使在理論層面也認為核分裂是不存在的。因而他們認為對於一個原子進行中子轟擊只會產生原子序數比它大的原子。並沒有人相信中子會像諾達克預測的那樣具有足夠令較重的原子發生分裂的能量。[64][63]

費米的學生們注意到實驗中存在他們之前沒有發現的現象。在木質工作枱上進行實驗似乎要比在大理石工作枱上更為順利。這似乎是因為這樣做可以減小中子速度。所以費米決定採用約里奧－居禮以及查德威克此前用過的石蠟來減小中子運動速度以驗證慢中子轟擊的效果是不是更好。他分別用一般中子與經石蠟層減速的中子轟擊了銀原子。他發現後者誘發放射性的效果是前者的一百餘倍。費米認為石蠟之所以能減小中子運動速動是因為其中含有氫原子。這可以解釋使用木質工作枱時的實驗效果為什麼會比使用大理石工作枱時的更好。將介質換為水時，中子的運動也明顯減慢了。費米由此總結中子與氫原子碰撞可以使其減速。[65][57]與中子發生碰撞的原子的原子序數越低，中子每次碰撞損耗的能量就越多，因而總體上在損耗能量一樣時，氫原子的「減速效率」最大[66]。慢中子較快中子更容易被俘獲。費米推導出了一個可以描述這一情形的擴散方程式。這個方程式後來被物理學家叫作費米壽命方程式（英語：Fermi age equation）。[65][57]

因「證明存在由微中子輻射誘導產生的新的放射性元素，並發現由慢中子引發的核反應」，費米獲得1938年諾貝爾物理學獎。[67]那年12月頒獎後，費米並沒有回到意大利，而是與家人直接去了紐約。他們一家申請了美國的永久居留權。他們的這一決定是源於意大利當時推行的種族法。[42]

曼克頓計劃

逃離了紛爭不斷、即將面臨巨變的歐洲，費米於1939年1月2日安全抵達紐約[68]。他很快就受到了5個大學的邀請出任教授，並最終選擇前往哥倫比亞大學[69]。他曾在1936年暑期在這所大學做過講座[70]。1938年12月，他得知德國的化學家奧托·哈恩及弗里茨·施特拉斯曼在利用中子轟擊鈾原子的產物中發現了元素鋇[71]。1939年，莉澤·邁特納與她的外甥奧托·弗里施將這一現象歸結為鈾核發生了核分裂，並在該年1月13日通過實驗驗證了這一點[72][73]。邁特納與弗里施對於哈恩與施特拉斯曼的發現給出解釋，並且將這一成果告知尼爾斯·玻爾。玻爾將這一突破性的發現帶過大西洋，途中分享給研究夥伴萊昂·羅森菲爾德。後來，羅森菲爾德在普林斯頓大學物理系的一次會議中透露了這一消息。[74]當時參與會議的伊西多·拉比與威利斯·蘭姆[c]將這一消息帶回了哥倫比亞大學。不過，事後各位當事人對於當時情景說法不一。拉比表示告知費米這一消息的人是他。但費米後來卻表示告訴他消息的那個人是蘭姆。[75]他這樣回憶當時的情形：

諾達克的質疑與推測最終被證實。雖然此前費米基於計算結果否決了核分裂存在的可能性，但他當時並沒有考慮到具有奇數個中子的核種俘獲外來中子時釋放出的結合能。[64]費米此前宣佈發現的超鈾元素最終被證實並不是超鈾元素而只是核分裂產物。而他獲得諾貝爾物理學獎部分上是由於這個發現。因而核分裂被發現的這個消息令費米非常難堪。但他還是將這個發現添加到他的諾貝爾獎獲獎感言的註腳中。[78][75]

 
由費米設計的芝加哥1號堆。它是史上首個核反應堆，並完成了首次人工自持續連鎖反應。其中有嵌在石墨中的立方晶型的鈾及鈾的氧化物。

哥倫比亞大學的科學家決定核對鈾原子在中子轟擊下所發生核分裂[79]。1939年1月25日，在卜平實驗室的地下室，費米所參與的研究團隊進行了美國國內首次核分裂實驗。團隊其他成員包括赫伯特·安德森（英語：Herbert L. Anderson）、尤金·布思、約翰·鄧寧、諾里斯·格拉索（英語：G. N. Glasoe）以及弗朗西斯·斯萊克（英語：Francis G. Slack）等人。[80]第二天，由喬治·華盛頓大學及華盛頓卡內基研究所共同主持的第五屆華盛頓理論物理學會議在華盛頓召開。在那屆會議上，更多的物理學家了解了核分裂。這促進了對於這個現象的實驗研究。[79]

法國科學家漢斯·馮·哈爾班（英語：Hans von Halban）、列夫·科瓦爾斯基（英語：Lew Kowarski）及弗雷德里克·約里奧-居禮發現鈾原子被中子轟擊時放出的中子較其吸收的多。這意味着連鎖反應在理論上是可能的。[d][81]費米和安德森在數周后也發現了相同現象[82][83]。之後，為了確認這結果的正確性，費米及安德森又利用利奧·西拉德得到的200公斤的鈾氧化物進行了更大規模的裂變實驗[84]。費米和西拉德合作設計出一種預期能夠進行自持續核反應的實驗裝置—核反應堆。雖然水可以有效地減緩中子運動速度，但是，水也會吸收很多中子，因此，使用水為中子減速劑時，自然界的鈾並不能發生自持續的連鎖反應。費米基於他此前有關中子的研究，表示可以利用石墨作為減速劑。這樣做可以減小中子的俘獲率，從理論上或許可以實現自持續的連鎖反應。西拉德基於這一點提出了一個可行的設計：在石墨磚堆中穿插置入鈾氧化物。這些創想在後來的實驗裝置裏都有所體現[85]。西拉德、安德森及費米之後聯合發表了論文《鈾中中子的產生及吸收》（英語：Neutron Production and Absorption in Uranium）[84]。但由於工作習慣與個性上的差異，費米與西拉德的合作並不愉快[86]。

費米是最早提醒軍方領導人核能的潛在影響的人士之一。他曾於1939年3月18日在美國海軍部做了相關主題的講座。他的提醒並沒有獲得重視。但海軍還是同意向哥倫比亞大學劃撥1500美元進行進一步的研究。[87]同年，西拉德、尤金·維格納及愛德華·泰勒向美國總統富蘭克林·羅斯福遞交了著名的愛因斯坦—西拉德信，提醒當局納粹德國發展核武器的可能性。羅斯福就此決定成立鈾委員會來統籌相關研究。這一委員會後來成為科學研發辦公室的一號部門——S-1委員會。[88]

 
費米在洛斯阿拉莫斯工作時的證件照

S-1委員會向費米提供大量資金購買石墨[89]。他在卜平實驗室的7層建成了石墨磚堆[90]。到1941年8月，他又擁有6噸的鈾氧化物及30噸石墨。費米利用它們在舍默霍恩樓建成了一個規模更為巨大的鈾－石墨堆。[91]

1941年12月18日，在美國對日宣戰後，S-1委員會的成員再度聚首，共同面對更為緊迫的工作。委員會投入大量精力來支持濃縮鈾的生產。但委員會成員阿瑟·康普頓認為其可以由鈈取代。這種核原料到1944年末可以通過反應堆批量生產。[92]他決定集中力量在芝加哥大學進行鈈相關研究。費米不得不離開哥倫比亞大學，與他的研究團隊一起參與在芝加哥新成立的冶金實驗室。[93]

由於當時人們還不知道自持續核反應的可能導致的後果，所以在位於市中心的芝加哥大學校內建造核反應堆並不可行。康普頓決定在離芝加哥32公里的阿貢森林保護區擇地建造反應堆。但這項工程由於勞資糾紛擱淺。費米接着試圖說服康普頓在芝加哥大學的斯塔格球場看台下的壁球場中建造反應堆。芝加哥1號堆在1942年11月6日正式開工，並在同年12月2日進行了臨界試驗（英語：Nuclear reactor physics#Criticality）。[94]反應堆起初被設計為球形，但最終工程只進行至反應堆恰好能進行臨界試驗時即中止[95]。

 
費米與歐內斯特·勞倫斯（左）及伊西多·拉比（右）

這項工程是人類能源探索史上的一座里程碑。建設的每一步都經過費米的精心的籌劃以及仔細的計算。[94]當人類首次自持續的連鎖反應成功後，康普頓將這個消息通過加密電話告訴給美國國防研究委員會主席詹姆斯·布萊恩特·科南特。康普頓後來這樣回憶當時的情景：

我拿起話筒給科南特打電話。他當時剛到哈佛大學的校長室。「吉姆，」我說，「意大利航海家剛剛到了新大陸。你應該很高興吧。」因為我此前告訴過S-1委員會反應堆可能還需要一周或更長的時間才能完成，我帶着些許歉意補充道：「地球並不像他原先估計的那樣大。他在預想的時間之前到達了新大陸。」

「是嗎？」科南特興奮地回答，「當地人友好麼？」

「全員順利登陸。」[96]

 
由費米發明的一種可以用來研究中子輸運的模擬裝置，FERMIAC（英語：FERMIAC）

為了能使研究不影響到公眾健康，反應堆遷到了阿貢。在那裏，費米領導了一系列核反應實驗。反應堆中產生的大量自由中子令這些實驗非常順利。[97]實驗室所研究的問題也從物理學及工程學領域延伸到了生物醫療領域。位於阿貢的實驗室最初僅僅是芝加哥大學的分支機構，但到了1944年5月，實驗室成為了獨立的研究機構。[98]

1943年11月4日，當位於橡樹嶺國家實驗室的使用氣冷的X-10石墨反應堆進行臨界試驗時，費米事必躬親以防出現事故。技工很早就把他叫醒，以便他能監視全程。[99]X-10反應堆投入實際運行是鈈相關研究的一座里程碑。它提供了反應堆設計方面的大量數據。杜邦公司的相關人員也由此學到了反應堆的建造技術。它還生產了首批反應堆合成鈈。[100]

1944年7月，費米正式成為美國公民[101]。同年9月，費米向漢福德B反應堆（英語：B Reactor）插入了第一個鈾燃料芯塊。這個反應堆是為了生產大量的合成鈈而設計建造的。它是由費米的研究團隊設計，而後由杜邦公司建造的，規模比X-10反應堆的更為巨大，並採用水冷。隨後數日，836支導熱管相繼裝入反應堆。反應堆進入臨界試驗階段。9月27日凌晨，操作者對控制棒進行調整啟動反應堆。反應堆開始時運行得十分順利，但在凌晨3時左右功率水平開始下降。到了上午6時30分，反應堆完全停止工作。軍方及杜邦公司向費米的研究團隊求問原因。費米考察了冷卻水是否發生泄漏或沾污。第二天，反應堆又突然啟動，但在幾小時後由停止工作。最終費米發現之所以會出現問題主要是因為135
Xe
[e]引起的中子「中毒」。慶幸的是，杜邦公司並沒有按照冶金實驗室原先設計的只在一個圓周上鋪設1500個導熱管，而是在角落有添加了504個導熱管。科學家原先認為這是過度施工，但費米卻發現正是由於這一點，反應堆才達到原先設計的功率水平以及鈈合成效率。[102][103]

1944年，羅拔·奧本海默說服費米加入他在洛斯阿拉莫斯領導執行的Y計劃[104]。這一年的9月，費米被委任為實驗室的副主任，負責核物理及理論物理相關事宜。他還負責管理F部[f]。F部下轄4個分支部門：F-1負責研製愛德華·泰勒設計的「超級」核彈；F-2負責維護「熱水鍋爐」反應堆；F-3由埃貢·布雷切爾（英語：Egon Bretscher）負責進行實驗；F-4由安德森負責進行裂變相關研究。[105]1945年7月16日，費米參觀了三位一體核試，並通過觀察爆炸產生的衝擊波能將紙片吹多遠估算了試驗核彈的當量。他的估算結果為10千噸TNT，與實際當量18.6千噸在同一數量級。[106]

費米與奧本海默、康普頓以及歐內斯特·勞倫斯一道向臨時委員會（英語：Interim Committee）提供有關原子彈轟炸目標的建議。他們一致認同可以在未經預先警告的情況下轟炸工業目標。[107]與洛斯阿拉莫斯的其他人一樣，費米也是通過研究區域的公共廣播系統（英語：Public address system）得知在廣島、長崎發生核爆的。費米並不相信原子彈可以震懾想要發起戰爭的國家，也並不認為世界政府在當時即已時機成熟，所以他沒有加入洛斯阿拉莫斯科學家聯合會（英語：Association of Los Alamos Scientists）。[108]

戰後

 
恩利高·費米研究所

二戰末期，芝加哥大學開始轉移核子研究焦點，從戰爭轉為和平用途。1945年7月1日，費米被聘為芝加哥大學的教授。之後不久，「核子學術研究所」[g]成立。[109]同年12月31日，費米一家從洛斯阿拉莫斯回到了芝加哥[110]。1946年7月1日，冶金實驗室被升格為阿貢國家實驗室。這也是自曼克頓計劃中衍生出來的第一個美國國家實驗室。[111]由於芝加哥和阿貢距離很近，因而費米可以在兩地間輕鬆周轉。在阿貢，他與利昂娜·馬歇爾一起研究中子散射（英語：Neutron scattering）[112]。他還幫助瑪麗亞·梅耶深入理解自旋-軌態耦合。梅耶後來獲得諾貝爾物理學獎的研究也是受這一點的啟發。[113]

1947年1月1日，曼克頓計劃正式被美國原子能委員會取代[114]。費米在由奧本海默領導的原子能委員會一般顧問委員會中擔任顧問[115]。他每年還會在洛斯阿拉莫斯度過數周[116]。在那裏，他與尼古拉斯·梅特羅波利斯聯合進行一些研究[117]，並與約翰·馮·諾伊曼一起研究瑞立－泰勒不穩定性[h][118]。

1949年8月，蘇聯首顆原子彈試爆成功。費米與拉比向原子能委員會提交了一篇措辭較為激烈的報告，從道德層面以及技術層面上強烈反對發展氫彈。[119]但費米還是成為了洛斯阿拉莫斯氫彈研究團隊的顧問。他與斯塔尼斯拉夫·烏拉姆合作計算得出泰勒模型中所需的氚的數量儘管大到驚人，但仍不能保證核聚變能夠持續遞移。[120]1954年，費米出席了奧本海默安全聽證會為奧本海默作證。但奧本海默的安全許可最終仍被剝奪了。[121]

費米晚年還培養了一批優秀的物理學家。他戰後的博士生包括歐文·張伯倫、傑弗里·丘、傑爾姆·佛利民、馬爾溫·戈爾德貝格爾（英語：Marvin Goldberger）、李政道、阿瑟·羅森菲爾德（英語：Arthur Rosenfeld）以及薩姆·特雷曼（英語：Sam Treiman）等人[122][123]。他還是傑克·施泰因貝格爾碩士研究生階段的導師[124]。

費米還為粒子物理學做出一些重要貢獻，其中包括他對於π介子以及緲子的研究。他首次預測了π介子-核子共振[117]。他在這些研究中主要採用統計方法，因為他知道在理論不甚精確時不必求得精確解[125]。在一篇與楊振寧聯合署名的論文中，費米推測π介子可能是一種複合粒子[126]。這個猜想後來被坂田昌一發展為坂田模型。最終坂田模型又被夸克模型取代。在這一模型中，π介子是由夸克組成的。這一模型最終完善了費米模型，並驗證了他的方法的正確性。[127]

費米還曾做過宇宙射線的相關研究。他認為宇宙射線是由在星際空間中受磁場作用加速的物質體子產生的。但這與泰勒的看法相左。[125]費米還曾研究過旋渦星系的旋臂中的磁場[128]。他還曾提出有關地外文明的「費米悖論」[129]。

 
在芝加哥的費米墳墓.

在行將去世時，費米對於社會大眾能否在核技術相關問題做出明智選擇表示質疑。他說：

1954年，費米因胃癌在芝加哥的家中去世，享年53歲[6]。他被葬在橡樹林公墓（英語：Oak Woods Cemetery）[131]。

影響與榮譽

「簡單」二字可以總結費米的個人生活。他極富活力，喜愛運動。而他好勝的天性也在這些方面有所體現。他的網球打法非常兇狠。在登山時，他也常常擔當嚮導。同行者有時會把他叫作「仁慈的獨裁者」。我記得有一次在山頂上，費米起身對我們說：「現在是一點五十八分，我們兩點時下山。」沒有人敢說不。這樣的領導能力與自信讓他成為物理學界無謬誤的「教宗」。他曾說：「我只用一個系數2就可以將一個物理問題推導數頁。有時那些物理學家要花整整一年才能把方程式的一個系數求出來，而我對（求系數）這件事並不是那麼感興趣。」他的領導才能甚至可能會讓與他共事的人失去獨立工作的能力。我記得有一次在他家舉行的聚會上，我太太剛要切麵包，費米走過來說他有新的切麵包的方法，然後順手從我太太的手中拿過來刀，切起麵包來。他總是相信他的方法更為優越。但沒有人因此感覺受到冒犯。人們反而對費米這個人非常着迷。他很少對物理學之外的東西能感興趣。有一次在聽我彈泰勒的鋼琴時，他坦承地說只對那些簡單的歌曲感興趣。
埃貢·布雷切爾[132]

對於後世的影響

費米因為他的成就獲得過許多榮譽，其中包括馬泰烏奇獎章（1926年）、諾貝爾物理學獎（1938年）、休斯獎章（1942年）、富蘭克林獎章（1947年）以及拉姆福德獎（英語：Rumford Prize）（1953年）。1946年，他還因對於曼克頓計劃做出的貢獻而獲得功績勳章。[133]1950年，費米被選為英國皇家學會的外籍會士[132]。在被稱為「意大利的先賢祠」的聖十字聖殿中也立有費米的紀念碑[134]。1999年，費米又入選了《時代周刊》評選的「20世紀最具影響力的100個人」[135]。費米被公認為20世紀少數幾位在理論方面以及實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一。物理學史專家C·P·斯諾這樣寫道：「如果費米早生幾年，也許發現原子核並發展出氫原子玻爾模型的人都將是費米。如果這聽起來像是在誇張的話，那麼費米所做過的一切就更不像是現實了。」[136]

尤金·維格納晚年時在自傳中寫道：「費米是我認識過的最偉大的人物之一... 費米的β衰變理論深深地啟迪了我。在20世紀30年代中期，物理學上的大多數進展好像都或者來自在英國劍橋大學的查德威克（James Chadwick）的實驗室，或者來自在羅馬的費米實驗室。 ... 費米期初是作為一名理論家工作的，但現在他卻差不多總是呆在實驗室里。 ... 是查德威克在1932年首次發現了中子。但費米的隊伍做出了進一步的發現：可以把中子減慢，以引起一個原子發生人工嬗變。 ... 我們試圖去幫助他，但費米憑着他的魄力和技藝指引着工作的進行，並不需要多少幫助。他不是一個優柔寡斷的人。在物理學的那個國際小圈子裏，費米的名字獲得了最高的尊敬。因此，如果他需要大量的石墨，就會有人很快送給他。他不需要給他的助手們下命令。他們都自然而然地吸取他的建議。費米最驚人的品格，同時表現在他的科學工作和他的人際關係這兩方面。 ... 他不花多少時間去揣摩他的同事和朋友們；但他很難得對他們判斷失誤。費米不僅能力很強，而且和藹可親。並且，儘管名望很高，他從不裝腔作勢。」[137]

費米在教學方面也是成績斐然。他以注重細節、講求簡潔、備課認真著稱於世。[138]他的講義後來都被改編為教科書[139]。他生前的論文以及筆記現在收藏在芝加哥大學[140]。維克托·魏斯科普夫曾說：「（費米）總是能規避複雜、繁瑣的過程並找到最為簡潔、直接的方法。」[141]費米解決物理問題的能力很大程度上是因為他的本性驅使他規避完美主義，而去追求實際結果。他厭惡煩雜的理論。儘管掌握高超的數學技巧，但在能用更為簡單的方法處理問題時他都不會去使用這些技巧。他以能快速得到較為準確的答案著稱。後來，這種快速得出近似解的方法被人們稱作「費米方法」，受到廣泛效法。[142]

費米曾說亞歷山德羅·伏打本人在實驗室做研究時可能也並不知道電學將來會如何發展[143]。他在核能以及核武器方面的貢獻受到人們的銘記，特別是他設計製造了史上首個反應堆，並在首顆原子彈及氫彈的研製過程中做出了重要的貢獻。他的一項項科學功績經受住了時間的考驗。這些工作包括對於β衰變的理論解釋，對於非線性系統的研究，發現慢中子在誘導放射性時的作用，對於π介子－核子碰撞的研究以及費米－狄拉克統計。後世對於夸克與輕子的研究正是源於他假定π介子並非基本粒子。[144]

後世對他的紀念

主條目：以恩利高·費米的名字命名的事物列表
 
位於羅馬的費米路的路標

費米身後有許許多多的事物是以他的名字命名的。這包括位於伊利諾州的費米實驗室[i][145]以及2008年發射的費米伽瑪射線太空望遠鏡[146]。此外，還有三座核反應堆設施是以他的名字命名的，分別是位於美國密芝根州的恩利高·費米核電站（英語：Enrico Fermi Nuclear Generating Station）、位於意大利特里諾的恩利高·費米核電廠（英語：Enrico Fermi Nuclear Power Plant (Italy)）[147]以及位於阿根廷的RA-1恩利高·費米反應堆（英語：RA-1 Enrico Fermi）[148]。第100號元素鐨也是以費米的姓氏命名的。這種元素是在1952年常春藤麥克核試的輻射落塵中發現的。與這種元素一起被發現的還有第99號元素鎄。[149][150]1956年，美國原子能委員會將其頒發的最高獎項命名為費米獎。奧托·哈恩、羅拔·奧本海默、愛德華·泰勒以及漢斯·貝特等知名科學家都曾獲授該獎。[151]

著作

費米幾部具有代表性的著作如下[j]：

  • Introduzione alla Fisica Atomica. Bologna: N. Zanichelli. 1928. OCLC 9653646 （意大利語）. 
  • Fisica per i Licei. Bologna: N. Zanichelli. 1929. OCLC 9653646 （意大利語）. 
  • Molecole e cristalli. Bologna: N. Zanichelli. 1934. OCLC 19918218 （意大利語）. 
  • Thermodynamics. New York: Prentice Hall. 1937. OCLC 2379038 （英語）. 
  • Fisica per Istituti Tecnici. Bologna: N. Zanichelli. 1938 （意大利語）. 
  • Fisica per Licei Scientifici. Bologna: N. Zanichelli. 1938 （意大利語）. [k]
  • Elementary particles. New Haven: Yale University Press. 1951. OCLC 362513 （英語）. 

所獲專利

參見

註釋

  1. ^ 氡最穩定的同位素222
    Rn
    的半衰期是3.8天。
  2. ^ 她曾宣佈發現第43號元素，但後來被駁回。
  3. ^ 他們是費米在哥倫比亞大學工作時的同事。
  4. ^ 連鎖反應需要大量中子才能持續發生。而中子恰恰可以通過這一方式得到補充。
  5. ^ 這種核種的半衰期為9.2小時。
  6. ^ 這個部門是以他的姓氏命名的。
  7. ^ 即現今恩利高·費米研究所。
  8. ^ 即界面兩邊的流體密度不同時會發生的現象。
  9. ^ 1974年改為現名。
  10. ^ 費米所寫論文完整列表請參見引注[132]來源的75至78頁。
  11. ^ 與愛德華多·阿馬爾迪合著。

參考文獻

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來源

書籍
期刊
新聞報道
網頁

外部連結

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