物理群星
恩里科·费米 肖像

图:美国能源部公共事务办公室,1943–1949(公有领域)

恩里科·费米

Enrico Fermi

1901–1954 · 生于意大利罗马 · 意大利 → 美国

原子与核物理粒子物理热学与统计

点燃人类第一炉核火的理论与实验双绝

诺贝尔物理学奖 1938 证明中子辐照可产生新放射性元素,并发现慢中子核反应

「那么——他们都在哪儿呢?」

—— 1950 年洛斯阿拉莫斯午餐上论及外星文明(原话据同事回忆,此处为意译),即「费米悖论」的由来

在二十世纪的物理学家里,费米是公认的「双绝」:既能在黑板上建立深刻的理论,也能挽起袖子做出决定性的实验。同行称他为「最后一位同时精通理论与实验的物理学家」。他点燃了人类第一炉可控的核火,也把名字留在了一类粒子(费米子)、一个元素(镄)和一座实验室(费米实验室)上。

罗马神童

费米生于罗马一个铁路职员家庭。十四岁那年,哥哥朱利奥在一次小手术中骤然离世;沉默寡言的少年在鲜花广场的旧书摊上买来一部 1840 年出版的拉丁文数学物理教程,靠自学把它整个啃了下来。1918 年他报考比萨高等师范学校,入学作文题为「声音的特性」,他写的却是弦振动的偏微分方程求解——考官惊叹这足以通过博士答辩。毕业后他曾赴哥廷根在玻恩门下短暂游学,却始终觉得格格不入:这个习惯凡事自己想通的年轻人,很快回了意大利。

二十四岁的统计

1926 年初,费米读到泡利的不相容原理后立刻意识到:把它用到气体粒子上,就能得到一套全新的统计规律。这套后来与狄拉克并称的「费米-狄拉克统计」,支配着电子、质子、中子——一切自旋为半整数的粒子,它们因此被统称为「费米子」。发表这项工作时他还不到二十五岁;同年年底,罗马大学为他新设了意大利第一个理论物理学教席。

帕尼斯佩尔纳大道的男孩们

在罗马大学物理系所在的帕尼斯佩尔纳大道,费米聚起一群才华横溢的年轻人:塞格雷、阿马尔迪、拉塞蒂、马约拉纳……人称「帕尼斯佩尔纳大道男孩们」。1934 年,他们用中子挨个轰击元素周期表,批量制造放射性同位素。10 月的一天,费米鬼使神差地把原本要用的铅块换成了一块石蜡——被石蜡里的氢原子撞得慢下来的「慢中子」,竟让银的放射性暴涨上百倍。慢中子日后成了反应堆的钥匙。

被《自然》退稿的杰作

1933 年底,费米完成了自认一生最得意的理论工作:把泡利假想中的中微子请进方程,建立起 β 衰变的定量理论——这是人类描述弱相互作用的第一个理论。论文投给《自然》杂志,却被以「所含推测离现实太远,读者不会感兴趣」为由退稿(此事有据可查,《自然》后来承认这是其历史上最严重的编辑失误之一),他只得改投意大利和德国的期刊。

从斯德哥尔摩直航新大陆

1938 年,墨索里尼政权颁布种族法,而费米的妻子劳拉是犹太人。当年 12 月,费米赴斯德哥尔摩领取诺贝尔奖后没有返回意大利,携全家直接登船驶向纽约。命运的讽刺在于:获奖理由中的「新元素」,几周后就被哈恩与斯特拉斯曼的实验证明其实是铀核裂变的碎片——而这恰恰推开了一扇更大的门。

「意大利航海家已登陆新大陆」

1942 年 12 月 2 日,芝加哥大学斯塔格球场看台下的壁球馆里,费米指挥人类第一座反应堆 CP-1 缓缓抽出镉控制棒。下午 3 点 25 分,中子计数器的咔嗒声连成一片:自持链式反应实现了。传往华盛顿的电话暗语是——「意大利航海家已在新大陆登陆。」此后他投身曼哈顿计划;在「三位一体」核试验现场,他抛下几片碎纸,看冲击波把它们吹出多远,当场估出了爆炸当量。这种以少胜多的估算术被后人称作「费米问题」,而他 1950 年那句关于外星文明的午餐闲谈「他们都在哪儿呢」,则成了著名的「费米悖论」。1954 年,费米因胃癌在芝加哥去世,年仅 53 岁;他培养和影响的杨振宁、李政道、塞格雷等人先后登上诺贝尔领奖台——火种早已燎原。

代表方程

费米-狄拉克分布

f(E)=1e(E−μ)/kBT+1f(E) = \frac{1}{e^{(E-\mu)/k_B T} + 1}

同一个量子态里,费米子最多只能待一个——这条分布律决定了电子如何填满原子、金属为何导电、白矮星为何撑住不再坍缩。

伟大发现