理论物理学家费纸，实验物理学家费电，理论实验物理学家费？_风闻

本文转自公众号：费米科学（ID：fermi_science）

有句俗话说得好

物理学家

通常只能在理论和实验中二选一

但是有一个人在理论和实验领域都达到了一流水准

他就是

恩里科·费米（Enrico Fermi）

1939年1月2日早晨，“法兰克尼亚号”邮轮驶过默默无言的自由女神像，进入纽约港。

甲板上，意大利物理学家恩里科·费米脸上浮现着笑容，说道：“我们已经创立了费米家族的美国支系了。”

一年前，费米获得了诺贝尔物理学奖。

同年，意大利法西斯政府发动了反犹太运动。

为保护犹太人妻子（当然也不排除是为了自己的研究），费米借领取诺贝尔奖的机会举家逃往美国纽约。

○费米一家在“法兰克尼亚号”邮轮上的留影

1934年，小居里夫妇用α粒子轰击铝，发现了人工放射性，但是产率很低。

费米认为由于α粒子带正电，会与原子核互相排斥，降低了击中原子核的概率，所以产率低。

他决定尝试用不带电的中子代替α粒子做炮弹，看看能不能产生更强的放射性。

于是

时任罗马大学理论物理学教授的费米华丽转身

成为了一名实验物理学家

他带领自己的团队搜集材料制造中子源，搭建用于测量放射性的盖革计数器，用中子把当时已知的92种元素都轰击了一遍。

○费米（右一）在罗马大学带领的青年科学家团队，外号“帕尼斯贝尔纳大道上的少年（Via Panisperna boys）”。

为了排除中子源本身对放射性检测装置的影响，二者被放置在一条长廊的两端。

有时，在中子轰击下产生的元素寿命很短，所以为了检测元素的放射性，喜爱运动的费米及同事总是以赛跑的形式把新产生的元素从长廊的一端送到另一端。

直到轰击92号元素——铀的时候，费米认为他们得到了一种新的元素，可能是第93号元素。

之后，出于某种机缘巧合，费米的团队还发现：当中子源放在木桌上或者石蜡中的时候，人工放射性会增强几百倍之多。

他给出的解释是，中子在与木桌或石蜡中的氢原子核碰撞后，速度减慢，更容易被重原子核吸收。

按照费米的原话，“就像一个飞快的高尔夫球可能从球洞跳过去，而一个慢慢滚着的高尔夫球却有更好的机会进入球洞一样。”

正是由于发现了**“93号元素”和慢中子效应**，他获得了1938年诺贝尔物理学奖。

○瑞典国王古斯塔夫五世向费米授诺贝尔奖

然而，就在费米领完诺奖到达美国后不久，有德国科学家发现，用中子轰击铀得到的不是93号元素，而是让铀碎成大小差不多的两大块，并释放大量核能，这就是传说中的**“核裂变”**。

这也就是说

费米的诺贝尔奖

有一半的乌龙成分

○不要告诉别人

当费米获悉了核裂变的消息后，虽然一直在纠结于自己的错误，但是也预见到了其中有着更深远的意义。

于是

他又成了一名理论物理学家

通过理论分析，费米提出一种假说：铀核裂变时，会放出中子。

如果他的假说是对的，中子轰击铀原子会发生裂变，1个铀核裂变会产生2个中子，它们会再击中2个铀核，使它们裂变，产生4个中子……

也就是说，只要一开始用少量中子去轰击铀，就能产生一连串自发持续的反应，直到大部分铀都被分裂。

这就是传说中的

○链式反应示意图

链式反应最重大的意义在于，铀核裂变释放的能量是同等质量炸药的100万倍，于是利用核能的可能性第一次呈现在人类面前。

在二战一触即发的1939年初，核能是否会被应用于战争，在科学界引起了广泛讨论。

而核裂变又是由德国人发现的，这就让很多人感到恐慌：如果纳粹德国用核能驱动战舰甚至造出原子弹，都将是人类的灾难。唯一的希望就是自持的链式反应在实践上行不通。

但是包括费米在内的很多从欧洲逃亡到美国的科学家认为，不能寄希望于链式反应的不可行性，而是要把研究进度抢在纳粹德国前面。

于是

费米又成了实验物理学家

在哥伦比亚大学做核裂变的实验研究

通过包括爱因斯坦在内的多名科学家的建议，1941年底，美国政府也充分意识到了研制原子弹的必要性，制定了“曼哈顿计划”。

研制原子弹的第一步就是验证可控自持链式反应的可行性。费米被任命为链式反应研究组的组长，迁至芝加哥继续他的核裂变研究。

1942年12月，费米带领他的团队在芝加哥大学的一个室内网球场里建成了世界上第一个核反应堆“芝加哥1号堆”，实现了自持链式反应。

○纪念人类第一个核反应堆的金属匾，位于芝加哥大学

反应堆的基本结构是将铀块嵌入高纯度的石墨砖里，然后堆成一个6米高的球形。石墨的作用是让铀核裂变放出的中子减速，使之更容易与其他铀核碰撞发生裂变，以提高中子的利用率。

石墨是制造铅笔芯的材料，而反应堆所用的石墨足够给全世界每个人造一支铅笔。

物理学家们在摆弄石墨的时候，自然也就把整个网球场的墙面、地面、以及他们自己全都涂成了黑色。

○第一座反应堆素描图

有了铀和石墨，并且反应堆的体积大到一定程度之后，裂变反应是自发进行的，需要将用金属镉制成的棒插入反应堆来吸收中子，对反应进行控制。

芝加哥1号堆首次运行当天，有49位科学家和杜邦财团的格林沃尔特先生到场参观。费米小心谨慎地指挥着一位青年物理学家将反应堆中最后一根控制棒一点一点地拔出，同时观察着辐射强度指示器，记录每一步数据。

如果发生链式反应，辐射强度将不断上升，而不会趋于平缓。

○描绘第一座核反应堆试验场景的油画

实验从早上一直进行到中午，全场观众的注意力都集中在反应堆上，没有一个人作出饥饿的表示，费米这个尊重习惯的人却说出了一句历史性的名言：

“我们去吃午饭吧。”

午饭过后，实验继续缓慢进行。

最终在下午3:25，费米宣布反应堆开始了链式反应。

核研究工作的总负责人康普顿在向上级汇报这一划时代事件时，出于保密性考虑，说了一句意味深长的话：

“那位意大利航海家已到达新大陆。”

随着反应堆实验的成功，曼哈顿计划也向着制造原子弹的目标全力开进。费米也继续在这项工程中担任主要的科学顾问。

1945年7月16日，第一颗原子弹在美国新墨西哥州的沙漠引爆。这颗原子弹爆炸后大约30秒，爆炸产生的气浪到达费米所在的掩蔽处。

○费米拿出了一把纸片

只见费米随手撒下一把纸片，纸片被气浪卷走，落在一段距离之外。费米用自己的脚步测量了这段距离，他随即计算得出结论：这颗原子弹的威力相当于20000吨TNT炸药的能量。

费米的估算结果与那些精密仪器和准确计算的结果相差无几。从此，他一向强大的估算能力被传为佳话。

精密、严谨的数学也是费米的强项，但他更喜欢把复杂的问题化为简易的计算和估计来解决。为了在学生中间推广这种思想，费米会经常提出一种特殊类型问题，即费米问题。

问：芝加哥有多少钢琴调音师？

解：如果芝加哥居民300万，平均每户4人，拥有钢琴的家庭占1/3，则全市有250000架钢琴。

如果一架钢琴每5年调音一次，则全市每年有50000架钢琴要调音。

如果一个调音师一天调4架钢琴，一年工作250天，那么，芝加哥市大约有50个调音师。

费米问题的解答方法叫做“Guesstimation”。

这个英文单词是由“Guess（猜测）”和“Estimation（估计）”组合而成，我把它翻译为**“连蒙带猜”**。

原子弹试验成功之后，美国又造出2枚原子弹，分别投在日本的广岛和长崎，让二战提前结束。

战后，费米没有继续研制威力更大的氢弹，而是在芝加哥大学继续研究高能粒子物理。

但由于长期接触放射性物质，费米罹患食道癌和胃癌，于1954年11月29日与世长辞，享年53岁。

○费米的墓碑

时至今日，核武器也没有再被用于战争，而核反应堆在世界各地为人类提供能源，造福着人类。

科学家们也正在探索一种不同于裂变反应堆的清洁核能——聚变反应堆，又称“人造太阳”。

物理学家们各有各的“风格”，有的努力寻求最基本的原理，有的只猎取新的现象，有的喜欢测量的精确性，还有的偏爱改善仪器和技术。

正是这些不同的追求互相促进，才推动了物理学的发展。

实际上，费米在1922年取得博士学位时，就已经有了自己的研究风格。他几乎全靠自学完成学业，他的知识要么通过看书获取，要么通过自己研究发现。

费米从来没有遇到过一个能指导他的优秀科学家。

费米专注于分析确定的现象，然后巧妙地运用已知的原理去解释它，却很少有试图综合多种理论，归纳出普适的基本原理的想法。

他在理论方面的工作也倾向于研究可以被实验验证的具体问题。如果能自己做实验验证自己的理论，就是最让他高兴的事了。

回想一下，费米从尝试用中子轰击物质一直到造出第一个核反应堆的整个过程，不就是一个反复地解释实验、提出理论、再用新的实验验证理论的过程吗。

​他还是一个实证主义者。

实证主义的观点是，只有能观察到的现象才是真实存在的，而在背后支配一切的“真理”或“本质”是不存在的，所以评判物理理论好坏的标准不是它是否足够“基本”、足够“本质”，而是它能否有效地解释特定的实验现象。

费米的实证主义观点渗透在他物理学研究和生活的方方面面。

初到美国的时候，费米为了分担家务，尝试过自己擦鞋。但他擦鞋只擦鞋的前头，不擦脚后跟。因为脚后跟他自己看不见，而“只有能观察到的才是真实存在的”。

费米的妻子劳拉在为他书写的传记中多次提到“费米是个不可知论者”，也说过“这种人认为他用科学可以解释一切”。

这两种陈述看似矛盾，但其实它们相交的地方恰恰在于实证主义。

实证主义的观点认为世界的本质并不存在，也不可能被认识，所以必然导致不可知论。但是也正因为没有一个绝对的真理，各种具体的现象都成了值得去相信、去探索、去解释的。

是现象本身而不是真理激发了费米的研究动力，所以他的研究是去“解释一切”。

○正在解决问题的费米

正因为费米关注的是物理现象本身，所以他解决物理问题是“不择手段”的。

除了著名的“连蒙带猜”，还有“摁计算器大法”。

费米的学生杨振宁在描述对费米的印象时，说了这样一段话：

“费米喜欢用计算器。不论是小的还是大的计算器他都喜欢用。我们这些在芝加哥的研究生们都看到了这个特点，而且都很信服。显然在事业早期，他就已爱上了计算器。这个爱好一直延续到他的晚年。”

实际上，有很多物理学家，尤其是理论物理学家，他们认为物理世界的本质是其“数学结构”，正所谓“上帝是个数学家”。相对于那些看重数学，动辄列出微分方程，花几个月时间严格求解的物理学家而言，费米更喜欢用计算器做简单数值计算甚至估算，通常可以在半小时之内解决根本的物理问题。

理论物理学家汉斯·贝特评价费米：

实际上，费米在物理学上的成就远不止核反应堆和原子弹，也不是一个诺贝尔奖就能衡量的，物理学的各个领域都有他的名字：费米黄金定则、费米子、费米面、费米液体、费米常数、费米-狄拉克方程，托马斯-费米模型……美国还建立了费米国家加速器实验室，是美国最重要的物理学研究中心之一。

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