理論物理學家費紙，實驗物理學家費電，理論實驗物理學家費？

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有句俗話說得好

物理學家

通常只能在理論和實驗中二選一

但是有一個人在理論和實驗領域都達到了一流水準

他就是

恩里科·費米（Enrico Fermi）

1939年1月2日早晨，「法蘭克尼亞號」郵輪駛過默默無言的自由女神像，進入紐約港。

甲板上，義大利物理學家恩里科·費米臉上浮現著笑容，說道：「我們已經創立了費米家族的美國支系了。」

一年前，費米獲得了諾貝爾物理學獎。

同年，義大利法西斯政府發動了反猶太運動。

為保護猶太人妻子（當然也不排除是為了自己的研究），費米借領取諾貝爾獎的機會舉家逃往美國紐約。

○費米一家在「法蘭克尼亞號」郵輪上的留影

1934年，小居里夫婦用α粒子轟擊鋁，發現了人工放射性，但是產率很低。

費米認為由於α粒子帶正電，會與原子核互相排斥，降低了擊中原子核的概率，所以產率低。

他決定嘗試用不帶電的中子代替α粒子做炮彈，看看能不能產生更強的放射性。

於是

時任羅馬大學理論物理學教授的費米華麗轉身

成為了一名實驗物理學家

他帶領自己的團隊搜集材料製造中子源，搭建用於測量放射性的蓋革計數器，用中子把當時已知的92種元素都轟擊了一遍。

○費米（右一）在羅馬大學帶領的青年科學家團隊，外號「帕尼斯貝爾納大道上的少年（Via Panisperna boys）」。

為了排除中子源本身對放射性檢測裝置的影響，二者被放置在一條長廊的兩端。

有時，在中子轟擊下產生的元素壽命很短，所以為了檢測元素的放射性，喜愛運動的費米及同事總是以賽跑的形式把新產生的元素從長廊的一端送到另一端。

直到轟擊92號元素——鈾的時候，費米認為他們得到了一種新的元素，可能是第93號元素。

之後，出於某種機緣巧合，費米的團隊還發現：當中子源放在木桌上或者石蠟中的時候，人工放射性會增強幾百倍之多。

他給出的解釋是，中子在與木桌或石蠟中的氫原子核碰撞後，速度減慢，更容易被重原子核吸收。

按照費米的原話，「就像一個飛快的高爾夫球可能從球洞跳過去，而一個慢慢滾著的高爾夫球卻有更好的機會進進球洞一樣。」

正是由於發現了「93號元素」和慢中子效應，他獲得了1938年諾貝爾物理學獎。

○瑞典國王古斯塔夫五世向費米授諾貝爾獎

然而，就在費米領完諾獎到達美國後不久，有德國科學家發現，用中子轟擊鈾得到的不是93號元素，而是讓鈾碎成大小差不多的兩大塊，並釋放大量核能，這就是傳說中的「核裂變」。

這也就是說

費米的諾貝爾獎

有一半的烏龍成分

○不要告訴別人

當費米獲悉了核裂變的消息後，雖然一直在糾結於自己的錯誤，但是也預見到了其中有著更深遠的意義。

於是

他又成了一名理論物理學家

通過理論分析，費米提出一種假說：鈾核裂變時，會放出中子。

如果他的假說是對的，中子轟擊鈾原子會發生裂變，1個鈾核裂變會產生2個中子，它們會再擊中2個鈾核，使它們裂變，產生4個中子……

也就是說，只要一開始用少量中子去轟擊鈾，就能產生一連串自發持續的反應，直到大部分鈾都被分裂。

這就是傳說中的

○鏈式反應示意圖

鏈式反應最重大的意義在於，鈾核裂變釋放的能量是同等質量炸藥的100萬倍，於是利用核能的可能性第一次呈現在人類面前。

在二戰一觸即發的1939年初，核能是否會被應用於戰爭，在科學界引起了廣泛討論。

而核裂變又是由德國人發現的，這就讓很多人感到恐慌：如果納粹德國用核能驅動戰艦甚至造出原子彈，都將是人類的災難。唯一的希望就是自持的鏈式反應在實踐上行不通。

但是包括費米在內的很多從歐洲逃亡到美國的科學家認為，不能寄希望於鏈式反應的不可行性，而是要把研究進度搶在納粹德國前面。

於是

費米又成了實驗物理學家

在哥倫比亞大學做核裂變的實驗研究

通過包括愛因斯坦在內的多名科學家的建議，1941年底，美國政府也充分意識到了研製原子彈的必要性，制定了「曼哈頓計劃」。

研製原子彈的第一步就是驗證可控自持鏈式反應的可行性。費米被任命為鏈式反應研究組的組長，遷至芝加哥繼續他的核裂變研究。

1942年12月，費米帶領他的團隊在芝加哥大學的一個室內網球場里建成了世界上第一個核反應堆「芝加哥1號堆」，實現了自持鏈式反應。

○紀念人類第一個核反應堆的金屬匾，位於芝加哥大學

反應堆的基本結構是將鈾塊嵌入高純度的石墨磚里，然後堆成一個6米高的球形。石墨的作用是讓鈾核裂變放出的中子減速，使之更容易與其他鈾核碰撞發生裂變，以提高中子的利用率。

石墨是製造鉛筆芯的材料，而反應堆所用的石墨足夠給全世界每個人造一支鉛筆。

物理學家們在擺弄石墨的時候，自然也就把整個網球場的牆面、地面、以及他們自己全都塗成了黑色。

○第一座反應堆素描圖

有了鈾和石墨，並且反應堆的體積大到一定程度之後，裂變反應是自發進行的，需要將用金屬鎘製成的棒插入反應堆來吸收中子，對反應進行控制。

芝加哥1號堆首次運行當天，有49位科學家和杜邦財團的格林沃爾特先生到場參觀。費米小心謹慎地指揮著一位青年物理學家將反應堆中最後一根控制棒一點一點地拔出，同時觀察著輻射強度指示器，記錄每一步數據。

如果發生鏈式反應，輻射強度將不斷上升，而不會趨於平緩。

○描繪第一座核反應堆試驗場景的油畫

實驗從早上一直進行到中午，全場觀眾的注意力都集中在反應堆上，沒有一個人作出飢餓的表示，費米這個尊重習慣的人卻說出了一句歷史性的名言：

「我們去吃午飯吧。」

午飯過後，實驗繼續緩慢進行。

最終在下午3:25，費米宣布反應堆開始了鏈式反應。

核研究工作的總負責人康普頓在向上級彙報這一划時代事件時，出於保密性考慮，說了一句意味深長的話：

「那位義大利航海家已到達新大陸。」

隨著反應堆實驗的成功，曼哈頓計劃也向著製造原子彈的目標全力開進。費米也繼續在這項工程中擔任主要的科學顧問。

1945年7月16日，第一顆原子彈在美國新墨西哥州的沙漠引爆。這顆原子彈爆炸後大約30秒，爆炸產生的氣浪到達費米所在的掩蔽處。

○費米拿出了一把紙片

只見費米隨手撒下一把紙片，紙片被氣浪捲走，落在一段距離之外。費米用自己的腳步測量了這段距離，他隨即計算得出結論：這顆原子彈的威力相當於20000噸TNT炸藥的能量。

費米的估算結果與那些精密儀器和準確計算的結果相差無幾。從此，他一向強大的估算能力被傳為佳話。

精密、嚴謹的數學也是費米的強項，但他更喜歡把複雜的問題化為簡易的計算和估計來解決。為了在學生中間推廣這種思想，費米會經常提出一種特殊類型問題，即費米問題。

問：芝加哥有多少鋼琴調音師？

解：如果芝加哥居民300萬，平均每戶4人，擁有鋼琴的家庭佔1/3，則全市有250000架鋼琴。

如果一架鋼琴每5年調音一次，則全市每年有50000架鋼琴要調音。

如果一個調音師一天調4架鋼琴，一年工作250天，那麼，芝加哥市大約有50個調音師。

費米問題的解答方法叫做「Guesstimation」。

這個英文單詞是由「Guess（猜測）」和「Estimation（估計）」組合而成，我把它翻譯為「連蒙帶猜」。

原子彈試驗成功之後，美國又造出2枚原子彈，分別投在日本的廣島和長崎，讓二戰提前結束。

戰後，費米沒有繼續研製威力更大的氫彈，而是在芝加哥大學繼續研究高能粒子物理。

但由於長期接觸放射性物質，費米罹患食道癌和胃癌，於1954年11月29日與世長辭，享年53歲。

○費米的墓碑

時至今日，核武器也沒有再被用於戰爭，而核反應堆在世界各地為人類提供能源，造福著人類。

科學家們也正在探索一種不同於裂變反應堆的清潔核能——聚變反應堆，又稱「人造太陽」。

物理學家們各有各的「風格」，有的努力尋求最基本的原理，有的只獵取新的現象，有的喜歡測量的精確性，還有的偏愛改善儀器和技術。

正是這些不同的追求互相促進，才推動了物理學的發展。

實際上，費米在1922年取得博士學位時，就已經有了自己的研究風格。他幾乎全靠自學完成學業，他的知識要麼通過看書獲取，要麼通過自己研究發現。

費米從來沒有遇到過一個能指導他的優秀科學家。

費米專註於分析確定的現象，然後巧妙地運用已知的原理去解釋它，卻很少有試圖綜合多種理論，歸納出普適的基本原理的想法。

他在理論方面的工作也傾向於研究可以被實驗驗證的具體問題。如果能自己做實驗驗證自己的理論，就是最讓他高興的事了。

回想一下，費米從嘗試用中子轟擊物質一直到造出第一個核反應堆的整個過程，不就是一個反覆地解釋實驗、提出理論、再用新的實驗驗證理論的過程嗎。

他還是一個實證主義者。

實證主義的觀點是，只有能觀察到的現象才是真實存在的，而在背後支配一切的「真理」或「本質」是不存在的，所以評判物理理論好壞的標準不是它是否足夠「基本」、足夠「本質」，而是它能否有效地解釋特定的實驗現象。

費米的實證主義觀點滲透在他物理學研究和生活的方方面面。

初到美國的時候，費米為了分擔家務，嘗試過自己擦鞋。但他擦鞋只擦鞋的前頭，不擦腳後跟。因為腳後跟他自己看不見，而「只有能觀察到的才是真實存在的」。

費米的妻子勞拉在為他書寫的傳記中多次提到「費米是個不可知論者」，也說過「這種人認為他用科學可以解釋一切」。

這兩種陳述看似矛盾，但其實它們相交的地方恰恰在於實證主義。

實證主義的觀點認為世界的本質並不存在，也不可能被認識，所以必然導致不可知論。但是也正因為沒有一個絕對的真理，各種具體的現象都成了值得去相信、去探索、去解釋的。

是現象本身而不是真理激發了費米的研究動力，所以他的研究是去「解釋一切」。

○正在解決問題的費米

正因為費米關注的是物理現象本身，所以他解決物理問題是「不擇手段」的。

除了著名的「連蒙帶猜」，還有「摁計算器大法」。

費米的學生楊振寧在描述對費米的印象時，說了這樣一段話：

「費米喜歡用計算器。不論是小的還是大的計算器他都喜歡用。我們這些在芝加哥的研究生們都看到了這個特點，而且都很信服。顯然在事業早期，他就已愛上了計算器。這個愛好一直延續到他的晚年。」

實際上，有很多物理學家，尤其是理論物理學家，他們認為物理世界的本質是其「數學結構」，正所謂「上帝是個數學家」。相對於那些看重數學，動輒列出微分方程，花幾個月時間嚴格求解的物理學家而言，費米更喜歡用計算器做簡單數值計算甚至估算，通常可以在半小時之內解決根本的物理問題。

理論物理學家漢斯·貝特評價費米：

實際上，費米在物理學上的成就遠不止核反應堆和原子彈，也不是一個諾貝爾獎就能衡量的，物理學的各個領域都有他的名字：費米黃金定則、費米子、費米面、費米液體、費米常數、費米-狄拉克方程，托馬斯-費米模型……美國還建立了費米國家加速器實驗室，是美國最重要的物理學研究中心之一。

END

本文首發於公眾號「費米科學」（fermi_science），轉載請聯繫原作者。

原標題：諾貝爾獎也太太太太太太太隨便了吧！

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