恩里科·费米——理论与实验大师

恩里科·费米(Enrico Fermi)是著名的美籍意大利裔物理学家，诺贝尔物理学奖获得者，他在量子力学、核物理、粒子物理和统计力学等方面都有着杰出贡献，并于理论探索方面和实验研究方面都取得了卓越成就。同时，他还创造了一种极高效的科研活动模式与一种十分有影响的教学方式，启迪、引导了一代代科学家。

1 天赋初显的幼年

恩里科·费米于1901年9月29日出生于罗马。他的父亲是意大利铁道部的部门负责人，母亲是一名小学教员。由于父母工作繁忙，恩里科一出生便被送到乡下由乳母抚养，两岁半才被接回家中。费米与双亲一样并没有宗教信仰，从小保持理性的思维，并一生信奉不可知论。

不同于喜欢在泥地里摸爬滚打的孩童，费米从小就喜欢玩一些电动和机械玩具，并乐于亲手组装。偶然一次机会，费米在集市上买到了一本《数学物理要旨》，该书涉及数学、经典力学、天文学、光学和声学等方面的知识，可以称得上是他物理学方面的启蒙教材。不久，费米的家人朋友都意识到了他得天独厚的理学天赋，他父亲的同事鼓励费米深入学习物理，还送给他几本讲授数学和物理学的书籍，这些书带费米进一步深入物理的世界^[1]。

2 初露锋芒的青年

高中时期，费米与同样对科学感兴趣的珀西科十分要好，常常一起钻研科学，他们曾一起搭建各类仪器，用以测量重力加速度、自来水密度和地球磁场强度等物理量。

在家人的支持和鼓励下，综合考量实验设施与教学条件后，17岁的费米选择申请就读比萨高等师范学校。在入学考试中，费米利用傅里叶分析方法求解了杆振动的波动方程，以第一名的成绩完成了以“声音的不同特性”为题的论文，轰动一时。费米的面试官皮塔雷利教授对他的入学论文大加赞赏，认为他有成为伟大的科学家的潜质。

初入大学，费米主修的是数学，后来才转为主修物理学。他的广义相对论、量子力学以及原子物理学等相关知识大多都是自学的。1920年9月，费米进入物理系。在这里，费米认识了佛朗哥·拉塞蒂，他一生的挚友以及学术上的亲密合作者。他的导师，物理学实验室主任路易吉·普钱蒂允许他们随意使用实验室里的设备进行科学研究，还让他组织量子力学相关的讨论班。次年，费米在《新试验》上发表了两篇科学论文。第一篇论文题为《论平动中的电荷刚体的动力学》，他在这篇论文中使用张量来描述质量，张量分析这一数学分析方法对广义相对论的数学表述来说是十分重要的。第二篇论文题为《匀强引力场中的静电学及电荷的质量》，他在这篇论文中利用广义相对论得到电荷的质量为，与依据电动力学计算所得到的值不同。他以此为切入点提出电动力学理论与相对论在计算电磁质量时存在矛盾。这篇论文广受赞誉，并于1922年被译为德语发表在期刊《物理学杂志》上^[2]。至此，还是学生的费米就成了学校中量子力学和相对论方面的权威。

3 光芒璀璨的明星

1924年，费米前往哥廷根大学、莱顿等地与众多物理学家进行交流学习并结为好友。1925年1月至1926年末，费米于佛罗伦萨大学教授数学物理及理论力学，并前往罗马大学开展了有关量子力学和固体物理的演讲。在这里，他与拉塞蒂一起进行了很多实验，共同研究含时磁场对水银蒸气共振辐射的退偏振效应。

1925年，沃尔夫冈·泡利提出泡利不相容原理，随后，费米以此为基础发表了论文《论单原子理想气体的量子化》。他在气体分子遵守泡利不相容原理的前提下分析了理想气体系统，总结归纳了由大量遵守不相容原理的全同粒子组成的物理系统的量子态的统计规律，并提出统计式。不久后，该式又被保罗·狄拉克独立推出，并解释了其与玻色-爱因斯坦统计式的联系，该式就是赫赫有名的“费米-狄拉克统计”。为纪念费米的杰出贡献，学界将遵守泡利不相容原理的粒子命名为“费米子”。

1928年，费米成功当选罗马大学第一任理论物理学教授。1929年，费米被墨索里尼任命为意大利皇家科学院院士。在罗马任职期间，费米与他的团队一同为物理学的理论研究及实际应用做出了诸多贡献。费米着手编写教材《原子物理学引论》，举办公开讲座，发表科普文章，面向公众传播知识，启迪智慧。同时，费米备课仔细认真，以系统化的方式梳理知识脉络，讲课循循善诱、逻辑清晰，由浅入深讲述复杂问题。课余时间，费米乐意与学生们讨论课题，因材施教，鼓励学生探寻自己感兴趣的课题，在传授理论知识的同时注重实践素质的培养。为培养学生们的科学创新精神，费米经常教导学生不仅要做到可以解决问题，还要善于提出问题^[3]。

4 一波三折的诺奖

为使得β衰变前后能量守恒，泡利构想出了一种不带电且质量极小的新粒子，它会伴随着电子一起被放射出来。费米对这一假说十分感兴趣，于1933年至1934年先后发表了两篇文章来论述该粒子的性质，并将这种粒子称作“中微子”。这一解释被后世的物理学家称作费米相互作用，也是弱相互作用理论的前生。费米的理论不仅对泡利的中微子假说提供了有力支持，还首次成功描述了物质粒子的产生与湮灭过程，对现代物理学产生了深远的影响。

1934年，居里夫妇利用α粒子轰击原子核诱导原子核产生放射性的实验，费米决定采用类似的实验方法验证中子是否带电。费米选用氡—铍中子源进行实验，通过使用中子轰击铝原子核，该铝原子核转化为钠的一种同位素以及一个α粒子，不久，这个钠原子发生β衰变转化为镁原子。通过此方法，费米成功诱导了22种元素发生放射，并认为其中包含尚未被发现的93号及94号元素。

某天，费米的学生发现在木质工作台上进行实验比起在大理石工作台上进行实验更为顺利。为探究原因，费米采用一般中子与经石蜡层减速的中子分别轰击银原子，发现后者诱发放射性的效果高达前者的一百余倍。费米认为石蜡其中的氢原子使中子的运动速度减慢。为验证此猜想，他将实验介质换更为水，中子的运动速度也明显减慢了。费米用“慢中子”解释了这一现象。实验证明与中子发生碰撞的原子原子序数越低，中子每次碰撞损耗的能量就越大，当总损耗能量一样时，氢原子的“减速效率”最大。费米为此推导出扩散方程，即费米寿命方程。

1938年，费米因“证明存在由中微子辐射诱导产生的新的放射性元素，并发现由慢中子引发的核反应”荣获诺贝尔物理学奖。

同年，德国的化学家奥托·哈恩及弗里茨·施特拉斯曼在利用中子轰击铀原子的产物中发现了元素钡，其为铀核发生了核裂变的产物，否定了费米此前宣布的发现的超铀元素^[4]。这个消息令费米十分难堪，但他还是将这个发现添加到他的诺贝尔奖获奖感言的注脚中。

5 成就斐然的大师

费米并没有被错误击溃，恰恰相反，他以此为契机对铀核裂变现象进行更加深入的研究。由费米主持设计的芝加哥1号堆是世界上首个核反应堆，该反应堆完成了首次人工自持续链式反应，具有里程碑意义。1939年1月，费米与研究团队成员进行了美国国内首次核裂变实验，他们发现铀原子在被中子轰击后放出的中子较吸收的更多，证明了链式反应的理论可行性。费米在反应堆的建造过程中亲力亲为，保证了实验的安全性与科学性。

在粒子物理学方面，费米首次预测了π介子-核子共振，推测π介子可能是一种复合粒子。后世对于夸克与轻子的研究正是源于他假定的π介子并非基本粒子。在宇宙射线方面，费米认为宇宙射线是由星际空间中受磁场作用加速的物质粒子产生的，他曾研究过旋涡星系的旋臂中的磁场，并提出有关地外文明的“费米悖论”。

1946年，冶金实验室被升格为阿贡国家实验室。在那里，费米与利昂娜·马歇尔一同研究中子散射。费米还帮助玛丽亚·梅耶深入理解自旋-轨道耦合，间接成就了梅耶的诺贝尔物理学奖。费米每年还会在洛斯阿拉莫斯工作一段时间，在那里，他与约翰·冯·诺伊曼一起研究瑞利－泰勒不稳定性。费米在芝加哥大学任教期间还培养出一大批优秀的物理学家，包括欧文·张伯伦、杰弗里·丘、马尔温·戈尔德贝格尔、杰克·施泰因贝格尔等人。

1954年，费米因胃癌在芝加哥的家中去世，享年53岁，被葬于橡树林公墓，他辉煌而短暂的一生就此落幕。

6 结语

综上所述，费米是一位在理论、实践和教学三方面都取得显著成果的物理学家。他对后世的影响深远，从“费米分布”、“费米液体”、“费米子”等众多以他名字命名的物理概念就可窥一斑而知全豹。杨振宁在被问及对费米的印象是谈到：“他永远可靠和可信任；他永远脚踏实地。他的能力极强，却不滥用影响，也不哗众取宠，或巧语贬人。”费米总是能规避复杂、繁琐的过程，找到最为简洁、直接的方法去解决问题，他严谨求实的作风，注重实践的思想，谦虚谨慎的品格在潜移默化中影响身边人，也作为高空中的启明星启迪着我们后来人。贤者魂归高天，功绩长存于世。我们应谨遵先者教诲，坚持问题导向，将理论运用于实践，在实践中深化对理论知识的认知，不止步于实验室，将眼光放长远，把论文写在祖国的大地上。

参考文献：

[1] 程民治, 柳传长. 恩里科·费米：融实验家、理论家和教育家于一身[J]. 物理与工程, 2008, 第18卷(1):52-56.

[2]恩里科·费米（wikipedia.org）https://en.wikipedia.org/wiki/Enrico_Fermi.

[3] 白帆. 费米的教育及研究风格对物理教师的启示[J]. 物理之友, 2018, 第34卷(8):18-19，22.

[4] 酷因乐.走进诺贝尔 ——“原子能之父”费米[J]. 红蜻蜓·高年级版, 2021, (10).