恩裏科·費米

恩裏科·費米

恩裏科·費米(Enrico Fermi,1901年9月29日-1954年11月28日),美籍義大利裔物理學家,1938年諾貝爾物理學獎得主。他對理論物理學和實驗物理學方面均有重大貢獻,首創了β衰變的定量理論,負責設計建造了世界首座自持續鏈式裂變核反應堆,發展了量子理論。

  • 中文名稱
    恩裏科·費米
  • 外文名稱
    Enrico Fermi
  • 國籍
    美國
  • 出生日期
    1901年9月29日
  • 逝世日期
    1954年11月28日
  • 職業
    科學家
  • 主要成就
    1938年諾貝爾物理學獎得主

​簡介

恩裏科·費米(義大利語:Enrico Fermi,1901年9月29日-1954年11月28日),美籍義大利裔物理學家,1938年諾貝爾物理學獎得主。他被稱為現代物理學的最後一位通才,對理論物理學實驗物理學均做出了重大貢獻。他是量子力學和量子場論的創立者之一。他首創了弱相互作用(β衰變)的費米理論,負責設計建造了世界首座自持續鏈式裂變核反應堆。他還是曼哈頓計畫的主要領導者。以他的名字命名的有費米黃金定則費米-狄拉克統計費米子費米面、費米液體及費米常數等等。

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生平

費米出生于義大利首都羅馬,父親阿爾貝托·費米是通訊部的職員。他在中學時代就展現了在數學和物理方面的才能。1918年獲得比薩高等師範學校的獎學金。四年之後他在比薩大學獲得了物理學博士,導師是普契安提教授。

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1923年到1924年期間,他通過義大利政府和洛克菲勒基金會的資助訪問了德國哥廷根大學的馬克思·玻恩教授和荷蘭萊頓大學的艾倫法斯特教授。1924年,他回到義大利,在翡冷翠大學任職數學物理和力學科講師。

1926年,費米發現了一種新的統計定律-費米-狄拉克統計。他發現這種統計適用于所有遵循泡利不兼容原理的粒子,這些粒子被稱為費米子。費米-狄拉克統計和玻色子所遵循的玻色-愛因斯坦統計是量子世界的基本統計規律。

1927年,費米當選為羅馬大學的理論物理學教授。他在這個教席上一直任職到1938年。由于他的夫人勞拉是猶太裔,為逃避墨索裏尼法西斯政府的迫害,他們在1938年接受諾貝爾獎之後移居到了美國。1938年到1942年期間,費米任紐約哥倫比亞大學教授。從1942年直至去世,他是芝加哥大學的物理學教授。

在羅馬大學的早期時間費米主要的研究課題是電動力學和光譜學,但是隨後他把研究重點放在了原子核本身而不是核外電子上。1934年他在原先的輻射理論和泡利的中微子理論基礎上提出了β衰變的費米理論。在人工放射性被發現後不久,他實驗演示了幾乎所有元素在中子轟炸下都會發生核變化。這個工作促使了慢中子和核裂變的發現。

在1939年哈恩和斯特拉斯曼發現核裂變後,費米馬上意識到次級中子和鏈式反應的可能性。1942年12月2日他在芝加哥大學體育場的壁球館試驗成功了首座受控核反應堆。在二戰期間第一枚核子彈的建造過程中(曼哈頓計畫),他是主要領導者之一。

1945年7月16日晚上,核子彈在內華達州的沙漠引爆成功時,費米在核子彈試爆現場附近,突然躍起向空中撒了一把碎紙片,爆炸後氣浪將紙片急速地卷走,他緊追紙片跑了幾步,並根據紙片飛出的距離估算了核爆炸的"當量數",大聲喊著:"成功了!它的爆炸威力相當于二萬噸TNT炸葯。"後來證明是驚人的準確。

第二次世界大戰之後,費米的主要研究方向是高能物理,他在介子核相互作用和宇宙射線的來源等方面都做出了開創性的工作。費米于1954年在芝加哥去世。

紀念

由于在人工放射性和慢中子方面的工作,費米被授予了1938年諾貝爾物理學獎。他還是一位傑出的老師。他的學生中有六位獲得過諾貝爾物理學獎。為紀念這位物理學家,費米國家實驗室和芝加哥大學的費米研究所都以他的名字命名。2008年6月11日發射的大面積伽瑪射線空間望遠鏡于同年8月26日改名為費米伽瑪射線空間望遠鏡做為他身為高能物理先驅的紀念。

相關圖書

圖書《原子在我家中:我與恩裏科·費米的生活》。

內容簡介:恩裏科·費米是當代著名的美籍義大利物理學家,是物理學羅馬學派的創始人之一;本書為其夫人勞拉·費米所著。本書以個人回憶的方式比較詳細地敘述了費米的生平和他的科學活動,包括政治背景、社會生活以及一些與他有關的人和事。通過本書,不僅可以了解費米的生平事跡,而且可以從一個側面了解人類對核能從理論探索的實際套用的發展過程。

羅馬學派

誕生的背景

費米的世界自然在物理學上。但是,他所面臨的義大利的物理學,是猶如龐貝古城一樣幹枯的廢墟--一塊曾經充滿了輝煌歷史的廢墟。他除了清除瓦礫從頭開始外,沒有其他選擇。

文藝復興

義大利人在物理學上曾經有著一段輝煌的歷史。物理學真正成為一門嚴密的科學,就是從這塊土地上產生的。孕育了自由和理性精神的文藝復興--義大利人通常稱之為五百年代--曾經從這塊土地開始滌蕩中世紀以來的陳腐而沉悶的經院教條風氣,成為近代自然科學誕生的溫床。義大利人的名字與這段輝煌的歷史是永遠連在一起的。列奧納·達·芬奇不僅是大畫家,而且也是大數學家、力學家和工程師,在物理學的各個不同方面都有著重要的發現。在他所考慮的無數題目中,已經預兆了現代的科學精神。文藝復興之後,在人們心中沸騰著的某些偉大思想,終于在伽利略的劃時代的工作中得到實際的結果。愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》中評論說:"伽利略的發現以及他所套用的科學的推理方法,是人類史上最偉大的成就之一,而且真正標志著物理學的開端。"伽利略把實驗方法和歸納方法與數學的演繹方法結合起來,因而發現並建立了物理科學的真正方法。即使在今天,物理研究仍然以伽利略的方法為基礎。伽利略關于勻速直線運動的相對性原理和重力加速度恆定原理,為當時的力學及後來的物理學奠定了基礎。他還發現了運動的合成定律和振動的等時性現象。正是在這些理論基礎上,牛頓建立了他的力學體系;也是依據了上述的兩則原理,300年後,愛因斯坦發現了時空的本質屬性,提出了廣義相對論的理論。

伽利略還作為人類文化史上科學與真理的象征而歷來為義大利人所驕傲。他在1613年出版了《關于太陽黑子的書信》。1616年他遭到教庭審判,被命令放棄地動說。不屈不撓的伽利略在16年後憑著對真理追求的勇氣和科學精神,出版了導致他遭受終生監禁的《關于托勒密和哥白尼的兩大世界體系的對話》。在330年後的1953年,愛因斯坦在其英譯本序言中寫道:伽利略的《對話》,對于每一個對西方文化史及其在經濟和政治發展史上的影響感興趣的人來說,都是一個知識的寶庫。在這本書中,和勇氣的人,他代表理性的思維,挺身而出,反對那一批依仗人民的無知並且利用披著牧師與學者外衣的教師的無所事事,借以把持和維護其權勢的人。伽利略于1638年雙目失明,四年後在繼續監禁中含冤去世,但他為世人永遠敬仰,被譽為"近代科學之父"。義大利還是近代第一個達到科學興盛的國家。從16世紀中期到17世紀初期,義大利的科學成就約佔全世界的百分之四十。盡管在伽利略之後,義大利不再是世界的科學中心,但仍有一些義大利人在物理學上作出了重要的貢獻。如1786年伽伐尼(1737--1798)發現了"動物電",開創了生物電學;1799年伏打(1745--1827)在多年研究"動物電"的基礎上研製了第一個長時間工作的電流源--伏打電堆;1811年阿伏枷德羅(1776--1856)提出分子假說。這些成就,足以使義大利人為他們的先輩們在科學上的貢獻感到自豪。

19世紀末

但在伏打、阿伏伽德羅之後,由于義大利全境連年爆發革命,大學教育不能正常進行,物理學研究瀕于癱瘓。到19世紀末這一段近百年的時間裏,義大利人在物理學方面幾乎沒有出色的貢獻,也沒有出現世界一流的物理學家。正當法國、德國、英國以及美國的物理學研究進入一個繁榮的時期,一些非凡的甚至是革命性的觀念在歐洲別的科學中心生長出來的時候,義大利物理學在一定意義上被說成"一潭死水,沒有一個義大利人活躍在時代物理的前沿上"。

20世紀初

20世紀初的義大利物理學,從各個方面來說,其發展都極其落後。從物理學的建製化程度看,物理學研究基本上集中在大學裏,物理學教授席位除了羅馬大學有兩個外,其餘主要的大學裏分別隻有一個;教授更換率也很低,大約每十年更換一個左右,大大落後于其他國家的物理研究中心;同時,物理學方面的學術組織也極少,質量也不高;連續多年大學物理系生源短缺,研究經費不足,沒有高質量的學術刊物,也很少舉辦高水準的國內、國際學術會議。從物理學教學和研究水準看,物理教學內容相對滯後,大多數物理學家知識陳舊,停留在經典物理理論的水準上;現代物理學的內容在大學中受到忽視,量子理論和相對論直到1927年才開始被列入大學課程表中。另外,物理學家們很少進行交流和合作,不能形成一定的研究規模,甚至在有的大學的物理實驗室中幾年沒有做過像樣的實驗。到1920年義大利林賽科學院唯一的物理學院士裏紀(1850--1920)教授去世後,"義大利物理學後繼無人"。

與此同時,在歐洲別的地方,世紀之交正是物理學最為激動人心的年月,奇跡正一個接一個地被那裏的物理學家們創造出來,世界物理學的發展呈現出前所未有的繁榮景象。1895年,德國物理學家倫琴(1845--1923)發現了X射線;1896年,法國科學家貝克勒爾(1852--1908)發現了鈾的天然放射性;1897年,英國物理學家湯姆遜(1856--1940)發現了電子。三大發現摧毀了人們長期認為的原子不可分的觀念,打破了物理學發展到頂,物理學家無事可做的自滿情緒,重新激發了科學家進行新發現的興趣,引起了科學史上的一場變革。1900年普朗克提出了能量子的概念;1902年居裏夫婦發現了放射性元素釙和鐳;1905年愛因斯坦提出了狹義相對論,引起了人類時空觀念的重大變革;191 1年英國物理學家盧瑟福提出了原子結構模型,開啟了人類研究原子核及其結構的序幕。這是一個激動人心的年代,整個物理學由于量子論和相對論的建立而面貌煥然一新。一大批物理學家脫穎而出,一批研究中心吸引著各方人才,整個科學共同體呈現出一片繁榮的景象。甚至有人認為,這個空前輝煌的科學時代猶如文學藝術史上的"文藝復興"時代,是一個產生巨人並創造巨人的時代。

歐洲物理學的繁榮不僅表現為科學認識活動的不斷深入,還表現為科研活動在組織上的成熟。為了抓住物理學發展提供的機遇,在歐洲的許多國家,物理學家以實驗室或研究所為基地組成研究小組開展工作。在英國卡文迪什實驗室有盧瑟福領導的研究小組,在丹麥哥本哈根大學理論物理研究所有玻爾領導的研究小組,在德國哥廷根大學,玻恩吸引了好幾位才華畢露的年輕物理學家在他身邊學習和工作。此外,荷蘭的艾倫菲斯特(1886--1933)、德國慕尼黑的索末菲等,也都有自己的研究群體。這些大大小小的研究群體,通過學術交流和人員互訪形成了研究網路,開展常規科學下破解難題的任備。所謂"研究學派",就是指這種以實驗室或研究所為基地,有成熟的科學家組成的研究小組。他們與同一機構中的學生和助手共同從事一項相當緊湊的研究計畫,參與著社會和智力方面直接而持續不斷的相互影響。

20世紀初歐洲物理學這種日新月異的發展狀況,與義大利物理學那種"一潭死水"的樣子形成了強烈的對比。這種情況引起了義大利國內的一些有識之士的關註與焦慮,他們渴望在義大利能夠出現一批活躍的現代物理學家,以恢復他們曾經擁有的而且已經滲入他們的文化心理中的輝煌。20年代初,首先意識到其物理學的危機並為改變這種狀況而做出有效努力的,是當時的國家公共教育大臣柯比諾參議員。柯比諾同時也是羅馬大學物理系主任和物理研究所長,是義大利老一輩物理學家為恢復義大利物理學在世界物理學中的地位而作出貢獻的傑出代表。

對義大利物理學的發展有著重大影響力的柯比諾教授,于1876年4月出生在西西裏島。他的父親參加過1866年的第三次對奧戰爭,退役後開辦了一家生產通心粉的手工作坊。柯比諾是家中的第二個孩子,在童年就顯露出大器早成的跡象,9歲時為當地主教看,被吸收參加培養神父的討論班。柯比諾參加神學討論班一直到ll歲,在那兒他打下拉丁文的基礎,但他缺乏宗教熱情。在他的請求下,他的父母委托一名牧師輔導他通過了國中畢業考試,當時他才13歲,比一般的國中畢業生年輕兩歲。隨後他前往離家25英裏的一所高中完成了大學預科教育,用兩年時間學完了三年的課程。高中期間,他還參加了以研究黑體輻射熱力學知名的斯特拉斯蒂教授為高年級學生舉辦的物理學講座。

柯比諾在卡塔尼亞大學上了一年就轉學到帕拉莫大學,在那兒他受到物理研究所所長瑪卡盧蘇(1845--1932)教授的精心栽培。瑪卡盧蘇教授曾經遊學國外,並與H·A·洛倫茲等物理學領袖交往甚密。瑪卡盧蘇教授賞識柯比諾的非凡的天分,他們之間,甚至他們的家庭和學生之間結下了深厚的友誼。

1896年,柯比諾20歲時獲得了博士學位。之後,他當了幾年中學教師。盡管中學繁重的教學任務留給他的空閒時間很少,柯比諾還是設法利用學校的實驗室做了不少的研究工作。1898年,他與瑪卡盧蘇教授合作進行了一項重要的發現,即關于磁場中鈉蒸氣在它的吸收線附近出現反常旋轉力的發現。這是雷曼效應發現兩年後,物理學在旋轉力方面的唯一發現,柯比諾對此進行了統計解釋。這次發現引起了國內外物理學界的註意。隨後幾年裏,柯比諾又做出了幾項磁光學上的發現。柯比諾在這個研究課題上的嚴謹的解釋,使他在國內外獲得一定的知名度,成為義大利最有前途的年輕物理學家之一,為裏紀教授所器重--裏紀教授一直跟隨赫茲的研究方向進行電磁波的研究,被認為是義大利物理學的權威。

經過艱辛的努力,柯比諾在事業上發展很快,1904年他在兩次大學教席的競選中獲勝,一個是物理學,另一個是電工學。他接受了密西拿大學物理學教席,不久被羅馬大學巴拉斯瑪(1836--1918)教授召到羅馬,擔任羅馬大學物理學教授。巴拉斯瑪教授是赫爾姆霍茲(1821--1894)的學生,也是義大利王太後的朋友,當時還是義大利王國參議院的議長。柯比諾到了羅馬大學後·,繼續就他的老課題--磁光學進行研究,同時也研究高溫下金屬的比熱、霍爾效應和相關的電磁效應。他是義大利最先意識到"布勞恩管"--也就是陰極射線示波器的效用以及廣泛使用它的人之一。第一次世界太戰期間,柯比諾轉向了套用研究,包括硝化甘油的蒸汽壓力研究和X射線管的電源研究。

戰爭結束

戰爭結束後,柯比諾很快投身到行政和政治活動中。他技術上的精通使他得到政府和工業界的青睞。政府委任他主持國家水資源管理委員會。他很快了解了義大利特有的經濟和工業問題。1920年,焦利蒂政府使他成為王國的參議員,1921年被內閣任命為公共教育大臣。1923年剛剛執政的墨索裏尼.(1883-1945)任命他為國家經濟大臣--盡管他從來都不是法西斯黨的成員。

接觸過柯比諾的任何人都對他的思維能力和豐富的科學經驗留下深刻的印象,他能夠極其敏銳地抓住任何科學的或人類問題的實質;他是整個義大利老一輩物理學家中唯一能夠理解和領略世界物理學最新發展的人;他還是一位出色的演說家,能夠以熱情洋溢的言辭緊緊扣住聽眾的心弦;他的目朽崇高,充滿自信;他喜好出謀劃策,喜歡安排人事,而這種愛好通常經過努力都能夠獲得成功。 1922年,幾乎近十年沒有在科學領域中做什麽實質性的工作之後,柯比諾開始對自己進行嚴肅猷反省和評價。在一次議會辯論中,他作為教育大臣大聲疾呼道: "尊敬的議員先生們,現在,我剛剛度過了一個危機……我仍然向往科學,我向往以往的一切,在激烈的政治鬥爭中我最向往的是往日在實驗室儀器周圍度過的平靜的日子。我很惋惜,在裏紀教授去世後,義大利物理學後繼無人。"柯比諾非常清楚義大利物理學近百年來的停滯狀況,他也了解他那一輩的物理學家都沉醉在伽利略和伏打往日的光榮裏,沒有做出任何努力來維護這一傳統。除了那些實際上是數學家的數學物理學家外,柯比諾是這一世紀頭25年中唯一有所成就的物理學家。雖然他幾乎已完全放棄了積極的研究工作,但他的心思仍在物理學上面。他大膽地想像著一個能有重要成就的偉大學派會在羅馬興起,並會得到舉世公認。這種想像對柯比諾來說是一個挑戰,他的夢想一定要實現。建立一個優秀學派的第一步,就;要搜羅優秀的人才。柯比諾明白,在義大利能夠對現代物理學產生強烈興趣的人,顯然隻能從初出茅廬的年輕人中去發現,于是他著意留心那些才華畢露的新秀。1922年的秋天,他看中了費米。

形成及其影響

1927年費米和F·拉塞蒂在科比諾的大力協助下,致力于創立物理學研究集體,把選招適合于高訓練、將來能夠成為獨立工作科學家的學生們當作首要任務。先後被選到的有E·塞格雷、E·阿馬第、馬約拉納、B·蓬泰科爾沃、達戈斯泰諾等。在費米的帶動下,形成了人們所稱道的羅馬學派。

在當時,雖然費米主要做理論工作,但他對驗工作也有興趣。他的創造性研究猶如一台壓機,總是以單一速度緩慢而永恆地工作著,而其結果卻總是以簡單而自然的方式清楚地表達出來。費米的這種踏實的科研作風和簡明通達的教學本領給他的學生們以深遠的影響。

費米不給學生們指定或提示博士論文題目,他期待他們自己去選定,以鍛煉他們獨立工作猷領。羅馬學派的學術活動吸引了義大利各地的青年物理學家,很多學者陸續來訪問,其中有B·羅西、G·喇卡、G·維克、E·富比尼、U·範奧等。德國學者在去美國避難之前也來此訪問,其中有貝特、拉切克、布洛赫、佩爾斯、瑙德海姆、倫敦等人。

1929年羅馬學派已覺察到雖然他們的理論工作有好的開端,但實驗工作亟待加強。為了把新的實驗技能引進羅馬,拉塞蒂先去美國R·A·密立根實驗室進修拉曼光譜學,後到德國L·邁特納實驗室進修核技術,塞格雷先去荷蘭P·塞曼實驗室進修禁戒光譜線,後到0·施特恩實驗室工作,阿馬爾;德國P·J·W·德拜實驗室進修X射線液體衍射。拉塞蒂回來後,羅馬學派的主要實驗工作從光譜學轉向了原子核物理學。

量子力學的出現使費米和科叱諾感到原子物理學基本問題已經解決了,未來發展將是探索原子核和更復雜結構,最終解決生命科學的基本問題。1931年,在費米和科比諾的鼓動下,義大利科學院在羅馬召開了核物理學會議,這使羅馬學派熟悉了當時流行的核問題。1932年召開的巴黎會議邀請費米作了原子核物理學情勢的總結報告。從此羅馬學派的主要研究邁入核物理學。

二次世界大戰前夕,1938年,費米學派的精華拉塞蒂、塞格雷及阿馬爾第已先于費米到美國哥倫比亞大學工作。大戰後,費米任教于芝加哥大學,用在羅馬的方式教導他的大批研究生,其中有些後來成了名,如H·M·阿格紐、加溫、M·蓋耳曼、0·張伯倫、C·丘、M·戈德伯格、L·羅森菲耳德、伍茲等以及晚些時的楊振寧、李政道。因此,芝加哥變成物理學各個領域的繁忙活動中心。可以說,羅馬學派精神在芝加哥復甦了。

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