恩里科·费米(1938年诺贝尔物理学奖得主)
| 姓名 | 恩里科·费米(Enrico Fermi) |
|---|---|
| 出生 | 1901年9月29日,意大利罗马 |
| 逝世 | 1954年11月28日(53岁),美国伊利诺伊州芝加哥 |
| 国籍 | 意大利→美国 |
| 母校 | 比萨高等师范学校 |
| 知名于 | 核反应链式反应、慢中子效应、费米-狄拉克统计、β衰变理论、费米悖论 |
| 奖项 | 诺贝尔物理学奖(1938年) |
| 研究领域 | 核物理学、粒子物理学、统计力学 |
| 机构 | 莱顿大学、佛罗伦萨大学、罗马大学、哥伦比亚大学、芝加哥大学 |
生平
恩里科·费米1901年9月29日出生于意大利罗马。父亲是铁路部门官员,母亲是小学教师。幼年丧兄,费米在悲痛中埋首书本,展现出惊人的数学和物理天赋。他考入比萨高等师范学校,1918年入学,1922年获博士学位。此后他先后到莱顿大学访问、在佛罗伦萨大学任教。1926年,费米被聘为罗马大学理论物理学教授——这是意大利首个理论物理学教席,时年仅25岁。他在罗马创建了著名的"罗马学派",培养了一大批杰出物理学家。
1938年,因意大利法西斯政权颁布种族歧视法(费米妻子是犹太人),费米借去瑞典领取诺贝尔奖之机携全家移居美国。他先后在哥伦比亚大学和芝加哥大学任教。在芝加哥大学,他领导建造了世界上第一座核反应堆(芝加哥1号堆,CP-1),1942年12月2日实现了人类首次自持链式核反应。二战期间他参加曼哈顿计划,为原子弹研制做出关键贡献。1954年因胃癌在芝加哥去世。
学术生涯
费米的学术生涯以多产和广度著称,几乎在每个他涉足的领域都做出了深刻贡献。
早年(1920年代),费米在统计力学方面的工作最为重要。1926年,他独立于狄拉克提出了适用于费米子(自旋半整数粒子)的量子统计——费米-狄拉克统计。这一统计规律是理解电子在金属中的行为、白矮星的稳定性以及核物质性质的基础。
1929年至1934年,费米提出了β衰变理论,首次引入弱相互作用概念。他指出β衰变中释放的电子与中微子同时产生,理论中包含了后来被称为"费米耦合常数"的基本参数。这是现代弱相互作用理论的先驱。
1934年,在居里夫人的女儿女婿发现人工放射性后,费米立即意识到可以用中子轰击元素来产生新放射性核素。他系统用中子轰击各元素,发现慢中子(经石蜡等含氢物质减速后的中子)的核反应效率远高于快中子。这一"慢中子效应"后来获1938年诺贝尔奖。费米还误以为自己制造出了超铀元素,实际上他进行了核裂变而未意识到——这一发现后来被哈恩和斯特拉斯曼解释。
在芝加哥时期(1942年后),费米领导了CP-1核反应堆的设计建造。他提出了完整的核反应堆理论——包括中子扩散理论、临界质量计算和反应控制方法。此后他参与了氢弹原理的研究,并转向高能物理——他参与建造了费米实验室的前身加速器。
获奖成就
费米因"发现由慢中子引起的核反应"获1938年诺贝尔物理学奖。颁奖时正值法西斯意大利推行种族主义政策,费米利用此机会离开意大利。
费米获得无数荣誉:美国国家科学勋章(1946年)、英国皇家学会休斯奖章(1942年)、富兰克林奖章(1947年)等。他是美国国家科学院院士、英国皇家学会外籍院士。元素周期表中的第100号元素被命名为"镄"(Fermium)。费米实验室以他的名字命名。美国能源部设有费米奖。
历史贡献
费米的历史贡献涵盖多个维度。他是最后一个既在理论物理又在实验物理方面达到顶尖水平的"全能型"物理学家。他的学生称他"既能推导出最抽象的公式,又能亲手拧螺丝搭建设备"。
在理论方面:费米-狄拉克统计是量子统计力学的两大支柱之一;β衰变理论开启了弱相互作用研究的大门;他提出的核反应堆理论为核能应用奠定了基础。
在实验方面:慢中子的发现直接导致核裂变的利用成为可能;CP-1核反应堆是人类首次控制的核能释放,标志着核能时代的开端;他参与曼哈顿计划推动了原子弹的成功。
在学科建设方面:费米的"罗马学派"培养了一批杰出物理学家(如塞格雷、阿马尔迪、庞特科沃等),这些人后来都成为核物理和粒子物理的领军人物。到美国后,他在芝加哥大学培养的博士和博士后中有多位诺贝尔奖得主(如李政道、杨振宁、钱伯林等)。
费米悖论也是他的重要思想遗产:如果宇宙中存在大量高等文明,为什么我们从未发现他们的踪迹?这个问题至今激励着地外文明探索。
轶事典故
费米以惊人的心算能力著称。他能比大型计算机更快地估算出复杂现象的结果。"费米估算"(Fermi Problem)成为一种经典的科学估算方法——比如问"芝加哥有多少钢琴调音师?",通过合理的数量级估算得出近似答案。
在原子弹的"三位一体"试验中,费米在现场撒了一小片纸片,通过测量纸片在冲击波中的位移快速估算出了爆炸当量——他估计相当于1万吨TNT,与后来仪器测得的结果(1.8万吨)在同一数量级。
费米在罗马大学的学生给他起了"the Pope"(教皇)的绰号,因为他被认为是罗马学派的"无谬误"权威——只要费米说某件事是对的,那就是对的。
在CP-1反应堆启动的关键时刻,费米亲手抽出控制棒,以极大的勇气指挥着人类首次可控核链式反应。当天他的午餐是一块三明治,实验做到一半因为临界条件逼近的快中子计数而紧张得忘记吃。
参考文献
1. Fermi, E. (1934). Radioattività indotta da bombardamento di neutroni. La Ricerca Scientifica, 5(2), 283-286. 2. Fermi, E. (1942). The Development of the First Chain Reacting Pile. Proceedings of the American Philosophical Society, 90(1), 20-24. 3. Nobel Foundation. Enrico Fermi – Biographical. NobelPrize.org. 4. Segrè, E. (1970). Enrico Fermi: Physicist. University of Chicago Press. 5. Pais, A. (1993). Niels Bohr's Times: In Physics, Philosophy, and Polity. Oxford University Press.