恩里科·費米

恩里科·費米，也是原子彈的設計師和締造者之一，被譽為“原子能之父”。 費米擁有數項核能相關專利，並在1938年因研究由中子轟擊產生的感生放射以及發現超鈾元素而獲得了諾貝爾物理學獎。 他是物理學日漸專門化後少數幾位在理論方面和實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一。費米在統計力學領域做出了他第一個重大理論貢獻。物理學家沃爾夫岡·泡利1925年提出了泡利不相容原理。費米依據這一原理對於理想氣體系統進行了分析，所得到的統計形式現在通常稱作費米–狄拉克統計。現在，人們將遵守不相容原理的粒子稱為“費米子”。之後，泡利又對β衰變進行了分析。為使這一衰變過程能量守恆，泡利假設在產生電子時同時會產生一種電中性的粒子。這種粒子當時尚未觀測到。費米對於這一粒子的性質進行了分析，得出了它的理論模型，並將其稱為“中微子”。他對β衰變進行理論分析而得到的理論模型後來被物理學家稱作“”。這一理論後來發展為弱相互作用理論。弱相互作用是四種基本相互作用之一。費米還對由中子誘發的感生放射進行了實驗研究。他發現慢中子要比快中子易於俘獲，並推匯出來描述這一放射過程。在用慢中子對釷核以及鈾核進行轟擊後，他認為他得到了新的元素。儘管他因為這一發現而獲得了諾貝爾物理學獎，但這些元素後來被發現只是核裂變產物。費米1938年逃離義大利，以避免他的夫人勞拉因為猶太裔出身而受到新透過的波及。他移民至美國，並在第二次世界大戰期間參與曼哈頓計劃。費米領導了他的團隊設計並建造了芝加哥1號堆。這個反應堆1942年12月2日進行了，完成了首次人工自持續鏈式反應。他之後著手建造位於田納西州橡樹嶺的X-10石墨反應堆和漢福德區的。這兩個反應堆先後於1943年和1944年進行了臨界試驗。他還領導了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的F部，致力於實現愛德華·泰勒設計的利用熱核反應的“”。1945年7月16日，費米參與了三位一體核試，並利用自己的方法估算了爆炸當量。戰後，費米參與了由羅伯特·奧本海默領導的一般顧問委員會，向美國原子能委員會提供核技術以及政策方面的建議。在得知蘇聯1949年8月完成了首次原子彈爆炸試驗後，費米從道德以及技術層面都極力反對發展氫彈。他1954年在奧本海默安全聽證會上為奧本海默作證。但奧本海默最終仍是被剝奪了安全許可。費米對於粒子物理，特別是π介子以及μ子的相關理論，做出了重要貢獻。他推測宇宙射線產生於星際空間中受磁場作用加速的物質。在他身後，有許許多多以他的名字命名的獎項、事物以及研究機構，其中包括：恩里科·費米獎、恩里科·費米研究所、費米國立加速器實驗室、費米伽瑪射線空間望遠鏡、以及元素鐨。早年.恩里科·費米在1901年9月29日誕生於羅馬。他的父親阿爾貝託·費米是義大利鐵道部的部門負責人，母親伊達·德伽提絲是一名小學教員。他是家裡第三個孩子，姐姐瑪麗亞比他年長兩歲，哥哥朱利奧比他年長一歲。兄弟二人出生後被送到鄉下的乳母撫養，兩歲半時恩里科回到家裡。由於祖父母篤信天主教，恩里科在出生後依天主教教義接受了洗禮，但他和他的雙親一樣並沒有宗教信仰，並且一生信奉不可知論。恩里科年幼時與他的哥哥興趣相投，他們一起製作電動機，並玩一些電動和機械玩具。1915年，朱利奧在進行咽喉膿腫手術的麻醉期間意外離世。在羅馬的鮮花廣場附近的市集裡，費米買到了一本《數學物理要旨》，這是他在物理學方面的啟蒙教材之一。這本900餘頁的書是由耶穌會士神甫於1840年以拉丁語寫成的。卡拉法神甫是羅馬學院的教授，他在這本書裡敘述了當時已知的數學、經典力學、天文學、光學以及聲學等方面的知識。費米與同樣對科學非常感興趣的非常要好，常常一起鑽研科學。他們曾一起搭起了一架陀螺儀，還嘗試準確測量地球引力所產生的加速度。費米父親的同事阿道弗·阿米代伊積極鼓勵費米學習物理，曾送給他幾本有關物理學及數學的書，這些書讓費米愛不釋手。比薩生涯.1918年7月，費米高中畢業。由於設施以及教學等方面的優勢，阿米代伊鼓勵費米申請就讀比薩高等師範學校。經歷過喪子之痛的父母並不願意他離家去比薩讀書，更希望他讀羅馬大學，但最終他們還是同意了。學校為學生提供免費住宿等優待，但是入學考試異常嚴格，校方還要求撰寫一篇以“聲音的特性”為題的論文。當時年僅17歲的費米利用傅立葉分析方法求解了杆振動的波動方程，他在入學考試中名列第一。羅馬大學的教授朱塞佩·皮塔雷利是考官之一，參與了對費米的面試。皮塔雷利對於費米的入學論文大加讚許，並認為他有成為偉大的科學家的潛質。在比薩度過的幾年裡，費米與佛朗哥·拉塞蒂成為了推心置腹的好友，拉塞蒂後來成為費米一生的摯友以及學術上的合作者。費米在比薩時期的導師是物理學實驗室主任路易吉·普錢蒂。普錢蒂認為自己對費米在物理學方面可能沒有太多助益，反而會經常讓費米教給他一些新知識。費米非常精通量子物理學，普錢蒂就讓他組織相關的討論班。在這幾年中，費米還學習了張量分析。這種數學分析方法是由格雷戈里奧·裡奇-庫爾巴斯托羅和圖利奧·列維-齊維塔引入的，對於廣義相對論的數學表述非常重要。費米一開始主修數學，後來轉作主修物理學。他的廣義相對論、量子力學以及原子物理學相關知識大多都是自學的。1954年，費米因胃癌在芝加哥的家中去世，享年53歲。他被葬在。影響與榮譽.對於後世的影響.費米因為他的成就獲得過許多榮譽，其中包括馬泰烏奇獎章。1946年，他還因對於曼哈頓計劃做出的貢獻而獲得功績勳章。1950年，費米被選為英國皇家學會的外籍會士。在被稱為“義大利的先賢祠”的聖十字聖殿中也立有費米的紀念碑。1999年，費米又入選了《時代週刊》評選的“20世紀最具影響力的100個人”。費米被公認為20世紀少數幾位在理論方面以及實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一。物理學史專家C·P·斯諾這樣寫道：“如果費米早生幾年，也許發現原子核並發展出氫原子玻爾模型的人都將是費米。如果這聽起來像是在誇張的話，那麼費米所做過的一切就更不像是現實了。”尤金·維格納晚年時在自傳中寫道：“費米是我認識過的最偉大的人物之一... 費米的β衰變理論深深地啟迪了我。在20世紀30年代中期，物理學上的大多數進展好像都或者來自在英國劍橋大學的查德威克的實驗室，或者來自在羅馬的費米實驗室。 ... 費米期初是作為一名理論家工作的，但現在他卻差不多總是呆在實驗室裡。 ... 是查德威克在1932年首次發現了中子。但費米的隊伍做出了進一步的發現：可以把中子減慢，以引起一個原子發生人工嬗變。 ... 我們試圖去幫助他，但費米憑著他的魄力和技藝指引著工作的進行，並不需要多少幫助。他不是一個優柔寡斷的人。在物理學的那個國際小圈子裡，費米的名字獲得了最高的尊敬。因此，如果他需要大量的石墨，就會有人很快送給他。他不需要給他的助手們下命令。他們都自然而然地吸取他的建議。費米最驚人的品格，同時表現在他的科學工作和他的人際關係這兩方面。 ... 他不花多少時間去揣摩他的同事和朋友們；但他很難得對他們判斷失誤。費米不僅能力很強，而且和藹可親。並且，儘管名望很高，他從不裝腔作勢。”費米在教學方面也是成績斐然。他以注重細節、講求簡潔、備課認真著稱於世。他的講義後來都被改編為教科書。他生前的論文以及筆記現在收藏在芝加哥大學。維克托·魏斯科普夫曾說：“總是能規避複雜、繁瑣的過程並找到最為簡潔、直接的方法。”費米解決物理問題的能力很大程度上是因為他的本性驅使他規避完美主義，而去追求實際結果。他厭惡煩雜的理論。儘管掌握高超的數學技巧，但在能用更為簡單的方法處理問題時他都不會去使用這些技巧。他以能快速得到較為準確的答案著稱。後來，這種快速得出近似解的方法被人們稱作“費米方法”，受到廣泛效法。費米曾說亞歷山德羅·伏打本人在實驗室做研究時可能也並不知道電學將來會如何發展。他在核能以及核武器方面的貢獻受到人們的銘記，特別是他設計製造了史上首個反應堆，並在首顆原子彈及氫彈的研製過程中做出了重要的貢獻。他的一項項科學功績經受住了時間的考驗。這些工作包括對於β衰變的理論解釋，對於非線性系統的研究，發現慢中子在誘導放射性時的作用，對於π介子－核子碰撞的研究以及費米－狄拉克統計。後世對於夸克與輕子的研究正是源於他假定π介子並非基本粒子。後世對他的紀念.費米身後有許許多多的事物是以他的名字命名的。這包括位於伊利諾伊州的費米實驗室以及2008年發射的費米伽馬射線太空望遠鏡。此外，還有三座核反應堆設施是以他的名字命名的，分別是位於美國密歇根州的、位於義大利特里諾的以及位於阿根廷的。第100號元素鐨也是以費米的姓氏命名的。這種元素是在1952年常春藤麥剋核試的輻射落塵中發現的。與這種元素一起被發現的還有第99號元素鑀。1956年，美國原子能委員會將其頒發的最高獎項命名為費米獎。奧托·哈恩、羅伯特·奧本海默、愛德華·泰勒以及漢斯·貝特等知名科學家都曾獲授該獎。著作.費米幾部具有代表性的著作如下：