原標(biāo)題：【物理科普】理論物理學(xué)家費紙，實驗物理學(xué)家費電，理論實驗物理學(xué)家費？

?

有句俗話說得好

物理學(xué)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(lǐng)域都達(dá)到了一流水準(zhǔn)

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(jìn)入紐約港。

甲板上，意大利物理學(xué)家恩里科·費米臉上浮現(xiàn)著笑容，說道：“我們已經(jīng)創(chuàng)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(xué)獎。

同年，意大利法西斯政府發(fā)動了反猶太運動。

為保護猶太人妻子（當(dāng)然也不排除是為了自己的研究），費米借領(lǐng)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(fā)現(xiàn)了人工放射性，但是產(chǎn)率很低。

費米認(rèn)為由于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(chǎn)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(chǎn)生更強的放射性。

于是

時任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授的費米華麗轉(zhuǎn)身

成為了一名實驗物理學(xué)家

他帶領(lǐng)自己的團隊搜集材料制造中子源，搭建用于測量放射性的蓋革計數(shù)器，用中子把當(dāng)時已知的92種元素都轟擊了一遍。

○費米（右一）在羅馬大學(xué)帶領(lǐng)的青年科學(xué)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(chǎn)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(chǎn)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(rèn)為他們得到了一種新的元素，可能是第93號元素。

之后，出于某種機緣巧合，費米的團隊還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)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后，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(jìn)入球洞一樣。”

正是由于發(fā)現(xiàn)了“93號元素”和慢中子效應(yīng)，他獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)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(lǐng)完諾獎到達(dá)美國后不久，有德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，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，并釋放大量核能，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(dāng)費米獲悉了核裂變的消息后，雖然一直在糾結(jié)于自己的錯誤，但是也預(yù)見到了其中有著更深遠(yuǎn)的意義。

于是

他又成了一名理論物理學(xué)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(fā)生裂變，1個鈾核裂變會產(chǎn)生2個中子，它們會再擊中2個鈾核，使它們裂變，產(chǎn)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(chǎn)生一連串自發(fā)持續(xù)的反應(yīng)，直到大部分鈾都被分裂。

這就是傳說中的

○鏈?zhǔn)椒磻?yīng)示意圖

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)最重大的意義在于，鈾核裂變釋放的能量是同等質(zhì)量炸藥的100萬倍，于是利用核能的可能性第一次呈現(xiàn)在人類面前。

在二戰(zhàn)一觸即發(fā)的1939年初，核能是否會被應(yīng)用于戰(zhàn)爭，在科學(xué)界引起了廣泛討論。

而核裂變又是由德國人發(fā)現(xiàn)的，這就讓很多人感到恐慌：如果納粹德國用核能驅(qū)動戰(zhàn)艦甚至造出原子彈，都將是人類的災(zāi)難。唯一的希望就是自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在實踐上行不通。

但是包括費米在內(nèi)的很多從歐洲逃亡到美國的科學(xué)家認(rèn)為，不能寄希望于鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的不可行性，而是要把研究進(jìn)度搶在納粹德國前面。

于是

費米又成了實驗物理學(xué)家

在哥倫比亞大學(xué)做核裂變的實驗研究

通過包括愛因斯坦在內(nèi)的多名科學(xué)家的建議，1941年底，美國政府也充分意識到了研制原子彈的必要性，制定了“曼哈頓計劃”。

研制原子彈的第一步就是驗證可控自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可行性。費米被任命為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)研究組的組長，遷至芝加哥繼續(xù)他的核裂變研究。

1942年12月，費米帶領(lǐng)他的團隊在芝加哥大學(xué)的一個室內(nèi)網(wǎng)球場里建成了世界上第一個核反應(yīng)堆“芝加哥1號堆”，實現(xiàn)了自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

○紀(jì)念人類第一個核反應(yīng)堆的金屬匾，位于芝加哥大學(xué)

反應(yīng)堆的基本結(jié)構(gòu)是將鈾塊嵌入高純度的石墨磚里，然后堆成一個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(fā)生裂變，以提高中子的利用率。

石墨是制造鉛筆芯的材料，而反應(yīng)堆所用的石墨足夠給全世界每個人造一支鉛筆。

物理學(xué)家們在擺弄石墨的時候，自然也就把整個網(wǎng)球場的墻面、地面、以及他們自己全都涂成了黑色。

○第一座反應(yīng)堆素描圖

有了鈾和石墨，并且反應(yīng)堆的體積大到一定程度之后，裂變反應(yīng)是自發(fā)進(jìn)行的，需要將用金屬鎘制成的棒插入反應(yīng)堆來吸收中子，對反應(yīng)進(jìn)行控制。

芝加哥1號堆首次運行當(dāng)天，有49位科學(xué)家和杜邦財團的格林沃爾特先生到場參觀。費米小心謹(jǐn)慎地指揮著一位青年物理學(xué)家將反應(yīng)堆中最后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(shù)據(jù)。

如果發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，輻射強度將不斷上升，而不會趨于平緩。

○描繪第一座核反應(yīng)堆試驗場景的油畫

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

“我們?nèi)コ晕顼埌??！?/span>

午飯過后，實驗繼續(xù)緩慢進(jìn)行。

最終在下午3:25，費米宣布反應(yīng)堆開始了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。

核研究工作的總負(fù)責(zé)人康普頓在向上級匯報這一劃時代事件時，出于保密性考慮，說了一句意味深長的話：

“那位意大利航海家已到達(dá)新大陸?！?/span>

隨著反應(yīng)堆實驗的成功，曼哈頓計劃也向著制造原子彈的目標(biāo)全力開進(jìn)。費米也繼續(xù)在這項工程中擔(dān)任主要的科學(xué)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。這顆原子彈爆炸后大約30秒，爆炸產(chǎn)生的氣浪到達(dá)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，紙片被氣浪卷走，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(jié)論：這顆原子彈的威力相當(dāng)于20000噸TNT炸藥的能量。

費米的估算結(jié)果與那些精密儀器和準(zhǔn)確計算的結(jié)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(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)也是費米的強項，但他更喜歡把復(fù)雜的問題化為簡易的計算和估計來解決。為了在學(xué)生中間推廣這種思想，費米會經(jīng)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(diào)音師？

如果一架鋼琴每5年調(diào)音一次，則全市每年有50000架鋼琴要調(diào)音。

如果一個調(diào)音師一天調(diào)4架鋼琴，一年工作250天，那么，芝加哥市大約有50個調(diào)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”。

原子彈試驗成功之后，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(zhàn)提前結(jié)束。

戰(zhàn)后，費米沒有繼續(xù)研制威力更大的氫彈，而是在芝加哥大學(xué)繼續(xù)研究高能粒子物理。

但由于長期接觸放射性物質(zhì)，費米罹患食道癌和胃癌，于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于戰(zhàn)爭，而核反應(yīng)堆在世界各地為人類提供能源，造福著人類。

科學(xué)家們也正在探索一種不同于裂變反應(yīng)堆的清潔核能——聚變反應(yīng)堆，又稱 “人造太陽” ←點我圍觀。

物理學(xué)家們各有各的“風(fēng)格”，有的努力尋求最基本的原理，有的只獵取新的現(xiàn)象，有的喜歡測量的精確性，還有的偏愛改善儀器和技術(shù)。

正是這些不同的追求互相促進(jìn)，才推動了物理學(xué)的發(fā)展。

實際上，費米在1922年取得博士學(xué)位時，就已經(jīng)有了自己的研究風(fēng)格。他幾乎全靠自學(xué)完成學(xué)業(yè)，他的知識要么通過看書獲取，要么通過自己研究發(fā)現(xiàn)。

費米從來沒有遇到過一個能指導(dǎo)他的優(yōu)秀科學(xué)家。

費米專注于分析確定的現(xiàn)象，然后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于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(zhì)一直到造出第一個核反應(yīng)堆的整個過程，不就是一個反復(fù)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(xiàn)象才是真實存在的，而在背后支配一切的“真理”或“本質(zhì)”是不存在的，所以評判物理理論好壞的標(biāo)準(zhǔn)不是它是否足夠“基本”、足夠“本質(zhì)”，而是它能否有效地解釋特定的實驗現(xiàn)象。

舉個例子，愛因斯坦在被問及研究物理的動機時說：“我想要知道上帝是如何創(chuàng)造世界的。我并不關(guān)心這種或那種現(xiàn)象，也不關(guān)心這種或那種元素的光譜。我想了解上帝的想法，其他都是細(xì)枝末節(jié)?！睈垡蛩固沟挠^點就和實證主義完全相反，屬于形而上學(xué)的范疇。

費米的實證主義觀點滲透在他物理學(xué)研究和生活的方方面面。

初到美國的時候，費米為了分擔(dān)家務(wù)，嘗試過自己擦鞋。但他擦鞋只擦鞋的前頭，不擦腳后跟。因為腳后跟他自己看不見，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(rèn)為他用科學(xué)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于實證主義。

實證主義的觀點認(rèn)為世界的本質(zhì)并不存在，也不可能被認(rèn)識，所以必然導(dǎo)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(xiàn)象都成了值得去相信、去探索、去解釋的。

是現(xiàn)象本身而不是真理激發(fā)了費米的研究動力，所以他的研究是去“解釋一切”，而不是像愛因斯坦一樣試圖“了解上帝的想法”。

○正在解決問題的費米

正因為費米關(guān)注的是物理現(xiàn)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(xué)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(yè)早期，他就已愛上了計算器。這個愛好一直延續(xù)到他的晚年。”

實際上，有很多物理學(xué)家，尤其是理論物理學(xué)家，他們認(rèn)為物理世界的本質(zhì)是其“數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)”，正所謂“上帝是個數(shù)學(xué)家”。相對于那些看重數(shù)學(xué)，動輒列出微分方程，花幾個月時間嚴(yán)格求解的物理學(xué)家而言，費米更喜歡用計算器做簡單數(shù)值計算甚至估算，通常可以在半小時之內(nèi)解決根本的物理問題。

理論物理學(xué)家漢斯·貝特評價費米：

實際上，費米在物理學(xué)上的成就遠(yuǎn)不止核反應(yīng)堆和原子彈，也不是一個諾貝爾獎就能衡量的，物理學(xué)的各個領(lǐng)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(shù)、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(xué)研究中心之一。

本文首發(fā)于公眾號“費米科學(xué)”（fermi_science），轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

原標(biāo)題：諾貝爾獎也太太太太太太太隨便了吧！

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環(huán)球物理

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