物理学家费米的故事

物理学家费米的故事

有一天,费米买到了一部两卷本的数学物理名著《数学物理基础》,作者是19世纪的一位物理学家,名叫卡拉法。书的内容涉及理论物理学方面的许多问题,博大精深。费米看得津津有味。

二、大学生活

1918年,17岁的费米进入比萨大学高等师范学院学习。比萨大学承袭了文艺复兴时期学校生活的那种自由自在的传统,学校的教育都很开明。师范学院尤其注重培养学生独立思考的能力和探求科学的精神。教授们从不以权威自居,课堂上允许交头接耳,鼓励学生大胆提问。这种宽松的教学氛围使思想活跃的费米如鱼得水。在师范学院的4年大学生活,成了他一生最快乐、最活跃的时光。

在大学期间,费米结识了一位朋友,他的名字叫拉塞迪。拉塞迪最大的兴趣是生物学,其次是搞恶作剧,他们成立了一个“反邻居协会”,专门搞一些恶作剧,比如捉到一些虫子放到别人座位里。有一天上物理课,执教的是一位老学究,老先生走上讲台时就感觉学生们的表情似乎有点异样,一个个眼里闪着诡秘的笑意,但他没怎么在意。不料课正上到一半时,讲台低下突然发出爆炸声,惊天的巨响把老先生差点儿夏晕过去,向四面扩散开来,顿时教室里弥漫着一种令人窒息的奇臭。原来是“反邻居协会”的会员们引爆了一颗自制的臭气弹。这回事情闹大了,学监闻讯赶来,厉声询问谁是主谋,费米和拉塞迪站起来,承认臭气是他俩制造的。他俩差点儿被学校开除,幸亏实验室主任力保才被免予处分。拉塞迪和费米的同窗友谊保持终生,拉塞迪后来成了费米事业上的好帮手。

1922年7月,21岁的费米获得物理学博士学位。他的毕业论文题目是《伦琴射线的实验研究》。毕业后的费米,获得了一次到德国哥廷根大学进修一年的机会。他的指导老师是哥廷根大学的玻恩教授。

玻恩是一位杰出的物理学家,当时正致力于物质微观世界的研究。在他的周围聚集了一批出类拔萃的年轻人,如泡利、狄拉克、海森堡等,都是知名的青年物理学家。

1924年,费米回到了罗马。

三、伟大的发现

一年后,费米在拉塞迪的邀请下,来到佛罗伦萨大学任教。不久后,费米发表了他的论文《论理想单原子气体的量子化》,这就是著名的“费米统计法”。这个理论揭示了微观世界最重要的规律之一,后来被费米和其他物理学家用来解释了许多物理现象。该论文的发表轰动了整个理论物理学界,费米当时年仅24岁。

1926年,费米应罗马大学教授科比诺的邀请来到罗马大学任教,成为罗马大学最年轻的教授。

1927年,在意大利科莫举行了一次国际原子物理学家会议。年轻的费米参加了这次会议,参加这次会议的都是著名的物理学家,如洛伦兹、普朗克、玻尔、康普顿等。

1929年,费米被选为意大利皇家科学院院士,费米的名气越来越大,传出了国门,美国密歇根大学邀请他偕夫人去讲学。1930年,费米夫妇从罗马启程访美。这次在美国的访学,费米对美国的影响很好,没想到,几年之后,费米将在美国定居。

从美国访学回到罗马。费米的主要精力是研究原子物理。1930年间的原子物理学领域正在酝酿着重大突破,各国物理学家都把注意力集中到探索原子核的奥秘上,小小的原子核里隐藏着许多未知的秘密。而在这些秘密的背后,很可能潜藏着人类取之不尽的巨大能量。正在进行研究的新课题,大多同原子核的天然放射过程有关。

当时,有个“β衰变之谜”正在困扰着物理学家们。β衰变是由原子核自发放射电子形成的。1914年,英国有位名叫查德威克的科学家研究时发现,放射性物质正在进行β衰变时,有一部分能量不知跑到什么地方去了,也就是说,原子核失去的能量要比电子带走的能量多很多。用能量守恒定律很难解释这个奇特的现象,而能量守恒定律是自然界最普遍的定律之一,这怎么可能呢?

正当大家束手无策的时候,玻恩的学生泡利于1930年提出了一个大胆的猜想。泡利认为,放射性物质在发生β衰变时,除了放出β粒子(电子)外,还放出了一种质量极小的中性粒子,带走了“失踪”的能量。这种粒子质量极小,穿透能力很强,因此实验中不易被探测到。泡利把这种假设的微粒成为“中子”。这样以来,β衰变之谜的难题就可以解决了。

费米看到了泡利的猜想,觉得很有道理,费米就开始做实验验证泡利的猜想。经过费米的实验分析和计算,终于成功地用一个数学公式概括出了整个β衰变的过程,从而在泡利假设的基础上,建立了完整的β衰变理论。

费米在解开β衰变之谜的同时,还提出了“弱相互作用”的概念。费米把这项研究写成论文《试论β衰变理论》,费米把论文寄给了英国的权威杂志《自然》,几个月后,论文被退了回来,理由是该论文不适合在本杂志发表。实际原因是,《自然》杂志的编委拿不准论文中的新观点,所以采取回避的态度。费米又把论文发表在了意大利的《科学研究》上,后又以德文发表在德国《物理学杂志》上,就这样,《自然》错过了一篇具有划时代意义的论文。

论文完成后,费米开始做一系列的实验,最终费米发现了原子核的裂变现象。即铀原子核在中子炮弹的轰击下,不是衰变成另一种元素,而是裂变成几块。这是一项伟大的发现,这就是后来制造原子弹的基础。

四、定居美国

1938年,希特勒访问意大利,两位法西斯巨头的拥抱,预示着一场黑风暴即将到来。那年夏天,墨索里尼开始步希特勒的后尘,意大利发动大规模的反犹太运动。

费米的妻子是犹太人,为了家人的安全,费米决定带妻子离开意大利,前往美国定居。幸运的是,美国已经有四所大学愿意接收费米去任教。更令费米激动的是,有消息说费米将获得1938年的诺贝尔科学奖,费米是第一个获得诺贝尔奖的意大利人。这笔奖金刚好为费米在美国的生活奠定了物质基础。也正好利用去领奖的机会离开意大利。

1939年,费米一家来到了纽约,费米任教于美国纽约的哥伦比亚大学。

在美国定居后不久,丹麦物理学家玻尔教授来纽约访问,并会见了费米。玻尔教授带来了一个惊人的消息。原来,玻尔有一个学生名叫奥托·佛里斯,是从德国逃出来的青年科学家。佛里斯的姑母梅特纳是一位原子物理学家,曾在德国和著名化学家哈恩及其助手特拉斯曼长期合作,研究人工放射性元素。他们的研究卓有成效。哈恩和特拉斯曼用慢中子轰击铀原子核得到的物质是铀原子一半的钡,这意味着德国科学家正在进行原子弹的研究。

玻尔意识到了德国一旦成功制造出原子弹,将对世界造成严重的威胁。到美国后不久,玻尔就去普林斯顿拜见了爱因斯坦。根据爱因斯坦著名的质能方程,原子弹的威力是十分巨大的。

美国的科学家们坐不住了,1939年,一位匈牙利籍的科学家希拉德联合爱因斯坦等科学家给美国总统罗斯福写了一封信,建议抢在德国之前研制原子弹。经过慎重考虑,美国总统罗斯福采纳了这个建议,他立即任命了一个铀顾问委员会,并决定动员全美国科学家投入原子弹的研制。这就是后来著名的“曼哈顿计划”。

五、链式反应

1941年,费米来到了芝加哥,接受一项神秘的任务。当时是保密的,后来公开后,费米参加的正式“曼哈顿计划”。费米的主要任务是利用实验完成自持式链式反应,实验在芝加哥大学校园里的一个足球场下面进行。

经过费米及其小组的不懈努力,1942年12月,费米的实验获得了成功,这意味着从这时开始,人类进入了原子能时代。后来,为了几年人类首次成功实现受控核反应,在芝加哥足球场旧址上,立起了一座纪念碑,上面写着:1942年12月2日,人类在此实现了第一次自持式链式反应,从而开始了受控的核能释放。

很快,原子弹进入了实际制造阶段,制造原子弹的核裂变材料,是经过高度提纯的浓缩铀235或钚239.科学家们设计了两种原子弹,一种用铀235做裂变材料,名叫“小男孩”,另一种用钚239做裂变材料,名叫“胖子”。

第一颗原子弹引爆实验定于1945年7月16日进行。于是,就出现了本文开头所写的那一幕。

正如科学家们预测的那样,原子弹的威力十分巨大,人类将因为原子弹的使用而面临一次巨大的灾难,所十万人将因此伤命。

1945年8月6日和9日,美国空军分别把“小男孩”和“胖子”投向了日本的广岛和长崎。30多万无辜的生命顿时灰飞烟灭,广岛和长崎变成了废墟。

8月14日,日本无条件投降,第二次世界大战结束。

看到因原子弹的出现造成的人家惨剧,当初很多参与研制原子弹的科学家都很懊悔和内疚。原子弹研制的初衷是维护世界和平的,没想到会让更多的人失去生命。

六、终生不悔

二战结束后,研制原子弹的科学家们就解散了,费米回答了芝加哥,主要研究基本粒子。

1947年,在费米的主持下,芝加哥大学开始建造巨大的回旋加速器。

后来,费米又收了一名中国学生,名叫杨振宁。这位中国学生后来在粒子物理学领域取得重大突破,杨振宁后来获得了诺贝尔物理学奖。

也许是因为费米长期在放射性的环境下工作,1954年9月,费米的健康开始恶化,医生诊断为胃癌。费米知道,是长期的放射性工作夺去了自己的健康。但对自己的选择,费米终生不悔。他宁愿做普罗米修斯,把天火偷给人间,把牺牲留给自己。科学是崇高的事业,它本质上说就是一种忘我的追求,一种无私的奉献。

1954年11月28日,费米与世长辞,终年53岁。

费米去世前,杨振宁去看望他,费米留给杨振宁的最后一句话是:“宇宙的奥秘是无穷的,人类的探索也是无穷的。”

为了纪念费米对现代物理学的贡献,科学家把后来发现的第100号元素命名为“镄”。

本文主要参考书目:

《从稚气小孩到科学巨人:费米》人民邮电出版社

《物理学家的足迹》湖南教育出版社

《物理的故事》北方妇女儿童出版社返回搜狐,查看更多