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有句俗話說(shuō)得好
物理學(xué)家
通常只能在理論和實(shí)驗(yàn)中二選一
但是有一個(gè)人在理論和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域都達(dá)到了一流水準(zhǔn)
他就是
恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）
1939年1月2日早晨，“法蘭克尼亞號(hào)”郵輪駛過(guò)默默無(wú)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(fèi)米臉上浮現(xiàn)著笑容，說(shuō)道：“我們已經(jīng)創(chuàng)立了費(fèi)米家族的美國(guó)支系了?！?/span>
一年前，費(fèi)米獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
同年，意大利法西斯政府發(fā)動(dòng)了反猶太運(yùn)動(dòng)。
為保護(hù)猶太人妻子（當(dāng)然也不排除是為了自己的研究），費(fèi)米借領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)會(huì)舉家逃往美國(guó)紐約。
○費(fèi)米一家在“法蘭克尼亞號(hào)”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(fèi)米認(rèn)為由于α粒子帶正電，會(huì)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(qiáng)的放射性。
于是
時(shí)任羅馬大學(xué)理論物理學(xué)教授的費(fèi)米華麗轉(zhuǎn)身
成為了一名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家
他帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)搜集材料制造中子源，搭建用于測(cè)量放射性的蓋革計(jì)數(shù)器，用中子把當(dāng)時(shí)已知的92種元素都轟擊了一遍。
○費(fèi)米（右一）在羅馬大學(xué)帶領(lǐng)的青年科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，外號(hào)“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(duì)放射性檢測(cè)裝置的影響，二者被放置在一條長(zhǎng)廊的兩端。
有時(shí)，在中子轟擊下產(chǎn)生的元素壽命很短，所以為了檢測(cè)元素的放射性，喜愛(ài)運(yùn)動(dòng)的費(fèi)米及同事總是以賽跑的形式把新產(chǎn)生的元素從長(zhǎng)廊的一端送到另一端。
直到轟擊92號(hào)元素——鈾的時(shí)候，費(fèi)米認(rèn)為他們得到了一種新的元素，可能是第93號(hào)元素。
之后，出于某種機(jī)緣巧合，費(fèi)米的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)：當(dāng)中子源放在木桌上或者石蠟中的時(shí)候，人工放射性會(huì)增強(qiáng)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(fèi)米的原話，“就像一個(gè)飛快的高爾夫球可能從球洞跳過(guò)去，而一個(gè)慢慢滾著的高爾夫球卻有更好的機(jī)會(huì)進(jìn)入球洞一樣?！?/span>
正是由于發(fā)現(xiàn)了“93號(hào)元素”和慢中子效應(yīng)，他獲得了1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
○瑞典國(guó)王古斯塔夫五世向費(fèi)米授諾貝爾獎(jiǎng)
然而，就在費(fèi)米領(lǐng)完諾獎(jiǎng)到達(dá)美國(guó)后不久，有德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，用中子轟擊鈾得到的不是93號(hào)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(shuō)中的“核裂變”。
這也就是說(shuō)
費(fèi)米的諾貝爾獎(jiǎng)
有一半的烏龍成分
○不要告訴別人
當(dāng)費(fèi)米獲悉了核裂變的消息后，雖然一直在糾結(jié)于自己的錯(cuò)誤，但是也預(yù)見(jiàn)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(guò)理論分析，費(fèi)米提出一種假說(shuō)：鈾核裂變時(shí)，會(huì)放出中子。
如果他的假說(shuō)是對(duì)的，中子轟擊鈾原子會(huì)發(fā)生裂變，1個(gè)鈾核裂變會(huì)產(chǎn)生2個(gè)中子，它們會(huì)再擊中2個(gè)鈾核，使它們裂變，產(chǎn)生4個(gè)中子……
也就是說(shuō)，只要一開(kāi)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(shuō)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(wàn)倍，于是利用核能的可能性第一次呈現(xiàn)在人類(lèi)面前。
在二戰(zhàn)一觸即發(fā)的1939年初，核能是否會(huì)被應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)，在科學(xué)界引起了廣泛討論。
而核裂變又是由德國(guó)人發(fā)現(xiàn)的，這就讓很多人感到恐慌：如果納粹德國(guó)用核能驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)艦甚至造出原子彈，都將是人類(lèi)的災(zāi)難。唯一的希望就是自持的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)在實(shí)踐上行不通。
但是包括費(fèi)米在內(nèi)的很多從歐洲逃亡到美國(guó)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(guó)前面。
于是
費(fèi)米又成了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家
在哥倫比亞大學(xué)做核裂變的實(shí)驗(yàn)研究
通過(guò)包括愛(ài)因斯坦在內(nèi)的多名科學(xué)家的建議，1941年底，美國(guó)政府也充分意識(shí)到了研制原子彈的必要性，制定了“曼哈頓計(jì)劃”。
研制原子彈的第一步就是驗(yàn)證可控自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的可行性。費(fèi)米被任命為鏈?zhǔn)椒磻?yīng)研究組的組長(zhǎng)，遷至芝加哥繼續(xù)他的核裂變研究。
1942年12月，費(fèi)米帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在芝加哥大學(xué)的一個(gè)室內(nèi)網(wǎng)球場(chǎng)里建成了世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆“芝加哥1號(hào)堆”，實(shí)現(xiàn)了自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。
○紀(jì)念人類(lèi)第一個(gè)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(gè)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(gè)人造一支鉛筆。
物理學(xué)家們?cè)跀[弄石墨的時(shí)候，自然也就把整個(gè)網(wǎng)球場(chǎng)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(lái)吸收中子，對(duì)反應(yīng)進(jìn)行控制。
芝加哥1號(hào)堆首次運(yùn)行當(dāng)天，有49位科學(xué)家和杜邦財(cái)團(tuán)的格林沃爾特先生到場(chǎng)參觀。費(fèi)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(diǎn)一點(diǎn)地拔出，同時(shí)觀察著輻射強(qiáng)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(qiáng)度將不斷上升，而不會(huì)趨于平緩。
○描繪第一座核反應(yīng)堆試驗(yàn)場(chǎng)景的油畫(huà)
實(shí)驗(yàn)從早上一直進(jìn)行到中午，全場(chǎng)觀眾的注意力都集中在反應(yīng)堆上，沒(méi)有一個(gè)人作出饑餓的表示，費(fèi)米這個(gè)尊重習(xí)慣的人卻說(shuō)出了一句歷史性的名言：
“我們?nèi)コ晕顼埌?。?/span>
午飯過(guò)后，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)緩慢進(jìn)行。
最終在下午3:25，費(fèi)米宣布反應(yīng)堆開(kāi)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(jí)匯報(bào)這一劃時(shí)代事件時(shí)，出于保密性考慮，說(shuō)了一句意味深長(zhǎng)的話：
“那位意大利航海家已到達(dá)新大陸。”
隨著反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)的成功，曼哈頓計(jì)劃也向著制造原子彈的目標(biāo)全力開(kāi)進(jìn)。費(fèi)米也繼續(xù)在這項(xiàng)工程中擔(dān)任主要的科學(xué)顧問(wèn)。
1945年7月16日，第一顆原子彈在美國(guó)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(fèi)米所在的掩蔽處。
○費(fèi)米拿出了一把紙片
只見(jiàn)費(fèi)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(fèi)米用自己的腳步測(cè)量了這段距離，他隨即計(jì)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(fèi)米的估算結(jié)果與那些精密儀器和準(zhǔn)確計(jì)算的結(jié)果相差無(wú)幾。從此，他一向強(qiáng)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(fèi)米的強(qiáng)項(xiàng)，但他更喜歡把復(fù)雜的問(wèn)題化為簡(jiǎn)易的計(jì)算和估計(jì)來(lái)解決。為了在學(xué)生中間推廣這種思想，費(fèi)米會(huì)經(jīng)常提出一種特殊類(lèi)型問(wèn)題，即費(fèi)米問(wèn)題。
解：如果芝加哥居民300萬(wàn)，平均每戶4人，擁有鋼琴的家庭占1/3，則全市有250000架鋼琴。
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(gè)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(gè)調(diào)音師。
費(fèi)米問(wèn)題的解答方法叫做“Guesstimation”。
這個(gè)英文單詞是由“Guess（猜測(cè)）”和“Estimation（估計(jì)）”組合而成，我把它翻譯為“連蒙帶猜”。
原子彈試驗(yàn)成功之后，美國(guó)又造出2枚原子彈，分別投在日本的廣島和長(zhǎng)崎，讓二戰(zhàn)提前結(jié)束。
戰(zhàn)后，費(fèi)米沒(méi)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(zhǎng)期接觸放射性物質(zhì)，費(fèi)米罹患食道癌和胃癌，于1954年11月29日與世長(zhǎng)辭，享年53歲。
○費(fèi)米的墓碑
時(shí)至今日，核武器也沒(méi)有再被用于戰(zhàn)爭(zhēng)，而核反應(yīng)堆在世界各地為人類(lèi)提供能源，造福著人類(lèi)。
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(chēng)“人造太陽(yáng)”。
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(cè)量的精確性，還有的偏愛(ài)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(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展。
實(shí)際上，費(fèi)米在1922年取得博士學(xué)位時(shí)，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(shí)要么通過(guò)看書(shū)獲取，要么通過(guò)自己研究發(fā)現(xiàn)。
費(fèi)米從來(lái)沒(méi)有遇到過(guò)一個(gè)能指導(dǎo)他的優(yōu)秀科學(xué)家。
費(fèi)米專(zhuān)注于分析確定的現(xiàn)象，然后巧妙地運(yùn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的具體問(wèn)題。如果能自己做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的理論，就是最讓他高興的事了。
回想一下，費(fèi)米從嘗試用中子轟擊物質(zhì)一直到造出第一個(gè)核反應(yīng)堆的整個(gè)過(guò)程，不就是一個(gè)反復(fù)地解釋實(shí)驗(yàn)、提出理論、再用新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的過(guò)程嗎。
他還是一個(gè)實(shí)證主義者。
實(shí)證主義的觀點(diǎn)是，只有能觀察到的現(xiàn)象才是真實(shí)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(píng)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
費(fèi)米的實(shí)證主義觀點(diǎn)滲透在他物理學(xué)研究和生活的方方面面。
初到美國(guó)的時(shí)候，費(fèi)米為了分擔(dān)家務(wù)，嘗試過(guò)自己擦鞋。但他擦鞋只擦鞋的前頭，不擦腳后跟。因?yàn)槟_后跟他自己看不見(jiàn)，而“只有能觀察到的才是真實(shí)存在的”。
費(fèi)米的妻子勞拉在為他書(shū)寫(xiě)的傳記中多次提到“費(fèi)米是個(gè)不可知論者”，也說(shuō)過(guò)“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(shí)它們相交的地方恰恰在于實(shí)證主義。
實(shí)證主義的觀點(diǎn)認(rèn)為世界的本質(zhì)并不存在，也不可能被認(rèn)識(shí)，所以必然導(dǎo)致不可知論。但是也正因?yàn)闆](méi)有一個(gè)絕對(duì)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(fèi)米的研究動(dòng)力，所以他的研究是去“解釋一切”。
○正在解決問(wèn)題的費(fèi)米
正因?yàn)橘M(fèi)米關(guān)注的是物理現(xiàn)象本身，所以他解決物理問(wèn)題是“不擇手段”的。
除了著名的“連蒙帶猜”，還有“摁計(jì)算器大法”。
費(fèi)米的學(xué)生楊振寧在描述對(duì)費(fèi)米的印象時(shí)，說(shuō)了這樣一段話：
“費(fèi)米喜歡用計(jì)算器。不論是小的還是大的計(jì)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(gè)特點(diǎn)，而且都很信服。顯然在事業(yè)早期，他就已愛(ài)上了計(jì)算器。這個(gè)愛(ài)好一直延續(xù)到他的晚年?！?/span>
實(shí)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(gè)數(shù)學(xué)家”。相對(duì)于那些看重?cái)?shù)學(xué)，動(dòng)輒列出微分方程，花幾個(gè)月時(shí)間嚴(yán)格求解的物理學(xué)家而言，費(fèi)米更喜歡用計(jì)算器做簡(jiǎn)單數(shù)值計(jì)算甚至估算，通?？梢栽诎胄r(shí)之內(nèi)解決根本的物理問(wèn)題。
理論物理學(xué)家漢斯·貝特評(píng)價(jià)費(fèi)米：
實(shí)際上，費(fèi)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(gè)諾貝爾獎(jiǎng)就能衡量的，物理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都有他的名字：費(fèi)米黃金定則、費(fèi)米子、費(fèi)米面、費(fèi)米液體、費(fèi)米常數(shù)、費(fèi)米-狄拉克方程，托馬斯-費(fèi)米模型……美國(guó)還建立了費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室，是美國(guó)最重要的物理學(xué)研究中心之一。
END
原標(biāo)題：諾貝爾獎(jiǎng)也太太太太太太太隨便了吧！
來(lái)源：費(fèi)米科學(xué)
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