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永远的物理教皇

知识分子  · 公众号  · 科学  · 2024-12-26 18:31

主要观点总结

恩里科·费米(Enrico Fermi)是20世纪最伟大的物理学家之一,被誉为“原子能之父”。他因在原子核物理领域的贡献获得1938年诺贝尔奖。费米对原子弹的设计和缔造有重要贡献,并在芝加哥大学成功进行了核反应堆实验,标志着原子时代的诞生。费米也擅长教学,培养了多位诺贝尔奖得主。他的生活态度友好、理性、幽默,最后因胃癌去世。

关键观点总结

关键观点1: 费米的贡献与成就

费米在原子核物理领域有重大贡献,包括发现中子、对β衰变理论的研究,以及设计和建造核反应堆。他的工作标志着原子时代的诞生,对现代科学技术有深远影响。

关键观点2: 费米的教学风格

费米是一位出色的教育家,他培养了许多优秀的学生,其中包括诺贝尔奖得主。他的教学方法注重实践,鼓励学生亲自验证结论,重视数量级估计,并提出了著名的“费米问题”。

关键观点3: 费米的生活态度

费米的生活态度友好、理性、幽默。他对待生活的态度和他的科学精神一样,都充满了对知识的追求和对科学研究的热爱。

关键观点4: 费米的去世

1954年11月28日,费米因胃癌去世,享年53岁。他的去世是科学界的巨大损失,但他的工作和精神将永远留在人们的记忆中。


正文

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费米在罗马气象研究所的图书馆找到一套五卷本《物理教程》 (Physics Course) ,超过4000页,作者是俄国物理学家奥列斯特·赫沃尔松,费米看到的是这套书的法语译本。

1918年夏天,费米自学了此书。费米跳过自己熟悉的内容,一天看一百多页,虽然阅读速度快,但掌握程度令人叹为观止,为经典物理学的每一部分都打好了基础。


费米还听从阿米代伊的建议,学习了德语,这是当时最前沿的科技论文所广泛采用的语言。听从这个建议并不容易,因为德国是一战期间意大利的敌国。


1918年11月,费米参加了比萨高师的入学考试。


考试共四天,前三天是8个小时的笔试,第四天为口试。笔试内容为代数、几何、物理,每个科目还都要写一篇小论文。


费米的考卷让考官叹服,为自己赢得“早熟的天才”的赞誉。费米的物理科目小论文更是让考官们击节赞叹,就算是一个颇有天分的研究生来写都令人难以想象,更不必说会出自一位高中生之手。


负责考试的三人委员会,主任是罗马大学的几何学教授朱利奧·皮塔雷利 (Giulio Pittarelli,1852年——1934年) ,他忍不住要提前见一下费米,尽管他清楚,这是违规行为。


皮塔雷利在办公室与费米见面,就费米的论文,连续发问。费米虽然战战兢兢,但沉着应答,让皮塔雷利确信眼前的学生没有作弊。皮塔雷利告诉费米,自己从教四十年,见到了天分最高的学生。


费米果然以优异的成绩被录取。


1918年12月,费米来比萨高师报到。


那个时代的意大利,物理被看作是一门实验课,相应地在教学上就只是强调那些适合课堂演示的物理现象。这与费米的知识水平相比,简直是小儿科。费米只好自学物理,深入研读庞加莱、索末菲、卢瑟福等大家的德语、法语、英语的物理学著作。他还开始阅读学术刊物,比如德语的物理学顶尖期刊Zeitschrift für Physik (物理学报) ,他可能是学校里该期刊的唯一读者。


费米依然坚持他一贯的阅读方法,把复杂内容理解清晰之后,记录在笔记本上。


在比萨高师,费米就是唯一对物理学前沿有真正理解的人。比萨高师只有一位物理学教授,路易吉·普钱蒂 (Luigi Puccianti,1875年6月11日—1952年6月9 日) 。好在他并不嫉贤妒能,反而虚心向费米讲解物理学前沿知识。


费米还幸运地在高师收获了一位同样聪明的朋友,佛朗哥·拉塞蒂 (Franco Rasetti,1901年8月10日——2001年12月5日) ,他是工程专业学生。


1922年7月,费米毕业并获得Laurea学位,在意大利就可以被称为博士了,而在其他国家,这其实是学士学位。意大利直到1980年代中期才引入与国际接轨的学位制度,Laurea 成为学士学位。


毕业了,就要考虑就业问题了。

03

教授之路


在意大利,进入学术生涯的既定路线是,先给一个给教授做助理,然后做讲师,获得讲课的资格,但薪水很低甚至没有。熬上几年,通过教育部一个五位教授组成的委员会的评审,就可以做教授了,先在一所不入流的大学任教,几年之后,再逐步调动至比较好的大学,如都灵大学、博洛尼亚大学等。在这样的体系中,最重要的是人脉,而非才华。

费米非常了解这个系统,也急切地想尽快进入并达到这个系统的顶部——罗马大学。


费米毕业之后,回到罗马家中,拜会罗马大学的一些教授,其中包括意大利当时的物理泰斗科尔比诺,他当时是罗马大学教授、参议员、教育部长。


奥尔索·科尔比诺(Orso Corbino,1876年4月30日—1937年1月23日),意大利物理学家和政治家,费米的伯乐。

科尔比诺几乎是意大利当时老一辈物理学家中唯一理解物理学最新发展的人,他尤其非常关注量子物理的重大进展,然而看到意大利没有人投身于此,十分苦恼。这时,费米出现在他的办公室。一番交谈之后,科尔比诺认定了费米就是意大利现代物理的希望。


科尔比诺在意大利官学两界很有面子,但也不是一言九鼎,他给费米安排教授职位颇为不顺。到了1926年,费米已经跻身于最顶尖的物理学家行列,在意大利依然没有竞争到一个物理学教授头衔,而只能委身于低薪讲师职位。


科尔比诺动用自己的地位,没有职位就创造职位。在他一番运作之下,罗马大学设立了意大利第一个理论物理教授席位,费米顺利获得了这一职位。


费米成为教授之后,迅速组建了一个年轻的团队。他终于有机会大显身手了。


04

诺贝尔奖


费米立志把罗马大学物理系建成世界第一流的物理系。

费米邀请他在比萨的同学、好友拉塞蒂来到罗马。费米团队还有三个学生,埃米利奥·塞格雷 (Emilio Gino Segrè,1905年1月30日—1989年4月22日) 、爱德华多·阿马尔迪 (Edoardo Amaldi,1908年9月5日——1989年12月5日) 和埃托雷·马约拉纳 (Ettore Majorana,1906年8月5日——?) ,后来还有一位化学家斯卡·达戈斯蒂诺 (Oscar D’Agostino,1901年8月29日——1975年3月16日) 加入。费米团队的成员都很年轻,都不超过30岁,被合称为“帕尼斯佩尔纳大道少年团 (Via Panisperna boys) ”。帕尼斯佩尔纳大道是罗马大学物理系所在地。


帕尼斯佩尔纳大道上的少年团部分成员,从左至右依次为:达戈斯蒂诺、塞格雷、阿马尔迪、拉塞蒂、费米。

这个团队成员亲密无间,互相起外号,费米被称为“教皇”,因为他金口玉言,永不出错。拉塞蒂是费米的助手,因此得外号“红衣主教”。关怀他们的长者科尔比诺被他们亲切地称为“圣父”。


1928年7月19日,费米结婚,妻子劳拉是一位犹太姑娘,来自意大利上层社会,父亲是海军上将。


意大利在法西斯党一党专政和墨索里尼一人独裁下,专政气氛越来越浓厚,学术界活动也受到干扰,但费米的团队两耳不闻窗外事,专心致志搞研究,不断有重要工作发表。到1930年,费米和罗马大学物理系有了相当的国际声誉。费米要更进一步,进军当时最激动人心的领域——原子核物理。


当时,原子核物理主要问题有哪些?


氢原子核就是质子,元素周期表上氢之后氦的原子核里应有两个质子,但氦原子核的质量却大约是质子的4倍,所以原子核里肯定还有别的东西存在,那是什么?


原子核中的质子之间会有静电斥力,如何抱成一团?不可能是万有引力,它太弱了。


当时发现,放射性元素会发生两种衰变,α衰变和β衰变。α衰变会释放一个带正电的粒子,称为α粒子,后来确认,它就是氦原子核。β衰变中,会有一个电子释放出来。原子核中为什么会有电子跑出来?


有人提出,原子核中原本就有电子,比如,氦原子核中,有4个质子两个电子,所以对外显示两个单位的正电荷。这种猜想会带来更多问题,电子-质子对如何形成?因何解离?电子如何跑出来?


β衰变还有一个更严重的问题:貌似能量不守恒?








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