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第三部分　个别解剖

3-15 费米：理论研究与实验研究并重

　　费米子、数值为10^-15米的长度单位费米、100号化学元素镄都和意大利物理学家恩里科·费米直接联系在一起。关于费米的生平事迹和科学活动的一般性描述，可以在费米夫人写的一本《费米传》（劳拉·费米，何兆武、何芬奇译，费米传，商务印书馆，1997。原书名直译为《原子在我家中—我与恩里科·费米的生活》，似乎比现在《费米传》这个书名要好）一书中读到。这本传记和那些由家庭成员为传主撰写的传记一样，充满亲情和生活的情趣，书中描写的人物的“有趣的方面超过了严肃认真的方面”，能够使我们读到夫妻相识、家庭迁移、教育孩子、朋友相处等的许多细节，看到近40幅珍贵的家庭生活、研究工作和社会活动的照片。

《原子在我家中》

　　本文关注的是费米是如何游刃有余地穿梭于理论与实验研究之间的，因为在科学研究领域已经十分分化的20世纪，同时能在理论研究和实验研究两方面都取得卓著成就的科学家为数不多。

　　费米被杨振宁先生认为是20世纪“最后一位既做理论，又做实验，而且在两个方面都有第一流贡献的大物理学家”。费米主要从事统计物理、原子物理、原子核物理、粒子物理、天体物理和技术物理等方面的研究。从费米的研究历程来看，他先从事理论研究，中途转为实验研究，最后又回到了理论研究。不过在实际的研究过程中，费米总是把理论物理和实验物理融会在一起，充分利用一切时间和机会，“恩里科总是摇摆于理论物理学与实验物理学之间，很方便地适应着变化中的需要。无论什么时候，只要看来没有进行令人感兴趣的实验的机会，恩里科就撤退到他的办公室里，在一张又一张纸上写满了计算。……但是，只要他对一个实验研究有了一种想法，或者只要有人在设计和制造一种新仪器设备，他就任凭他的稿纸落满灰尘，而把他的全部时间都花在实验室里。”（同上，第186页）

　　费米在事业之初从事理论研究，是因为他曾留学德国跟随哥廷根的著名物理学家玻恩求学。量子理论的发展历程中，索末菲被称为是量子工程师，玻恩是量子数学家，玻尔则是量子哲学家。玻恩力求用高度公理化的数学方法，来阐释物理现象的普遍本质。虽然时间不长，但玻恩的思想方法一定影响了费米。在理论方面，费米1924年与狄拉克各自独立地提出具有半整数自旋粒子的统计法（费米－狄拉克统计法），1928年给出描述和计算多电子原子基态的近似方案（托马斯－费米原子模型），1933年写出“试论β射线理论”，提出了β衰变理论，首次假设了弱相互作用的存在。顺便说一句，他的这篇论文被《自然》退稿，后来用意大利文和德文杂志上发表，没有用英文发表。

　　费米从理论转向实验研究，始于约里奥·居里夫妇人工放射性现象的发现。按照费米夫人的说法，“他感到需要在理论工作中有一段休假”，“从理论转到实验来是适宜的，而且在短期内还提供了一种愉快的消遣”。这一转向持续了十多年时间。

　　费米1934年用中子代替α粒子对周期表上已知的92号元素逐一攻击直到铀，发现了中子引起的人工放射性，还观察了到中子慢化现象，并给出了解释它的理论，为后来重核烈变的理论与实践打下基础。1936年发现中子的选择吸收，他与他的同事们在这方面的工作，奠定了中子物理学的基础。费米也因此获得1938年的诺贝尔物理学奖。

　　从1928年被任命为罗马大学物理学教授到1938年获奖的这段时间，他组成了被称为费米学派的研究小组，成员中包括阿马尔迪、拉塞蒂和后来获得诺贝尔物理学奖的埃米利奥·塞格雷等。由于费米在量子理论方面的学识，被人们冠以“教皇”的绰号。

　　1939年，为躲避法西斯对犹太人（费米夫人是犹太人）的迫害而到了美国哥伦比亚大学的费米着手探索核裂变链式反应的可能性，并于1942年12月2日在芝加哥大学建成世界上第一座可控原子核裂变链式反应堆，使它达到临界状态，产生可控的核裂变链式反应，这一成就是原子能时代的一个重要里程碑。费米夫人给人们讲了一个生动故事。当晚，恰值费米夫妇宴请小组的科学家，每个客人来到他家的第一句问候都是“祝贺你”。由于当时严格保密，费米夫人根本不知道实验的事。当她听到每个客人都向费米祝贺时，感到茫然不解，就问客人祝贺什么?但所得到的回答全是答非所问。来客中独有一位唯一的女物理学家伍兹小姐悄悄告费米夫人说：他击沉了太平洋上的一艘日本主力舰。其后，费米参加了原子弹的研制工作，当然原子弹的威力远不止击沉战艇，而是摧毁了两座日本城市。

　　费米一生的最后几年，由实验物理转到理论物理进行“休闲”，从事高能物理的理论研究。1949年，为揭示宇宙线中原粒子的加速机制，研究了Л介子、μ子和核子的相互作用，提出宇宙线起源理论；与杨振宁合作，提出了基本粒子的第一个复合模型（费米－杨振宁模型）。1952年，发现了第一个强子共振－同位旋四重态。

　　费米能够如此成功，不仅具备了一个优秀的科学家普遍具有的素质科学方法，如对新事物的敏锐，善于把握机遇以及创造性的思维方法；而且作为一个理论物理学家，费米具有良好的数学修养和演绎推理能力；作为一个实验物理学家，费米遵循理论的指导，并能亲自动手制作实验器具。尤其重要的是，“他的物理学是建立在稳固的基础上的”、“费米的物理学可以说是‘厚实’”、“费米的这种扎扎实实、双脚着地的特点，正是他成功的基本之处”（这是杨振宁对费米的评价。杨振宁在多处表达了对费米的崇拜）。

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《阅读科学家》
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张九庆　著
初稿，请勿正式引用
收录时间：2004.04
来源：独家授权

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