理论物理权威 实验科学大师

恩里科费尔米是意大利著名科学家，20世纪杰出的理论物理学家和实验科学大师，诺贝尔奖获得者。他在理论和实验领域都取得了突出的成就。费米对整个世界的影响不仅在于他和他所领导的学校所取得的一系列成就，还在于他创造了一种高效的科学研究模式和一种非常有影响力的教学方法，这深深地影响了几代科学家。第一，学业成绩突出1901年9月29日，费米出生在意大利罗马一名铁路员工的家庭。我父亲是铁路工人，我母亲是小学教师。由于她母亲从1899年到1901年连续生了三个孩子，她无法照顾他们，不得不把费米和她的哥哥朱利奥·费米托付给乡下的亲戚。费米直到两岁半才回到罗马。费米小时候经常和他的哥哥玩各种游戏，并且对机械设计很着迷。他们设计和制造了电动机和草图飞行引擎，所以专家们不相信它们是儿童作品。进入学校后，费米展示了他杰出的学习能力。他记忆力很强，学习意大利语、拉丁语和希腊语以及文学。当他十岁的时候，他自学了数学知识，比如圆方程x2+y2=R2。学校的课程对他来说太简单了。他经常去罗马百花广场的露天书展上买一些数学和物理方面的书自学。随着他的物理知识不断扩展和深化，费米开始将其应用于一些实验问题。他用他能得到的简单设备做了一些精确的测量。例如，地球磁场的测量、陀螺仪奇怪行为的研究以及其他具有挑战性的问题。在费米的成长过程中，费米的父亲的同事英涅尔·哈穆迪斯扮演了重要的角色。他欣赏费米的才华，并以合理的顺序将自己有限的藏书一本书一本本书借给费米。从费米高中毕业后，他学到了很多关于经典物理的知识。在哈穆迪斯的建议下，费米于1918年11月进入比萨大学，主修数学和物理。在比萨大学的入学考试中，人们认识到了费米的杰出才能。主考官数学家G·皮塔雷利教授认为他看到了一篇中学水平的论文，但出乎意料的是，费米的论文《声音的特性》是振动偏微分方程的傅立叶级数解。为了证实费米是否真的理解他写的东西，皮塔雷利打电话给费米进行面试，确认费米确实有非凡的天赋，是一个“有天赋的候选人”。对费米来说，他在大学里学习的课程不需要太多努力。他尽力扩展他的数学和物理知识。费米大学三年级时发表了许多科学研究论文。1922年7月，费米开始了一项x光实验研究，用弯曲晶体聚焦法获得劳厄干涉图像，从而获得了博士学位。费米在获得博士学位后立即返回罗马。在罗马大学物理研究所所长、实验物理学家科比诺的建议下，费米获得了意大利教育部的奖学金。1922年冬天，费米来到德国哥廷根大学，在著名物理学家玻恩教授的指导下学习。在接下来的7个月里，他完成了一批关于分析力学的论文，包括遍历定理的证明。1924年，费米来到位于荷兰莱顿的厄尔里恩宴会研究所工作。在这里工作了一段时间后，费米发表了许多关于光谱线强度量子理论的研究论文及其他相关内容，受到了爱尔人的热烈赞扬。不久之后，费米在用完奖学金后回到罗马大学，后来成为佛罗伦萨大学的讲师，教授力学和数学。1926年夏天，费米被任命为罗马大学的理论教授，次年被选为意大利皇家科学院的成员。从此，费米开始了他杰出的科学研究生涯。其次，费米在多年杰出的科学研究中对物理学的发展做出了许多重大贡献，并在某些方面揭开了物理学的新篇章。在意大利，他先后在X射线光谱学、经典电磁理论、广义相对论、经典统计力学、量子统计理论、量子电动力学、理论核物理等方面做出了贡献。他创立了核β衰变理论和中子物理学，共发表论文120多篇。1938年抵达美国后，他领导了原子理论的发展和应用，发展了粒子物理学，发表了近50篇论文，撰写了约90篇内部报告。他学术兴趣广泛，是一位全面的物理学家，在理论和实验方面都有极高的造诣，在物理学的许多领域都做出了不可磨灭的贡献。2.1费米-狄拉克统计1925年，奥地利物理学家保罗发现，在旧的量子理论中，只有一个电子，所有的量子数都在一个量子轨道上确定。在粒子运动状态(所谓的相空间)上，由遵守这种不相容原理的粒子组成的气体的统计分布不同于不遵守这种原理的粒子(例如辐射光子)的统计分布。1926年，费米在佛罗伦萨大学提出了遵循泡利不相容原理的粒子所遵循的统计规则，几个月后，p a m .狄拉克也发现了这个规则。费米提出费米-狄拉克量子统计后，他立即将这种方法应用于原子内部的近似电子气。从1927年到1928年，他在罗马的研究得到了与英国的托马斯相同的结果，后来被称为托马斯-费米原子统计模型理论。对于大多数原子问题，该模型能给出很好的近似结果。这项工作是通过计算电子云密度计算原子向心电场的第一种方法。费米统计应用于金属的比热问题，使人们认识到在极低的温度下，电子对金属比热的贡献是不可忽视的。费米统计也被成功地应用于*电子的输运，并导出了电导率和热导率等表达式。后来，一种类似的费米气体统计方法被应用到核内的核气体中，并取得了丰硕的成果。

2.2电磁辐射量子理论的重新描述在狄拉克于1927年建立电磁辐射量子理论之前，没有一种理论能令人满意地解释辐射干涉现象和物质对光的发射和吸收:前者需要用波动理论来解释，而后者需要用光量子理论来解释。狄拉克的电磁辐射量子理论可以统一解释两者，但该理论也有一个缺陷，即称之为标量势的量Ao不能找到其相应的动量。从1928年到1929年，费米在研究了狄拉克的论文后，决定克服理解狄拉克数学方法的困难。他利用傅立叶分析将辐射分解成单个谐振子，对其进行量子化，写出麦克斯韦电磁理论的哈密顿形式，加上原子的哈密顿量和代表原子与辐射相互作用的项，并用微扰理论处理整个系统，得到与狄拉克相同的结果。1930年，费米应乌伦贝克和高斯密特的邀请来到密歇根大学讲授量子电动力学理论。后来费米就此问题写了一篇论文，并发表在美国杂志《现代物理学评论》上。他的论文非常简单明了，为量子电动力学奠定了基础。无论狄拉克、泡利、海森堡和其他人写了多少文章，他们所做的都是相当正式的，结果也不具体和清楚。然而，在费米的工作之后，它变得非常具体和清晰。为此，乌伦贝克评论说，在费米的论文发表之前，没有人知道量子电动力学。所有的计算都是正式的，不理解具体的内容。费米的论文发表后，人们通过他的工作真正理解了量子电动力学。因此，费米的论文已经成为未来美国物理学家几乎不可或缺的文件。2.3核β衰变理论1933年，费米为了解决β衰变的相关问题，大胆采用了当时还不清楚的由泡利提出的中微子假说，并根据量子辐射理论建立了β衰变理论。这个理论是他一生中所有理论物理工作中最重要的一个，并且已经被验证了几十年。费米清楚地指出，有许多形式的相互作用哈密顿函数可以导致β衰变过程。为了简单起见，他通过类比电磁场和电流之间的相互作用选择了极矢量形式。后来，威格纳指出，有五种相互作用是电子和中微子波函数的产物，符合相对论的要求。这五种相互作用及其任何线性组合可以任意选择，而不影响费米子计算的主要结果。伽莫夫和泰勒发现，其他形式的相互作用(轴矢量和张量)对允许的跃迁产生不同的选择规则。实验表明，β衰变相互作用实际上是费米(极向量)和伽莫夫-泰勒(轴向量)的混合物。费米理论由此扩展成功地解释了许多实验事实，如所有能级的禁跃迁的光谱形状和半衰期、电子衰变、轨道电子俘获μ子衰变和负μ子同伦反应。在β衰变理论中，费米还引入了一个新的基本常数，即费米常数g。同时，β衰变理论的建立也将粒子间的相互作用扩展到弱相互作用，从而开拓了弱相互作用的研究。2.4关于慢中子活化金属的实验研究1934年10月，庞蒂亚克罗沃注意到，由同一中子源测量的(银)放射性强度可能因中子源所处的环境而异，例如，放在木桌上和大理石桌上。在费米的意外建议下，他们把中子源放在一大块石蜡中，人工诱发的银放射性意外增加了100倍！费米立即对这一惊人的发现给出了如下正确的解释:中子源发射的快中子通过与石蜡中最轻的元素氢核弹性碰撞，迅速变成慢中子，最终成为与室温平衡的热中子。中子越慢，银诱发的放射性强度就越大。如果这个想法是正确的，水也应该是一个好的中子慢化剂。后来，他们用水做了实验，结果证实了费米的理论解释。然后费米应用了薛定谔的波动力学方法。考虑到速度越慢，中子的德布罗意波长越长，证明了质子俘获慢中子的概率(截面)与中子的速度成反比，这解释了这一意想不到的现象。在上面提到的慢中子和质子的相互作用理论中，费米发展了散射长度的概念，他在1933年提出了这个概念，通过类比来解释在阿马尔迪和塞格雷实验中发现的光谱现象。后来，当人们陈述低能中子的散射理论时，他们一般采用波动力学中散射长度的概念。当入射中子的能量趋于零时，原子核对中子的散射截面被写成费米散射长度的4π倍，基本上就像原子核是一个刚性球体，它的半径就是费米散射长度。1936年，费米写了一篇关于慢中子吸收和扩散的论文，发表了这项研究内容。随后，费米给出了一些公式的数学证明，这些公式用于解释“含氢物质中中子同系物碰撞引起的减速和扩散机制”中的一些慢中子实验结果。本文为以后研究重核裂变链式反应堆(原子反应堆)的理论设计奠定了基础。1938年11月10日，费米因“证明了中子轰击产生的新放射性的存在，并发现了慢中子引起的核反应”而获得了诺贝尔物理学奖。那一年的12月6日，费米和他的家人去斯德哥尔摩领奖。10日获得该奖项后，费米乘船离开瑞典，于1939年1月2日来到美国，成为哥伦比亚大学的一名教授，开始了他生命的后期。

2.5原子反应堆的发明1934年，在罗马用中子轰击铀的实验中，费米推论出原子序数为93的超铀元素的产生。那时，有无休止的争论，也没有最终的结论。直到1938年底，德国化学家哈恩和斯特劳斯曼才确定，在中子轰击铀之后，发生了裂变，产生了两个质量相似的中等质量的原子核。当费米得知这一消息时，他立即意识到，随着裂变过程，有可能发射出多个次级中子，因此，在铀核吸收一个中子并裂变后，次级中子有可能连续引起其他铀的核裂变，从而促成一个自我维持的链式反应。从1940年到1941年，费米在哥伦比亚大学的工作几乎完全是对实现铀的核裂变链式反应的理论估计和实验测量。通过实验，费米发现石墨是一种减缓中子的材料，中子减速的过程被后来称为费米年龄方程理论所描述。1941年，费米和津恩等科学家开始在哥伦比亚大学开发链式反应装置，这是最早的由铀和石墨组成的反应堆，用于测量中子增殖。氧化铀装在金属罐里。当金属罐吸收中子时，费米和他的同事将氧化铀压制成圆柱形，并在石墨块上钻小孔将其装入。反应堆的长度和宽度都是8英尺，高度超过10英尺。铍和镭作为中子波，放在底部的石墨垫上。整个反应堆覆盖着镉片。镉对中子有很强的吸收能力，防止中子从墙壁反射或从空气中进入，从而创造良好的反应环境。1941年底，美国当局将原子能研究的所有实验工作集中在芝加哥大学，由一位德高望重的A H .康普顿领导。1942年4月，费米的家人搬到了芝加哥，这样费米可以继续他的研究。到达芝加哥大学后，费米和康普顿决定在大学体育场西看台下的网球场建造世界上第一座核反应堆。费米带领两个实验小组开始建造工作。一个小组由津恩领导，主要任务是建*应堆。安德森负责一个团队，该团队的主要任务是控制反应堆并测量结果。考虑到获得石墨和氧化铀的局限性，费米采用了球形反应器方案。11月16日，反应堆的第一层被投入反应堆。首先，在它上面放一层石墨块。在石墨块的顶部，铺设了氧化铀和石墨块的混合层，随后是石墨层，随后是混合层，从而连续堆积。12月1日晚，当反应堆到达第56层时，根据测量结果，中子通量开始无限增加，即达到临界体积。费米告诉安德森推至57楼，以便获得更精确的测量。12月2日上午，费米和其他物理学家一起来到实验现场。费米首先检查了所有的仪器，然后每个人分工合作。有些人阅读数据，有些人做记录。10点15分，费米下令收回自动控制杆，只留下威尔操作的控制杆。费米要求韦尔首先将棒拉到13英尺，也就是说，棒的13英尺留在反应堆中。电离室的读数持续上升，表明中子强度持续上升，然后趋于稳定。再多一点，中子强度再次增加，然后再次稳定。这个步骤重复了很多次，费米把数据写在了他的计算尺的背面。费米每分钟都计算中子强度上升的速度。录音机上的笔在方形纸上平稳地画出一条稳定的上升曲线。下午3点42分，费米宣布:“核反应堆自持链式反应试验成功。”1942年12月15日，费米在他的月度报告中有保留地宣布了这一百年历史的事件。除了上述杰出的研究之外，费米还对π介子-核子碰撞和天体物理学的研究做出了应有的贡献。第三，费米杰出的教学生涯不仅是一位在理论和实验方面做出突出贡献的科学大师，而且在科学教育方面也取得了突出的成就。在他培训的学生中，有谢尔盖、格尔曼、加姆博林、李政道、杨振宁和获得诺贝尔物理学奖的斯坦伯格。他的许多学生经常回忆多年后费米的教学和教育。作为老师，费米是无与伦比的。他优秀的教学方法和教学效果是举世公认的。纵观他30多年的教学生涯，我们可以看到他的教学活动有以下三个显著特点:

3.1清晰透彻的教学风格与所有优秀教师一样。费米在教学中的显著特点是讲课清晰透彻。这是他的风格。他总是在讲课前以理性和系统的方式思考和组织他的讲课内容，这使得他的讲课逻辑清晰，学生容易理解他的思想。费米对他想讨论的话题准备得很充分。杨振宁回忆说，1949年春天，费米给学生们上了一堂核物理课。由于商业原因，费米不得不离开芝加哥大学几天。他请杨振宁给他讲课，并把它递给一个小笔记本。在这本笔记本中，费米已经为这门课做了相当详细的准备。离开之前，费米和杨振宁一起复习了这节课的备课笔记，并仔细地向杨振宁解释了字里行间的含义。当费米讲课时，他经常从最基本的问题开始，并且经常添加大量简单的例子。这些例子是通过思考大量问题总结出来的，避免了对每个话题的公式化解释。费米的演讲不仅清晰易懂，而且内容广泛。费米要求学生掌握尽可能多的知识，更多地关注物理学各个领域的发展，为未来的研究打下坚实的知识基础。由于费米的深厚的知识基础，费米的讲座涵盖了广泛的主题，学生获得了很多。3.2灵活多样的教学形式费米作为教师的另一个特点是他的教学方法灵活多样。除了正式的讲座之外，费米还经常为学生举办一些临时的和非正式的讲座。费米有一个习惯，每周为学生举行一到两次非正式的、毫无准备的讲座。学生们聚集在他的办公室里，费米本人或一名学生提出了一个特殊的讨论话题。那时，费米会在他的笔记本上找到关于这个主题的笔记，他会编辑一个详细的索引，然后告诉学生们。之所以采用这种非正式的教学方法，是因为费米总是倾向于让学生在不那么严肃的气氛中思考和讨论问题，从而激发学生主动学习的热情。这种教学方法使学生受益匪浅。这种教学方法的优点是费米还会向别人提问，并在黑板上大声回答。粉笔和大脑一起使用。这可以显示出一个理性的头脑是如何做出推论的。偶然因素可以放在一边突出主要因素。在这样的推论中，费米可以接触到大量前沿课题，比如他刚刚给学生读的一篇文章。然后谈话变成了对当前研究进展的讨论。谢尔盖回忆道:“当我们晚上来到他的办公室时，我们的谈话可以引出一门课程——例如，当我们问及毛细作用时，费米会暂时准备一堂关于这一理论的精彩讲座...在那几年的讨论笔记中，我发现了以下主题:黑体理论、气体粘度、波动力学、张量分析、光的色散理论、高斯误差曲线、分子力学、狄拉克自旋理论。”当然，许多话题只能定性解释，而不能定量解释。讨论经常强调主题的本质。讨论的方式总是直观和形象的，而不是数学的。这个*讨论涵盖了广泛的范围，从纯粹的理论到纯粹的实验，从一个简单的问题如“三体使用的最佳坐标”到一个深刻的话题如广义相对论。通过这个*讨论，学生可以理解什么是真正的物理。3.3热情的教学态度作为一名教师，费米最大的优点可能在于他能够最大限度地激发学生的学习和工作热情。费米热爱他的学生和教学。除了正式和非正式的课程，费米几乎把所有的午餐时间都花在了他的学生身上。他平易近人，经常在周日和业余时间和学生一起参加各种户外活动。老师和学生是非正式的，经常互相开玩笑和玩游戏。在这种轻松的气氛中，费米总是错过向学生提问的机会，并鼓励他们问更多的问题。当看到一些东西时，费米会要求他的学生定量解释正在发生的事情。看到炉子上的火，费米问学生们如何计算火上的真空含量。看到一扇肮脏的窗户，费米会问玻璃上最多能附着多厚的灰尘。针对这种情况，西格尔说:“年轻人在费米学校接受培训的速度惊人。在很大程度上，成功取决于年轻人心中激起的无限热情——不是通过说服和“说教”,而是通过男性论点的事实。费米是一位天才的教育家。他的演讲非常清晰简单。他的物理学知识和他对世界上一切事物的看法都是从非常具体和实用的方面开始的。他不赞成复杂的形式理论。他先后在罗马和芝加哥建立了深厚的物理学派，对意大利继伽利略和沃尔特之后的物理学复兴和战后美国物理学的迅速发展起到了巨大的推动作用。1954年11月28日，费米在充满活力的创作年去世。人们把20世纪最杰出的物理大师命名为元素周期表中的第100号元素，以显示他们深刻的记忆。