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他隨口就提出難倒世人的問(wèn)題,一撒紙片算能出原子彈當(dāng)量

 天選小丑 2017-02-24

發(fā)掘更多科技背后的故事

關(guān)注:SME

銀河系中大概有2500億顆類似太陽(yáng)的恒星

這樣的恒星周?chē)男行强倲?shù)更是不計(jì)其數(shù)

即使一顆行星能發(fā)展到人類文明的概率低到幾乎為零

但是基于如此龐大的星系基數(shù),很多人都會(huì)板上釘釘?shù)卣f(shuō)

“宇宙那么大,外星人肯定存在”

然后討論外星人的假說(shuō)一個(gè)接著一個(gè),興高采烈、眾說(shuō)紛紜

圖/ 中間黃點(diǎn)為太陽(yáng)在銀河系中的位置

然而此時(shí)一位科學(xué)家只用了一句話

就給這些對(duì)外星文明滿懷期待的人們當(dāng)頭一盆冷水

他問(wèn):“Where are they?(他們?cè)谀膬海浚?/strong>

這就是著名的費(fèi)米悖論的全部?jī)?nèi)容

它隱含的意思是,假設(shè)人類只要用100萬(wàn)年的時(shí)間能飛到銀河中各個(gè)星系

那么外星人只需要比人類早進(jìn)化100萬(wàn)年,現(xiàn)在就應(yīng)該來(lái)到地球了

然而,迄今為止人類并未發(fā)現(xiàn)有任何外星人的蛛絲馬跡

在人類還沒(méi)發(fā)現(xiàn)外星文明之前,費(fèi)米悖論都無(wú)法被打破

圖/It is no good to try to stop knowledge from going forward

Ignorance is never better than knowledge——Enrico Fermi

然而提出這個(gè)問(wèn)題的費(fèi)米卻不是天文學(xué)家,更沒(méi)涉足過(guò)外星文明研究領(lǐng)域

他是一名物理學(xué)家,名叫恩利克·費(fèi)米

但凡提起費(fèi)米二字,很多人腦海中第一個(gè)想的都不是費(fèi)米這個(gè)人

反而是類似費(fèi)米悖論、費(fèi)米黃金定則、費(fèi)米子、費(fèi)米面、費(fèi)米液體、費(fèi)米伽馬射線探測(cè)器、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、費(fèi)米常數(shù)、費(fèi)米—狄拉克方程,托馬斯—費(fèi)米模型等用他名字命名的事物

圖/費(fèi)米的眼神已經(jīng)鎖定了你

那究竟費(fèi)米是哪位?

恩利克·費(fèi)米是被稱為能與愛(ài)因斯坦比肩的20世紀(jì)最后的全才物理學(xué)家

一生中共發(fā)表過(guò)250篇涵蓋多個(gè)領(lǐng)域的高質(zhì)量論文

他不但因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)慢中子效應(yīng)獲得了1938年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

還建成了世界上第一座核反應(yīng)堆,使人類正式踏入原子能的時(shí)代

此外他還是曼哈頓原子彈計(jì)劃中重要的領(lǐng)導(dǎo)人物

第一位華人諾貝爾得主楊振寧和李政道,還曾為“誰(shuí)才是費(fèi)米的學(xué)生”這個(gè)問(wèn)題大動(dòng)干戈

在《李政道傳》中多次暗示李政道才是費(fèi)米的博士生,而楊振寧不是

而楊振寧之后對(duì)此回應(yīng)說(shuō),我確實(shí)不是費(fèi)米的博士研究生,但我才是費(fèi)米的得意學(xué)生,因?yàn)樵谫M(fèi)米教過(guò)的學(xué)生中,只有我和他聯(lián)名發(fā)表過(guò)理論物理論文

圖/恩利克·費(fèi)米

1901年,恩利克·費(fèi)米出生于意大利的一個(gè)鐵路工人家中

他是家中最小的孩子,童年的他沉默寡言,看上去總是一副無(wú)精打采的樣子

在上小學(xué)時(shí),老師問(wèn)費(fèi)米:“鐵能制造什么?”

因?yàn)樵谫M(fèi)米上學(xué)路上有一所“鐵床工廠”,于是他就直接回答“鐵能制造床”

圖/費(fèi)米(中間)與姐姐和哥哥合照

費(fèi)米覺(jué)得這個(gè)答案沒(méi)毛病啊

但是他卻不知道這并不是老師心中滿意的答案

再加上平時(shí)的“木訥”,這位老師跟他的母親說(shuō):“費(fèi)米可能是個(gè)智力低下的孩子,你應(yīng)該多花點(diǎn)時(shí)間來(lái)培育他”

圖/費(fèi)米在前排左起第二

然而根本不需要母親的多加培養(yǎng),費(fèi)米年紀(jì)稍大點(diǎn)就一反這種智商低下的偏見(jiàn),表現(xiàn)其天才的的一面

從10歲起他就喜歡物理和科學(xué),在沒(méi)有老師教的情況下他就能理解類似x^2+y^2=r^2這種圓的方程式

此外,他還經(jīng)常自己設(shè)計(jì)各種發(fā)動(dòng)機(jī)模型和繪制飛機(jī)引擎草圖

圖/在比薩求學(xué)時(shí)期的費(fèi)米(左三)

他上完中學(xué)進(jìn)入比薩高等師范學(xué)校就讀

當(dāng)時(shí)為了申請(qǐng)獎(jiǎng)學(xué)金,他向?qū)W校提交了一篇題為《聲音的特殊性能》的論文

論文第一頁(yè)就寫(xiě)了關(guān)于振動(dòng)彈簧的偏微分方程

之后更是用洋洋灑灑的20頁(yè)篇幅來(lái)闡明了用本征函數(shù)所求出的解和特征頻率等問(wèn)題

一個(gè)剛離開(kāi)中學(xué)的學(xué)生,竟然能研究得如此深入

這使當(dāng)時(shí)的教授都大吃一驚,還特地找到他對(duì)他說(shuō):“你前途無(wú)量啊”

圖/在比薩求學(xué)時(shí)的費(fèi)米

在進(jìn)入高年級(jí)后,他積累的物理知識(shí)就比當(dāng)時(shí)很多的教師要多,甚至對(duì)那時(shí)愛(ài)因斯坦的相對(duì)論也有獨(dú)特的見(jiàn)解

那時(shí)很多教授不但不用給費(fèi)米講課,他們還特地邀請(qǐng)費(fèi)米來(lái)給他們講愛(ài)因斯坦的相對(duì)論

1926年,25歲的費(fèi)米被任命為羅馬大學(xué)的物理系教授,并開(kāi)始了他研究的黃金時(shí)代

那時(shí)的他已經(jīng)成為了公認(rèn)的意大利物理學(xué)領(lǐng)袖

羅馬大學(xué)還為他專門(mén)設(shè)立了意大利第一個(gè)理論物理學(xué)講座

圍繞在他身邊的更是一群年輕的物理學(xué)家

物理學(xué)中的“羅馬學(xué)派”就是在那時(shí)建立起來(lái)的

有人說(shuō),費(fèi)米不是理論物理學(xué)家中最天才的一個(gè),也不是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家最厲害的一個(gè)

但是,在理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)都精通的全才上

他認(rèn)第二,絕對(duì)沒(méi)有人敢認(rèn)第一

無(wú)論在理論還是實(shí)驗(yàn)方面都如此踏實(shí)的費(fèi)米,用楊振寧的話來(lái)形容就是“He has both feet on the ground”

圖/沃爾夫?qū)づ堇?br>

1925年著名理論物理學(xué)家泡利(他就是一位只會(huì)理論物理學(xué)的物理學(xué)家,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的破壞技能完全點(diǎn)滿)提出“不相容原理”,即原子中不能容納運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的電子

在1926年,費(fèi)米與狄拉克同時(shí)提出了服從泡利不相容原理的粒子所遵循的量子統(tǒng)計(jì)方程

后來(lái)人們把這種粒子服從的規(guī)律叫做費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì),而服從這個(gè)規(guī)律的粒子也被稱為費(fèi)米子

圖/小居里夫婦獲得1935年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

1934年,物理學(xué)界發(fā)生了一件大事件,小居里夫婦用α粒子轟擊鋁時(shí)發(fā)現(xiàn)了人工放射現(xiàn)象

然而這種人工放射現(xiàn)象的“產(chǎn)率”卻非常低,平均要用上百萬(wàn)個(gè)α粒子轟擊鋁才得到理想的人工放射現(xiàn)象

對(duì)此,費(fèi)米有一個(gè)絕妙的設(shè)想

他想鋁原子核與α粒子均帶電性,可能就是帶電性使其產(chǎn)生了排斥作用,使α粒子對(duì)原子核的命中率大大降低

于是他決定試著用不帶電性的中子進(jìn)行轟擊實(shí)驗(yàn),看看會(huì)不會(huì)使“產(chǎn)率”大大提高

圖/費(fèi)米與妻子勞拉

然而那時(shí)候羅馬大學(xué)的實(shí)驗(yàn)條件非常有限,根本無(wú)法給費(fèi)米提供實(shí)驗(yàn)所需的儀器和設(shè)備

這時(shí),費(fèi)米在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)這方面的才能就派上用場(chǎng)了

他自己制造了蓋革計(jì)數(shù)器等好幾種實(shí)驗(yàn)儀器,還到各個(gè)大學(xué)去搜集實(shí)驗(yàn)所需的元素材料

他用鐳在衰變時(shí)發(fā)射出的α粒子源來(lái)轟擊鈹元素,獲得了轟擊原子核的理想“炮彈”中子

得到中子源之后,費(fèi)米便開(kāi)始中子把已知的92種元素從頭到尾轟擊了個(gè)遍

在這個(gè)過(guò)程中,他不但發(fā)現(xiàn)了許多新的同位素,還發(fā)現(xiàn)了著名的慢中子效應(yīng)

當(dāng)中子通過(guò)大量含氫物質(zhì)時(shí),與氫原子核碰撞之后,速度會(huì)變慢

用越慢的中子轟擊原子核,所激發(fā)的放射性也就越強(qiáng)

這無(wú)疑就是給之后用中子轟擊原子核的實(shí)驗(yàn)提供了一顆完美的“炮彈”——慢中子

圖/費(fèi)米在實(shí)驗(yàn)室

對(duì)此,費(fèi)米不但運(yùn)用了薛定諤波動(dòng)力學(xué)方程對(duì)此作出了理論解釋,他還給出了一種非常形象生動(dòng)的形容

他說(shuō),中子進(jìn)入原子核的情形就像高爾夫球進(jìn)洞一樣,速度慢的高爾夫球會(huì)滾進(jìn)洞內(nèi),而速度快的高爾夫球會(huì)直接從洞頂飛過(guò)

因?yàn)樵谥凶愚Z擊原子核和發(fā)現(xiàn)了慢中子效應(yīng)的成就

他在1938年被授予了諾貝爾物理獎(jiǎng),同時(shí)被譽(yù)為“中子物理之父”

而這次的諾貝爾獎(jiǎng)給他帶來(lái)的不單是榮耀和獎(jiǎng)金,還給他帶來(lái)了逃離納粹掌心的機(jī)會(huì)

圖/費(fèi)米一家在輪船上

在費(fèi)米接到諾貝爾委員會(huì)的電話之前,納粹就在全國(guó)范圍內(nèi)發(fā)起“水晶之夜”事件

而意大利的統(tǒng)治者,法西斯頭目墨索里尼也開(kāi)始到處逮捕猶太人

為了保護(hù)身份為猶太人的妻子勞拉

費(fèi)米在借著到斯德哥爾摩領(lǐng)獎(jiǎng)的機(jī)會(huì),舉家逃亡到了美國(guó)紐約

“水晶之夜”又稱“碎玻璃之夜”,是指1938年11月9日至10日凌晨納粹首次對(duì)猶太人進(jìn)行大規(guī)模的襲擊,許多猶太商店窗戶被打碎,破碎的玻璃在月光的照射下像水晶般發(fā)光,“水晶之夜”事件也標(biāo)志著納粹對(duì)猶太人有組織的屠殺開(kāi)始

圖/水晶之夜后的猶太人商店

初到美國(guó),科學(xué)界就傳來(lái)“中子被吸收后有時(shí)會(huì)引起鈾原子裂變”的消息

費(fèi)米馬上意識(shí)到一個(gè)裂變的鈾原子可以釋放出更多的中子來(lái)引起一系列的鏈?zhǔn)椒磻?yīng),從而產(chǎn)生無(wú)法估量的巨大能量

圖/元首

那時(shí),科學(xué)界都在討論這種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)用于軍事的潛在性,但美國(guó)政府似乎對(duì)此不太感興趣

然而此時(shí)德國(guó)卻開(kāi)始禁止捷克鈾礦區(qū)的出口

因?yàn)殁櫴窃訌椬钪匾脑牧?,這使反法西斯同盟國(guó)開(kāi)始意識(shí)到,德國(guó)可能已經(jīng)在密謀著原子彈計(jì)劃了

為此費(fèi)米曾多次向海軍反應(yīng),希望他們能針對(duì)德國(guó)為原子武器制定計(jì)劃

圖/被轟炸后的珍珠港

1941年12月,直到日本法西斯偷襲美國(guó)珍珠港,美國(guó)政府才決定啟動(dòng)“曼哈頓計(jì)劃”

目的是在德國(guó)之前制造出原子彈,盡早結(jié)束第二次世界大戰(zhàn)

然而想要制成原子武器,首要的就是驗(yàn)證可控自持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)能否實(shí)現(xiàn)

因?yàn)橘M(fèi)米是世界上研究中子的權(quán)威,又是集理論與實(shí)驗(yàn)于一身的全才

所以他被任命為世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆的攻關(guān)小組組長(zhǎng)

1942年,費(fèi)米來(lái)到芝加哥大學(xué),主持對(duì)外稱為“芝加哥冶金實(shí)驗(yàn)”的核反應(yīng)堆工程

從此,費(fèi)米就把全部精力都投入到這一工作當(dāng)中,反應(yīng)堆一天天朝著它的最終形態(tài)增長(zhǎng)

1942年12月2日,在費(fèi)米的指導(dǎo)設(shè)計(jì)下核反應(yīng)堆“芝加哥Pile-1”首次運(yùn)轉(zhuǎn)成功

這標(biāo)志著原子時(shí)代的到來(lái),試驗(yàn)成功后大家都說(shuō):“意大利航海家進(jìn)入了新世界”

因?yàn)樵?492年意大利航海家哥倫布發(fā)現(xiàn)了美洲,從此這片新大陸向文明世界敞開(kāi)

而今1942年意大利物理學(xué)家費(fèi)米,用世界第一座核反應(yīng)堆打開(kāi)了原子能的神秘世界

圖/芝加哥Pile-1(CP-1)

隨著這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的成功,曼哈頓工程全面啟動(dòng)

而費(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),繼續(xù)發(fā)揮著自己的重要作用

在曼哈頓計(jì)劃中,也發(fā)生了一件有趣的事情,后來(lái)被稱為“費(fèi)米紙片”

圖/原子彈“小男孩”和“胖子”

1945年7月16日,第一顆原子彈在美國(guó)新墨西哥南部沙漠引爆

這顆原子彈爆炸后大約30分鐘,強(qiáng)烈的沖擊波到達(dá)費(fèi)米所在的掩蔽處

只見(jiàn)費(fèi)米把事先準(zhǔn)備好的紙片一撒,隨著紙片落地費(fèi)米就說(shuō):這顆原子的威力相當(dāng)于兩萬(wàn)噸TNT炸藥的能量

之后根據(jù)各種復(fù)雜測(cè)量?jī)x器的記錄數(shù)據(jù)來(lái)看,計(jì)算結(jié)果和費(fèi)米的幾乎無(wú)差,這使大家都為之嘆服

圖/日本廣島上空的蘑菇云

試爆成功后,其余兩顆原子彈便在日本的長(zhǎng)崎和廣島兩座城市投落

日本宣布無(wú)條件投降,第二次世界大戰(zhàn)提早結(jié)束

在戰(zhàn)后,他并沒(méi)有繼續(xù)研制核武器

而是極力反對(duì)繼續(xù)研制比原子彈威力更大的氫彈

從1945年以來(lái),核武器便沒(méi)有再用在戰(zhàn)爭(zhēng)上

而大量的反應(yīng)堆也用于生產(chǎn)能源,造福著人類

圖/核電站

曼哈頓計(jì)劃結(jié)束后,費(fèi)米依然保持著在科學(xué)領(lǐng)域的不斷輸出

他當(dāng)時(shí)被聘為芝加哥大學(xué)教授,繼續(xù)他高能粒子物理的研究

1949年,揭示宇宙線中原粒子的加速機(jī)制,研究了Л介子、μ子和核子的相互作用,提出宇宙射線起源理論

1952年,發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)強(qiáng)子共振──同位旋四重態(tài)

但是不幸的是,因長(zhǎng)期接觸放射性物質(zhì),正直事業(yè)巔峰期的費(fèi)米得了食道癌和胃癌

1954年11月29日,費(fèi)米與世長(zhǎng)辭,享年53歲

為了紀(jì)念他,科學(xué)界將剛發(fā)現(xiàn)的100號(hào)元素命名為“鐨Fm”

美國(guó)原子能委員會(huì)也建立了“費(fèi)米獎(jiǎng)”,用于獎(jiǎng)勵(lì)在核能開(kāi)發(fā)方面的人才

因?yàn)橘M(fèi)米研究的領(lǐng)域非常廣闊,連他傳記的作者賽格雷都說(shuō)他的成就和地位都很難衡量

但無(wú)論在哪一個(gè)領(lǐng)域,費(fèi)米都是一個(gè)極其出色的存在

而更難能可貴的是國(guó)別、戰(zhàn)爭(zhēng)、諾貝爾獎(jiǎng)、核反應(yīng)堆、原子彈都沒(méi)有成為限制他的標(biāo)簽

可以毫無(wú)疑問(wèn)地說(shuō),他是20世紀(jì)最后一個(gè)全才

在《美麗新世界》里有一種致幻劑叫蘇摩(soma)

號(hào)稱“一克蘇摩,能解十憂”

而在費(fèi)米眼中,物理學(xué)才是他在那亂世中的唯一“蘇摩”

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