恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi)是著名的美籍意大利裔物理學(xué)家，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，他在量子力學(xué)、核物理、粒子物理和統(tǒng)計(jì)力學(xué)等方面都有著杰出貢獻(xiàn)，并于理論探索方面和實(shí)驗(yàn)研究方面都取得了卓越成就。同時，他還創(chuàng)造了一種極高效的科研活動模式與一種十分有影響的教學(xué)方式，啟迪、引導(dǎo)了一代代科學(xué)家。

1 天賦初顯的幼年

恩里科·費(fèi)米于1901年9月29日出生于羅馬。他的父親是意大利鐵道部的部門負(fù)責(zé)人，母親是一名小學(xué)教員。由于父母工作繁忙，恩里科一出生便被送到鄉(xiāng)下由乳母撫養(yǎng)，兩歲半才被接回家中。費(fèi)米與雙親一樣并沒有宗教信仰，從小保持理性的思維，并一生信奉不可知論。

不同于喜歡在泥地里摸爬滾打的孩童，費(fèi)米從小就喜歡玩一些電動和機(jī)械玩具，并樂于親手組裝。偶然一次機(jī)會，費(fèi)米在集市上買到了一本《數(shù)學(xué)物理要旨》，該書涉及數(shù)學(xué)、經(jīng)典力學(xué)、天文學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)等方面的知識，可以稱得上是他物理學(xué)方面的啟蒙教材。不久，費(fèi)米的家人朋友都意識到了他得天獨(dú)厚的理學(xué)天賦，他父親的同事鼓勵費(fèi)米深入學(xué)習(xí)物理，還送給他幾本講授數(shù)學(xué)和物理學(xué)的書籍，這些書帶費(fèi)米進(jìn)一步深入物理的世界^[1]。

2 初露鋒芒的青年

高中時期，費(fèi)米與同樣對科學(xué)感興趣的珀西科十分要好，常常一起鉆研科學(xué)，他們曾一起搭建各類儀器，用以測量重力加速度、自來水密度和地球磁場強(qiáng)度等物理量。

在家人的支持和鼓勵下，綜合考量實(shí)驗(yàn)設(shè)施與教學(xué)條件后，17歲的費(fèi)米選擇申請就讀比薩高等師范學(xué)校。在入學(xué)考試中，費(fèi)米利用傅里葉分析方法求解了桿振動的波動方程，以第一名的成績完成了以“聲音的不同特性”為題的論文，轟動一時。費(fèi)米的面試官皮塔雷利教授對他的入學(xué)論文大加贊賞，認(rèn)為他有成為偉大的科學(xué)家的潛質(zhì)。

初入大學(xué)，費(fèi)米主修的是數(shù)學(xué)，后來才轉(zhuǎn)為主修物理學(xué)。他的廣義相對論、量子力學(xué)以及原子物理學(xué)等相關(guān)知識大多都是自學(xué)的。1920年9月，費(fèi)米進(jìn)入物理系。在這里，費(fèi)米認(rèn)識了佛朗哥·拉塞蒂，他一生的摯友以及學(xué)術(shù)上的親密合作者。他的導(dǎo)師，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任路易吉·普錢蒂允許他們隨意使用實(shí)驗(yàn)室里的設(shè)備進(jìn)行科學(xué)研究，還讓他組織量子力學(xué)相關(guān)的討論班。次年，費(fèi)米在《新試驗(yàn)》上發(fā)表了兩篇科學(xué)論文。第一篇論文題為《論平動中的電荷剛體的動力學(xué)》，他在這篇論文中使用張量來描述質(zhì)量，張量分析這一數(shù)學(xué)分析方法對廣義相對論的數(shù)學(xué)表述來說是十分重要的。第二篇論文題為《勻強(qiáng)引力場中的靜電學(xué)及電荷的質(zhì)量》，他在這篇論文中利用廣義相對論得到電荷的質(zhì)量為，與依據(jù)電動力學(xué)計(jì)算所得到的值不同。他以此為切入點(diǎn)提出電動力學(xué)理論與相對論在計(jì)算電磁質(zhì)量時存在矛盾。這篇論文廣受贊譽(yù)，并于1922年被譯為德語發(fā)表在期刊《物理學(xué)雜志》上^[2]。至此，還是學(xué)生的費(fèi)米就成了學(xué)校中量子力學(xué)和相對論方面的權(quán)威。

3 光芒璀璨的明星

1924年，費(fèi)米前往哥廷根大學(xué)、萊頓等地與眾多物理學(xué)家進(jìn)行交流學(xué)習(xí)并結(jié)為好友。1925年1月至1926年末，費(fèi)米于佛羅倫薩大學(xué)教授數(shù)學(xué)物理及理論力學(xué)，并前往羅馬大學(xué)開展了有關(guān)量子力學(xué)和固體物理的演講。在這里，他與拉塞蒂一起進(jìn)行了很多實(shí)驗(yàn)，共同研究含時磁場對水銀蒸氣共振輻射的退偏振效應(yīng)。

1925年，沃爾夫?qū)?/span>·泡利提出泡利不相容原理，隨后，費(fèi)米以此為基礎(chǔ)發(fā)表了論文《論單原子理想氣體的量子化》。他在氣體分子遵守泡利不相容原理的前提下分析了理想氣體系統(tǒng)，總結(jié)歸納了由大量遵守不相容原理的全同粒子組成的物理系統(tǒng)的量子態(tài)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，并提出統(tǒng)計(jì)式。不久后，該式又被保羅·狄拉克獨(dú)立推出，并解釋了其與玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)式的聯(lián)系，該式就是赫赫有名的“費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)”。為紀(jì)念費(fèi)米的杰出貢獻(xiàn)，學(xué)界將遵守泡利不相容原理的粒子命名為“費(fèi)米子”。

1928年，費(fèi)米成功當(dāng)選羅馬大學(xué)第一任理論物理學(xué)教授。1929年，費(fèi)米被墨索里尼任命為意大利皇家科學(xué)院院士。在羅馬任職期間，費(fèi)米與他的團(tuán)隊(duì)一同為物理學(xué)的理論研究及實(shí)際應(yīng)用做出了諸多貢獻(xiàn)。費(fèi)米著手編寫教材《原子物理學(xué)引論》，舉辦公開講座，發(fā)表科普文章，面向公眾傳播知識，啟迪智慧。同時，費(fèi)米備課仔細(xì)認(rèn)真，以系統(tǒng)化的方式梳理知識脈絡(luò)，講課循循善誘、邏輯清晰，由淺入深講述復(fù)雜問題。課余時間，費(fèi)米樂意與學(xué)生們討論課題，因材施教，鼓勵學(xué)生探尋自己感興趣的課題，在傳授理論知識的同時注重實(shí)踐素質(zhì)的培養(yǎng)。為培養(yǎng)學(xué)生們的科學(xué)創(chuàng)新精神，費(fèi)米經(jīng)常教導(dǎo)學(xué)生不僅要做到可以解決問題，還要善于提出問題^[3]。

4 一波三折的諾獎

為使得β衰變前后能量守恒，泡利構(gòu)想出了一種不帶電且質(zhì)量極小的新粒子，它會伴隨著電子一起被放射出來。費(fèi)米對這一假說十分感興趣，于1933年至1934年先后發(fā)表了兩篇文章來論述該粒子的性質(zhì)，并將這種粒子稱作“中微子”。這一解釋被后世的物理學(xué)家稱作費(fèi)米相互作用，也是弱相互作用理論的前生。費(fèi)米的理論不僅對泡利的中微子假說提供了有力支持，還首次成功描述了物質(zhì)粒子的產(chǎn)生與湮滅過程，對現(xiàn)代物理學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

1934年，居里夫婦利用α粒子轟擊原子核誘導(dǎo)原子核產(chǎn)生放射性的實(shí)驗(yàn)，費(fèi)米決定采用類似的實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證中子是否帶電。費(fèi)米選用氡—鈹中子源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過使用中子轟擊鋁原子核，該鋁原子核轉(zhuǎn)化為鈉的一種同位素以及一個α粒子，不久，這個鈉原子發(fā)生β衰變轉(zhuǎn)化為鎂原子。通過此方法，費(fèi)米成功誘導(dǎo)了22種元素發(fā)生放射，并認(rèn)為其中包含尚未被發(fā)現(xiàn)的93號及94號元素。

某天，費(fèi)米的學(xué)生發(fā)現(xiàn)在木質(zhì)工作臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比起在大理石工作臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)更為順利。為探究原因，費(fèi)米采用一般中子與經(jīng)石蠟層減速的中子分別轟擊銀原子，發(fā)現(xiàn)后者誘發(fā)放射性的效果高達(dá)前者的一百余倍。費(fèi)米認(rèn)為石蠟其中的氫原子使中子的運(yùn)動速度減慢。為驗(yàn)證此猜想，他將實(shí)驗(yàn)介質(zhì)換更為水，中子的運(yùn)動速度也明顯減慢了。費(fèi)米用“慢中子”解釋了這一現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)證明與中子發(fā)生碰撞的原子原子序數(shù)越低，中子每次碰撞損耗的能量就越大，當(dāng)總損耗能量一樣時，氫原子的“減速效率”最大。費(fèi)米為此推導(dǎo)出擴(kuò)散方程，即費(fèi)米壽命方程。

1938年，費(fèi)米因“證明存在由中微子輻射誘導(dǎo)產(chǎn)生的新的放射性元素，并發(fā)現(xiàn)由慢中子引發(fā)的核反應(yīng)”榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

同年，德國的化學(xué)家奧托·哈恩及弗里茨·施特拉斯曼在利用中子轟擊鈾原子的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了元素鋇，其為鈾核發(fā)生了核裂變的產(chǎn)物，否定了費(fèi)米此前宣布的發(fā)現(xiàn)的超鈾元素^[4]。這個消息令費(fèi)米十分難堪，但他還是將這個發(fā)現(xiàn)添加到他的諾貝爾獎獲獎感言的注腳中。

5 成就斐然的大師

費(fèi)米并沒有被錯誤擊潰，恰恰相反，他以此為契機(jī)對鈾核裂變現(xiàn)象進(jìn)行更加深入的研究。由費(fèi)米主持設(shè)計(jì)的芝加哥1號堆是世界上首個核反應(yīng)堆，該反應(yīng)堆完成了首次人工自持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，具有里程碑意義。1939年1月，費(fèi)米與研究團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行了美國國內(nèi)首次核裂變實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)鈾原子在被中子轟擊后放出的中子較吸收的更多，證明了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的理論可行性。費(fèi)米在反應(yīng)堆的建造過程中親力親為，保證了實(shí)驗(yàn)的安全性與科學(xué)性。

在粒子物理學(xué)方面，費(fèi)米首次預(yù)測了π介子-核子共振，推測π介子可能是一種復(fù)合粒子。后世對于夸克與輕子的研究正是源于他假定的π介子并非基本粒子。在宇宙射線方面，費(fèi)米認(rèn)為宇宙射線是由星際空間中受磁場作用加速的物質(zhì)粒子產(chǎn)生的，他曾研究過旋渦星系的旋臂中的磁場，并提出有關(guān)地外文明的“費(fèi)米悖論”。

1946年，冶金實(shí)驗(yàn)室被升格為阿貢國家實(shí)驗(yàn)室。在那里，費(fèi)米與利昂娜·馬歇爾一同研究中子散射。費(fèi)米還幫助瑪麗亞·梅耶深入理解自旋-軌道耦合，間接成就了梅耶的諾貝爾物理學(xué)獎。費(fèi)米每年還會在洛斯阿拉莫斯工作一段時間，在那里，他與約翰·馮·諾伊曼一起研究瑞利－泰勒不穩(wěn)定性。費(fèi)米在芝加哥大學(xué)任教期間還培養(yǎng)出一大批優(yōu)秀的物理學(xué)家，包括歐文·張伯倫、杰弗里·丘、馬爾溫·戈?duì)柕仑惛駹枴⒔芸?/span>·施泰因貝格爾等人。

1954年，費(fèi)米因胃癌在芝加哥的家中去世，享年53歲，被葬于橡樹林公墓，他輝煌而短暫的一生就此落幕。

6 結(jié)語

綜上所述，費(fèi)米是一位在理論、實(shí)踐和教學(xué)三方面都取得顯著成果的物理學(xué)家。他對后世的影響深遠(yuǎn)，從“費(fèi)米分布”、“費(fèi)米液體”、“費(fèi)米子”等眾多以他名字命名的物理概念就可窺一斑而知全豹。楊振寧在被問及對費(fèi)米的印象是談到：“他永遠(yuǎn)可靠和可信任；他永遠(yuǎn)腳踏實(shí)地。他的能力極強(qiáng)，卻不濫用影響，也不嘩眾取寵，或巧語貶人。”費(fèi)米總是能規(guī)避復(fù)雜、繁瑣的過程，找到最為簡潔、直接的方法去解決問題，他嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的作風(fēng)，注重實(shí)踐的思想，謙虛謹(jǐn)慎的品格在潛移默化中影響身邊人，也作為高空中的啟明星啟迪著我們后來人。賢者魂歸高天，功績長存于世。我們應(yīng)謹(jǐn)遵先者教誨，堅(jiān)持問題導(dǎo)向，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，在實(shí)踐中深化對理論知識的認(rèn)知，不止步于實(shí)驗(yàn)室，將眼光放長遠(yuǎn)，把論文寫在祖國的大地上。

參考文獻(xiàn)：

[1] 程民治, 柳傳長. 恩里科·費(fèi)米：融實(shí)驗(yàn)家、理論家和教育家于一身[J]. 物理與工程, 2008, 第18卷(1):52-56.

[2]恩里科·費(fèi)米（）https://en./wiki/Enrico_Fermi.

[3] 白帆. 費(fèi)米的教育及研究風(fēng)格對物理教師的啟示[J]. 物理之友, 2018, 第34卷(8):18-19，22.

[4] 酷因樂.走進(jìn)諾貝爾 ——“原子能之父”費(fèi)米[J]. 紅蜻蜓·高年級版, 2021, (10).