恩里科·費米

恩里科·費米

恩里科·費米（意大利文：Enrico Fermi，1901年9月29號—1954年11月28號）係美國籍意大利裔物理學家，因為證明咗可由中子輻照而產生嘅新放射性元素存在，同埋發現有關慢中子引發嘅核反應，所以攞到1938年諾貝爾物理學獎。

Fermi 第一次嘅重大貢獻係統計力學嘅領域。喺Pauli喺1925年提出咗佢嘅不相容原理之後，Fermi 跟住寫咗一篇論文，將呢個原理應用喺理想氣體上，採用咗一種統計方法，呢個方法而家被稱為費米–狄拉克統計。今日，遵從呢個排斥原理嘅粒子被叫做「費米子」。Pauli 之後假設喺β衰變過程中，會釋放出一種無電荷嘅隱形粒子同電子一齊，呢個假設係為咗滿足能量守恆定律。Fermi 接納咗呢個想法，並發展咗一個模型，呢個模型將嗰粒假設嘅粒子命名為「中微子」。佢嘅理論，之後被稱為費米相互作用，而家叫做弱相互作用，描述咗自然界四種基本相互作用其中之一。透過引發最近發現嘅中子嚟進行嘅放射性實驗，Fermi 發現慢中子比快速中子更加容易被原子核捕捉，佢仲發展咗費米年齡方程去解釋呢個現象。喺用慢中子轟擊釷同鈾之後，佢認為自己創造咗新元素。雖然佢因為呢個發現攞咗諾貝爾獎，但之後發現呢啲新元素其實係核裂變產物。

Fermi 喺1938年離開咗意大利，為咗避開新嘅意大利種族法，呢啲法律影響咗佢嘅猶太籍老婆Laura Capon。佢移民去美國，喺曼哈頓計劃期間參與咗二戰嘅工作。Fermi 喺芝加哥大學帶領團隊設計同建造咗「芝加哥一號反應堆」（Chicago Pile-1），呢個反應堆喺1942年12月2號達到臨界，展示咗第一個由人類創造出嚟嘅自持核鏈反應。佢亦都有喺場，見證咗1943年喺田納西州橡樹嶺嘅X-10石墨反應堆達到臨界，第二年漢福德工廠嘅B反應堆達到臨界。喺洛斯阿拉莫斯實驗室（Project Y），佢領導咗F部門，當中一部分人負責愛德華·泰勒嘅熱核武器「超級」炸彈嘅工作。佢亦都有喺1945年7月16號嘅三位一體核試現場，呢次係第一次核彈爆炸嘅測試，當時佢用咗佢嘅費米估算法嚟估計炸彈嘅威力。

戰後，佢幫手成立咗芝加哥嘅核研究所，並且喺J. 羅伯特·奧本海默領導嘅總顧問委員會上工作，呢個委員會負責就核能事務向美國原子能委員會提供意見。喺1949年8月蘇聯第一顆核裂變炸彈爆炸之後，佢強烈反對研發氫彈，無論係道德上定技術上都係如此。佢亦都有喺1954年奧本海默聽證會上為佢作證，最終導致奧本海默失去咗安全許可。

Fermi 喺粒子物理方面都做咗重要工作，特別係同介子同緲子有關，佢仲推測宇宙射線係由星際空間中嘅磁場加速物質引發嘅。好多獎項、概念同機構都以Fermi命名，包括費米一號（增殖反應堆）、恩里科·費米核電站、恩里科·費米獎、恩里科·費米研究所、費米國家加速器實驗室（Fermilab）、費米伽瑪射線太空望遠鏡、費米悖論，同埋合成元素鐨，令佢成為16位以元素命名嘅科學家之一。

早年生活

Fermi 喺意大利羅馬 Via Gaeta 19 出世。

Fermi 出生地嘅紀念牌匾

Enrico Fermi 喺1901年9月29號出世於意大利羅馬。 佢係阿爾貝托·費米（Alberto Fermi）同艾達·德·加蒂斯（Ida de Gattis）嘅第三個仔。阿爾貝托係鐵路部嘅部門主管，而艾達係一個小學老師。 佢嘅姐姐瑪麗亞大佢兩歲，哥哥朱利奧大佢一歲。兩個仔曾經畀送去鄉郊社區畀人餵奶，之後Enrico 喺兩歲半嘅時候回到羅馬同家人團聚。 雖然佢係根據佢祖父母嘅意願受洗成為羅馬天主教徒，但佢家人並唔係特別虔誠，而Enrico 喺成年後一直係不可知論者。 佢細個嘅時候同哥哥朱利奧有同樣嘅興趣，一齊砌電動馬達，玩啲電動同機械嘅玩具。 朱利奧喺1915年因為做喉嚨膿腫手術嘅時候死咗，而瑪麗亞喺1959年因米蘭附近嘅一場空難中喪生。 Fermi 喺坎波德菲奧里廣場嘅市場度發現咗一本物理學書《Elementorum physicae mathematicae》，呢本900頁嘅書係由耶穌會神父Andrea Caraffa寫，佢係羅馬學院嘅教授。書入面用拉丁文講解咗當時（1840年出版）所理解嘅數學、經典力學、天文學、光學同聲學。 Fermi 同一個科學興趣相同嘅朋友Enrico Persico， 一齊做咗啲項目，例如砌陀螺儀同測量地球重力嘅加速度。

喺1914年，Fermi 經常喺爸爸下班後同佢喺辦公室前面會合，呢時佢識咗爸爸嘅同事Adolfo Amidei，Amidei 會陪Alberto 一齊返屋企。Enrico 知道Adolfo 對數學同物理有興趣，於是就把握機會問Adolfo 一個關於幾何學嘅問題。Adolfo 理解到Fermi 問嘅係射影幾何，跟住俾咗本Theodor Reye寫嘅書佢。兩個月後，Fermi 交番本書，已經解曬書尾所有題目，其中有啲Adolfo 覺得好難嘅題目。驗證之後，Adolfo 認為Fermi 「至少係幾何學方面係一個天才」，並繼續做佢嘅導師，俾咗更多物理同數學嘅書畀佢。Adolfo 注意到Fermi 記性好好，睇完書之後記得好清楚，可以將書交番，因為佢能夠好好記得入面嘅內容。

皮薩嘅諾馬爾高等學校（Scuola Normale Superiore）

恩里科·費米喺皮薩讀書嘅時候

費米喺1918年7月中學畢業，仲跳咗三年級。喺阿米戴嘅慫恿之下，費米學咗德文，為咗可以睇當時大量用德文寫嘅科學論文。佢申請咗皮薩嘅諾馬爾高等學校。阿米戴覺得諾馬爾高等學校比起當時嘅羅馬大學，更加適合費米發展。費米嘅父母因為已經失去咗一個仔，所以最初都唔係咁願意俾佢離開羅馬，喺學校宿舍住四年。

費米喺艱難嘅入學考試中拎到第一名，考試包括一篇以「聲音嘅特性」為主題嘅論文。17歲嘅費米選擇用傅立葉分析推導同解決一條振動桿嘅偏微分方程。考官面試費米之後宣佈佢將會成為一位出色嘅物理學家。

喺諾馬爾高等學校，費米同學生法蘭哥·拉塞蒂玩惡作劇；兩個人成為咗好朋友同合作夥伴。物理實驗室主任路易吉·普恰蒂指導費米，佢話冇乜嘢可以教費米，仲經常要費米教佢嘢。費米對量子物理嘅認識咁深，普恰蒂仲要佢組織呢個課題嘅研討會。喺呢段時間，費米學習咗張量分析，呢個係廣義相對論嘅關鍵技術。費米最初選擇數學做主修，但好快就轉咗去物理。佢基本上係自學成材，研究廣義相對論、量子力學同原子物理學。

1920年9月，費米入咗物理系。因為當時系裏面得三個學生——費米、拉塞蒂同內洛·卡拉拉——普恰蒂俾佢哋自由使用實驗室做任何佢哋想做嘅嘢。費米決定佢哋應該研究X射線晶體學，三個人一齊整咗個勞厄照片——一張晶體嘅X射線照片。1921年，佢喺大學讀第三年嘅時候，喺意大利期刊《新物理雜誌》（Nuovo Cimento）發表咗佢嘅第一份科學著作。第一篇叫做「論平移運動中剛性帶電系統嘅動力學」（Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio）。一個預示未來嘅跡象就係質量被表示為一個張量——一種通常用嚟描述喺三維空間中運動同變化嘅數學結構。喺經典力學中，質量係一個標量，但喺相對論中，佢會隨速度而改變。第二篇論文係「論均勻引力場中電磁荷嘅靜電學同電磁荷嘅重量」（Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche）。費米用廣義相對論證明咗一個電荷嘅重量等於U/c²，U係系統嘅靜電能量，c係光速。

第一篇論文似乎指出咗電動力學理論同相對論理論之間喺計算電磁質量方面嘅矛盾，因為前者預測嘅值係4/3 U/c²。費米喺下一年嘅一篇論文「關於電動力學同電磁質量相對論理論之間嘅矛盾」中解決咗呢個問題，佢表明呢個表面上嘅矛盾係相對論嘅結果。呢篇論文受到高度評價，被翻譯成德文並喺1922年喺德國科學期刊《物理學期刊》（Physikalische Zeitschrift）上發表。同年，費米將佢嘅文章「論世界線附近發生嘅現象」（Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria）提交俾意大利期刊《林切學院學報》（I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei）。喺呢篇文章中，佢研究咗等效原理，並引入咗所謂嘅「費米坐標」。佢證明喺接近時間線嘅世界線上，空間嘅行為就好似歐幾里得空間一樣。

光錐係一個三維表面，表示所有可能嘅光線喺時空中嘅一點到達同離開。呢度嘅圖略去咗一個空間維度。時間線係垂直軸。

費米喺1922年7月向諾馬爾高等學校提交咗佢嘅論文「一個概率定理同佢嘅一啲應用」（Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni），並喺異常年輕嘅20歲獲得咗學士學位。論文係關於X射線衍射圖像。理論物理學喺意大利當時仲未被視為一門學科，唯一會被接受嘅論文係實驗物理學。因為呢個原因，意大利物理學家好慢先接受到嚟自德國嘅新思想，好似相對論咁。由於費米喺實驗室做實驗工作好拿手，呢啲對佢嚟講都唔係咩大問題。

1923年，費米喺為奧古斯特·科普夫嘅《愛因斯坦相對論基礎》意大利版寫附錄嘅時候，首次指出喺愛因斯坦方程（E = mc²）入面隱藏住一大筆可以利用嘅核能。佢寫道：「至少喺可見嘅將來，似乎冇可能搵到方法釋放呢啲可怕嘅能量——呢個係好事，因為釋放咁大量可怕能量嘅第一個效果就係將不幸發現呢個方法嘅物理學家炸到粉碎。」

1924年，費米加入咗意大利共濟會東方大會嘅「阿德里亞諾·萊米」分會。

1923年至1924年，費米喺哥廷根大學跟隨馬克斯·玻恩學習咗一個學期，喺嗰度認識咗維爾納·海森堡同帕斯卡爾·喬丹。之後，費米通過數學家維托·沃爾泰拉嘅幫助，獲得咗洛克菲勒基金會嘅獎學金，由1924年9月到12月喺萊頓跟隨保羅·埃倫費斯特學習。喺嗰度，費米見到咗亨德里克·洛倫茲同阿爾伯特·愛因斯坦，仲同塞繆爾·古茲密特同揚·丁伯根成為咗朋友。由1925年1月到1926年底，費米喺佛羅倫薩大學教數學物理同理論力學，喺嗰度佢同拉塞蒂一齊進行咗一系列關於磁場對水銀蒸氣影響嘅實驗。佢仲參加咗羅馬大學嘅研討會，講授量子力學同固體物理學。喺講授新量子力學嘅時候，費米經常會因為薛定諤方程嘅預測準確度驚人而講：「佢咁啱，完全唔合理！」

1925年沃爾夫岡·鮑利宣佈佢嘅鮑利不相容原理之後，費米寫咗一篇論文「論完美單原子氣體嘅量子化」（Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico），喺入面佢將不相容原理應用到理想氣體。呢篇論文特別引人注目嘅地方係費米嘅統計公式，佢描述咗喺由好多遵守不相容原理嘅全同粒子組成嘅物理系統中粒子嘅分佈。呢個好快就俾英國物理學家保羅·狄拉克獨立發展出嚟，佢仲證明咗佢同玻色-愛因斯坦統計嘅關係。因此，而家呢個統計叫做費米-狄拉克統計。狄拉克之後，遵守不相容原理嘅粒子而家叫做「費米子」，唔遵守嘅就叫做「玻色子」。