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中微子教父的靓丽人生

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:换言之,中微子理论因为费米而在科学界得到了广泛传播和认可,并且成为今日粒子物理学中的标准模型最重要的组成部分之一。当我们称泡利为中微子之父时,难道不应该充满深情地称伟大的费米为中微子的教父吗?费米是中子物理的创始人。费米小组认为,在这些铀的衰变产物中,有一种是原子序数为93的新元素。费米对原子弹的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分显然,这项发明的主要功劳应归于费米。

我们已经知道在20世纪50年代费米逝世时,中微子并没有得到实验的直接证实。甚至于泡利还时时叹息,预言这种难以发现的粒子是否合适时,费米不但从中微子假说理论开始提出就义无反顾地支持这个假说,而且从这个假说开始构建了中微子弱相互作用理论,提出了举世闻名的弱相互作用的费米V-A普适理论,揭示以前人们没有发现的一种新相互作用——弱相互作用的存在。并且为弱电统一相互作用的构建打开了大门。换言之,中微子理论因为费米而在科学界得到了广泛传播和认可,并且成为今日粒子物理学中的标准模型最重要的组成部分之一。当我们称泡利为中微子之父时,难道不应该充满深情地称伟大的费米为中微子的教父吗?

费米无可争议地成为20世纪最伟大的科学家,而且是为数不多的兼具杰出的理论家和杰出的实验家天才的人。像他那样具有高瞻远瞩的理论视野,同时具有切实的实验技巧,并且为实验科学和高技术的发展做出伟大贡献的科学家,在20世纪初叶以前似乎并不少见。牛顿是经典物理的奠基人,同时也有许多重要的实验发现。但是自此以后,理论科学家和实验科学家的分野似乎越来越分明了。我们可以考察20世纪以来,许多伟大的物理学家,如爱因斯坦、霍金、狄拉克、玻尔等都是伟大的理论物理学家;而卢瑟福、丁肇中、迈克尔逊、威尔逊等,尽管在理论上也有许多真知灼见,但终究都是以实验科学的研究和发现而闻名于世。唯独费米不然,两者完美结合堪称一代典范。

恩利克·费米生子意大利罗马,1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国,在著名物理学家玻恩的指导下从事研究工作。1929年任意大利皇家科学院院士,当时他已经发表了他的第一篇主要论文,论述了物理学中的一个深奥分支,人称量子统计学。在这篇论文中,费米发展了量子统计学,用它来描述所谓费米子的粒子的统计行为,这门科学现在称为费米统计。1936年出版的热力学与统计物理讲义,成为后人教学用书的经典蓝本。构成普通物质的三种“建筑材料”:电子、质子和中子都是费米子。因此,我们可以说费米是当代量子统计的奠基人之一。所以费米统计是现代理论物理学的基石之一。该理论可以使我们更好地了解原子核、退化物质(诸如出现在某些种类星体内部的退化物质)的行为,以及金属的特性和行为。

费米是中子物理的创始人。被誉为“中子物理学之父”。20世纪30年代初,中子被发现以后,科学家就利用它去轰击各种元素,研究核反应。以意大利皇家科学院院士费米为首的一批青年人,干得最起劲。他们按照元素周期表的顺序,从头到尾地轰击已知的各种元素,看看都会发生什么情况。1934年,元素周期表上最后一个是92号元素铀。当用中子轰击时,他们发现铀被强烈地激活了,并产生出好些种元素。

中子轰击铀核

费米小组认为,在这些铀的衰变产物中,有一种是原子序数为93的新元素。这是由子中子打进铀原子核里,使铀的原子量增加而转变成的新元素。费米等人关于93号新元素的实验报告发表后,世界各国的报纸立即进行了轰动性的报道。关于93号元素问题,在各国科学家中引起一场激烈而持续的争论。有不少人肯定,也有不少人持怀疑态度。这场争论迟迟没有定论的原因是当时缺乏一种有效的手段,可以对铀元素受到中子轰击后的产物进行精确的分离和分析。

1934年10月,费米意外地取得另一项重大发现:中子在到达被辐射物质之前,和含氢物质中的氢原子核碰撞,速度大大降低;这种降低了速度的“慢中子”,更容易引起被辐射物质的核反应。这正如速度太快的篮球容易从框上弹出去,速度慢的较容易进篮一样,使用慢中子轰击原子核很快被各国科学家采用。1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象,开始中子物理学研究。

1938年11月10日,也就是“93号元素”发现4年多以后,费米接到来自斯德哥尔摩的电话,瑞典科学院宣布费米获得诺贝尔物理学奖的奖状:“奖金授予罗马大学恩利克·费米教授,以表彰他认证了由中子轰击所产生的新的放射性元素,以及他在这一研究中发现由慢中子引起的反应。”费米带着全家去斯德哥尔摩领奖后,没有返回意大利,而是乘上了去美国的轮船。

费米是名副其实的原子弹之父。为什么费米要匆匆忙忙地踏上赴美之旅呢?原来就在这时他在意大利遇到了麻烦。一是因为他的妻子是犹太人,意大利法西斯政府颁布出一套粗暴的反对犹太人的法律;二是因为费米强烈反对法西斯主义——墨索里尼独裁统治下的一种危险的态度。1938年12月他前往斯德哥尔摩接受诺贝尔奖,此后就没有返回意大利,而是去了纽约。哥伦比亚大学主动为他提供职位,并为自己的师资队伍中增添了一位世界上最伟大的科学家而感到自豪和骄傲。1944年费米加入美国籍。费米在美国积极参加反法西斯的斗争,他为制造世界上第一个原子弹贡献了自己的才智。

费米对原子弹的主要贡献在于他在发明核反应堆中所起的重要作用。十分显然,这项发明的主要功劳应归于费米。他最先对有关方面的基础理论做出了重大的贡献,随后又亲自指挥第一座核反应堆的设计和建造。战后,费米在芝加哥大学任教授。他于1954年去世。费米一生靓丽耀眼,他先后获得德国普朗克奖章、美国哲学会刘易斯奖学金和美国费米奖。1953年被选为美国物理学会主席。还被德国海森堡大学、荷兰乌特勒支大学、美国华盛顿大学、哥伦比亚大学、耶鲁大学、哈佛大学、罗切斯特大学和拉克福德大学授予荣誉博士。为纪念费米对核物理学的贡献,美国原子能委员会建立了“费米奖”,以表彰为和平利用核能做出贡献的各国科学家。第100个化学元素镄和原子核物理学使用的“费米单位”(长度单位)就是以费米的名字命名的。

费米是一位杰出的老师,循循善诱。其学生中有六位获得过诺贝尔物理学奖。他的博士学生包括:欧文·张伯伦、杰弗里·丘、杰尔姆·伊萨克·弗里德曼、李政道、利奥·雷恩沃特、埃米利奥·G·塞格雷、杰克·施泰因贝格尔、杨振宁。

为纪念这位物理学家,费米国家实验室和芝加哥大学的费米研究所都以他的名字命名。

费米国家实验室

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