恩利克·费米

恩利克·费米（英文名：Enrico Fermi，1901年9月29日~1954年11月28日），出生于罗马，毕业于比萨高等师范学校，并获得博士学位。^[1][13]美籍意大利著名物理学家、意大利国家科学院院士^[13]、美国国家科学院院士，^[14]曾担任美国哥伦比亚大学物理学教授、^[1][7]芝加哥大学原子核研究所教授。^[6]1938年，费米获得物理诺贝尔奖。^[9]他曾指导设计出了“芝加哥一号堆”（Chicago Pile-1），^[8]被誉为“原子能之父”。^[15]

1918年12月初，费米进入比萨高等师范学校学习。^[5]1922年7月费米顺利从比萨高等师范学校结业，并获得比萨大学博士学位。1923年费米获得意大利政府奖学金，他前往德国哥廷根大学进修，并师从马克斯·玻恩教授。^[16][6]1924年至1926年，恩利克·费米在佛罗伦萨大学讲授数学物理和力学。^[6]1926年至1938年担任罗马大学理论物理学教授；1929年当选为意大利皇家学院院士；^[17]1939年，在哥伦比亚大学物理学任教期间，证实了裂变过程的发现，并开始努力实现核链式反应。^[6]1940年，费米和妻子在美国定居。^[18]1942年费米移居芝加哥，在芝加哥大学冶金实验室工作，建造了实验性核反应堆——“芝加哥1号堆”。^[19][20]1944年担任洛斯·阿拉莫斯国家试验室副主任，并参与曼哈顿计划^[20]；1949年，与杨振宁合作，提出基本粒子的第一个复合模型；^[21]1952年，他发现了第一个强子共振-同位旋四重态^[22]。1954年11月28日在芝加哥逝世，终年53岁。^[9]

费米在大学期间开始进行物理实验并研究出了“费⽶坐标系”。^[23]之后，费米相继提出了“费米一狄拉克统计”^[10]和β衰变定理论，^[24]并发现了原子裂变。^[9]1942年到1944年，恩利克·费米设计并指导建造了第一个核反应堆—“芝加哥一号堆”（Chicago Pile-1）。^[6][8]费米是二十世纪唯一在物理学的理论和实验两方面都达到一流水准的物理学家。^[25]费米子、^[26]100号化学元素镄fèi、^[27]费米奖、^[6]芝加哥大学的费米研究院（The Enrico Fermi Institute）^[28]、费米国家加速器实验室等都是为纪念他而命名的。^[29]1976年，恩利克·费米入选美国国家发明家名人堂。^[9]

1901年9月29日，费米出生于罗马的加耶塔路，在家里排行第三。他的父亲是意大利铁路系统的公职人员，母亲是一名教师。^[30]幼年时的费米被寄养在⼀个农场家庭，农场的家庭环境能够帮助他观察、探索并享受自然。^[3]最早发现费米理科天赋的是他父亲的同事阿道夫·阿⽶代伊（Adolfo Amidei），他是一位工程师，在费米前期的学习中起着导师的作用。^[31]

1915年，费米接触了人生中的第一本物理书籍，是⼀套900页两卷本的书，书名是《数学物理基础》。16岁时，费米在阿米代伊的协助下，申请入学意大利⽐萨⾼等师范学校，在他17岁时成功被录取。在这之前，费米在阿米代伊的引导下，学习了拉丁文、德语、法语等。^[5]

1918年12月初，费米进入比萨高等师范学校（Ecole Normale Superieure de Pisa）学习。^[5][13]费米是比萨少数几个学物理的学⽣之⼀。在比萨的头两年，他熟读了当代的法语、德语以及英语教材，并完全吸收。此外，他还查阅了重要刊物，比如学校图书馆订购的德国《物理学杂志》。在阅读的过程中，费米用本子做了许多笔记，而今这些本子都收藏在比萨多莫斯博物馆的伽利略藏品中。^[32]

大三的时候，费米与同窗好友内洛·卡拉拉（Nello Carrara）、佛朗哥·拉塞蒂（Franco Rasetti）开始进行物理实验。在大学期间，费米开始将广义相对论运⽤到重力对带电粒子运动产⽣的影响中，要研究这些，他得有比普通的平面直角坐标系更新也更好⽤的坐标系。费米的解决方案有重大意义，如今这个方案以他的名字命名，称为“费米坐标系”。^[23]1922年7月费米在比萨大学获得博士学位。^[6]

1923年，费米在罗马大学教数学。^[33]他开始深入探讨统计力学中的“吉布斯佯谬”（Gibbs paradox）和“绝对熵shāng常数”（absolute entropy constant）。这项研究导出了费米的第一项工作，导出了“费米分布”“费米球”“费米液体”“费米子”等概念。^[34]

1923年初，费米拿到了由国际教育委员会提供的奖学金，之后前往荷兰莱顿，在荷兰莱顿结识了物理学教授保罗·埃伦费斯特（Paul Ehrenfest），费米还遇到了爱因斯坦。^[35]1923年至1924年间，他在德国哥廷根跟随Max Born学习，在荷兰莱顿跟随保罗·埃伦费斯特学习。1924年开始，恩利克·费米在佛罗伦萨大学讲授数学物理和力学，任期三年。^[6]

1925~1926年，费米与保罗·狄拉克根据维尔纳·海森伯的矩阵力学，各自独立导出“费米一狄拉克统计”，这是费米的名字第⼀次在科学词汇表中现⾝。^[10]之后，费米在1926年11月7日被任命为罗马大学理论物理学教授，^[11]他也是罗马大学的第一位理论物理学教授，在那里他教了12年。^[6]1927年费米遇到了后来成为他妻子的劳拉·卡蓬（Laura Capon），两个人在1928年7月进行了婚礼。^[11]

1928年费米出版过⼀本《原子物理学入门》。^[36]1929年3月，费米入选意大利猞猁之眼国家科学院前30名成员名单，^[37]未满30岁的费米成为意大利最年轻的科学院院士。^[4]

在1930年写给《数学期刊》的⼀篇文章中，费米宣称，对原子核的研究是未来物理学中最重要的问题，并认为有必要修正原子的有效定律。^[38]1933年10⽉，费米参加了索尔维会议，与数十位物理学家针对论题“原子核的结构和性质”进行了讨论和实验。于1934年，费米提出β衰变定理论。^[24]同年，费米与拉塞蒂合作出版了《分子与晶体》（Molecules，Crystals，and Quantum Statistics）⼀书，^[39]这本书还被翻译成多种语⾔，物理学家和化学家都把它当作标准⽂本，⽤来理解还很新的量子力学领域的⼯作。^[40]

1934年3月初，费米开始试着用中子作为投射物来诱导放射性。^[41]之后，他完善了他的放射性射线发射理论，并继续研究通过中子轰击制造人工放射性同位素。他用慢中子轰击铀yóu引起的反应后来被发现是原子裂变。^[9]

1938年，他因在利用核能方面的成就而被授予诺贝尔物理学奖。恩利克·费米被认为是核时代最重要的建筑师之一。^[9]同年，恩利克·费米和他的家人乘船前往美国，此前他曾多次访问美国。在斯德哥尔摩之行之前的几个月里，他一直在美国寻找教学职位，并收到了五所大学的邀请。他选择了哥伦比亚大学物理学教授的职位。1939年，他在那里证实了裂变过程的发现，并开始努力实现核链式反应。^[6]直到1940年，费米和妻子在美国定居了下来^[18]。

1941年底，在爱因斯坦等人的提议下，美国政府决定启动名为“曼哈顿”的原子弹研制计划，费米成为主要的参与者之一。^[4]1942年到1944年，恩利克·费米在芝加哥大学的冶金实验室工作。在斯塔格菲尔德体育场下的一个临时实验室里，他设计并建造了第一个核反应堆，并领导了划时代的实验，证明了第一个自持链式反应。^[6]他作为“曼哈顿计划”顶级的科学技术专家，参与了核弹研制绝大多数的关键环节。^[25]

1944年7月11日，劳拉和恩⾥科·费米在芝加哥地区法院法官面前宣誓效忠美利坚合众国，就此成为美国公⺠。^[2]

从1944年到1945年，他成为新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的副主任，并持续参与了“曼哈顿计划”。 ^{[20] [6]}费米参与的“曼哈顿计划”最终在1945年的7月12日制成了世界上第一颗原子弹。^[4]1945年，费米回到芝加哥，成为核研究所的教授。^[9]1946年，他回到芝加哥大学担任原子核研究所的教授，这个研究所现在以他的名字命名——费米研究所，在此，他恢复了对核和基本粒子物理的基础研究兴趣。^[6]

1949年，费米提出了宇宙线起源理论，与他的学生杨振宁合作，提出了基本粒子的第一个复合模型。^[21]从1950年开始，费米担任原子能委员会总咨询委员会的首批成员之一。^[6]1952年，费米发现了第一个强子共振-同位旋四重态。^[22]

1954年11月16日，艾森豪威尔总统和原子能委员会给恩利克·费米颁发了一个特别奖，以表彰他在物理学方面的终身成就，特别是对原子能的发展。恩利克·费米的其他研究成果包括费米-狄拉克粒子统计、β衰变理论、托马斯-费米原子模型和宇宙射线起源理论。^[6]

在科研生涯的后几年，费米经受了食道癌和胃癌的双重打击，于1954年11月28日逝世于芝加哥的家中，时年53岁。^[4]

1956年设立了恩利克·费米奖，以纪念他这位杰出的科学家，并表彰其他在核物理有高度成就的杰出人士，以费米为榜样激励他人。^[6]

1976年，恩利克·费米入选美国国家发明家名人堂（National Inventors Hall of Fame）。^[9]

1926年，恩利克·费米在他的第一篇主要论文“Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico (in Italian)”中发展了量子统计⼒学，用来描述由大量满足泡利不相容原理（Pauli's exclusion principle）的费米子组成的系统中，粒子处在不同量子态上的统计规律，同时期保罗·狄拉克也独立发现了这一规律，因此该统计被称为费米—狄拉克统计（Fermi-Dirac statistics）。^[42]

1926年，费米和保罗·狄拉克各自独立地发表了有关这一统计规律的两篇学术论文。狄拉克为人谦虚，称此项研究是费米完成的，为了纪念恩利克·费米在这领域所作的贡献，狄拉克将对应的粒子称为“费米子”。^[4]费米子（Fermion）是指在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态（即由一套量子数所确定的微观状态）上只允许容纳一个粒子。^[26]

费米能级是衡量固体材料中能量最低未被占据电子状态的标准，这个概念对于理解固体的电学和热学性质至关重要。在绝对零度（即-273.15°C）时，每种固体都有一个特定的费米能量值，它是不变的常数。随着温度上升或有电子加入、离开固体时，费米能级会发生变化。在固体内部，电子可以存在于许多不同能量的状态，这些特定的能量状态被称为能级。根据量子力学原理，每个能级只能容纳有限数量的电子。^[43][44]

费米能级是一个特殊的基准点，它定义了刚好被电子填满一半的能级。处于费米能级以下的能级通常已被电子完全填充，而高于费米能级的能级则大部分为空。当两种费米能级不同的材料接触时，电子会从费米能级较高的材料流向较低的材料，导致后者费米能级上升，前者下降。最终，两者达到费米能级相等的状态。这种电子转移过程在制造和设计电子设备时具有重要意义，因为它可以帮助我们理解不同材料如何相互作用并有效结合使用。^[43][44]

在20世纪20年代末，费米将重心转向核物理这一研究领域。在这个时间段，放射性一直被认为是源自原子核的现象，然而其中的B衰变过程（即原子核释放出负电子的过程）存在一个困扰科学家的问题：能量和动量似乎在这个过程中并未得到保存，违反了守恒定律。为了解决这个问题，费米借鉴了奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利（ Wolfgang Pauli）此前提出的假设——中微子的存在。这是一种极其难以探测到的基本粒子。费米运用这一理论构建了关于B衰变的新理论，在这个新理论中，能量和动量的守恒得以恢复。这样一来，人们逐渐认识到B衰变实际上是弱相互作用力作用的结果，而弱相互作用力是自然界四大基本力之一，其他三种分别是万有引力、电磁力以及强力。^[13]

1941年，费米和安德森在将铀注入笼状结构中进行了一系列实验，旨在实现裂变产生的能够自我维持的链式反应。为了用通俗易懂的术语描述自持链式反应，费米引入了一个标记为k的系数，也就是著名的中子再生系数。通过将中子被减速的概率、被铀或碳吸收的概率以及最终诱导出裂变的概率综合考虑，相乘得到的便于使用的单一术语称为k。这个术语描述了在每一代中子再生时发生的情况。如果k值大于1，中子数量就会持续增加；如果k值小于1，中子数量就会减少。自持链式反应只有在k值大于1时才有可能实现。^[45]

1942年12月1日，在恩利克·费米的指导、设计下制造出第一台可控核反应堆（self-sustaining nuclear reaction），并首次运转成功，该反应堆被命名为“芝加哥一号堆”（Chicago Pile-1）。该遗址在1965年被指定为注册的国家历史地标。^[8]

“反应堆”这个术语也是费⽶造出来的，因为碳和铀原则上可以组装成任意形状，可以是⽴⽅体，可以是球形，可以是柱状，也可以是任何最恰当的形状。但他们组装出来的就是个“堆”。反应堆越⼤，泄漏就越少。^[45]

1943年10月4日，恩利克·费米见证了X-10石墨反应堆进入临界状态的现象。^[46]1945年7月16日，费米目睹了世界上第一颗原子弹（代号为“Gadget”）的核弹试爆（Trinity test），并正确计算了Gadget的产量。^[47]当时，费米利用简易的手段对爆炸威力进行了估算。当冲击波在爆炸发生后约40秒到达他所在位置时，由于没有风的影响，他将一片大约六英尺长的小纸片扔下，通过观察记录冲击波经过时纸片的偏移距离来判断爆炸强度。最终，纸片的偏移约为2.5米，基于这个数据，他估计这次爆炸的能量相当于一万吨TNT炸药。实际上，三位一体核试验的实际爆炸威力是费米估算值的两倍左右。尽管他的估算仅相差两倍，但考虑到他仅仅依靠几片纸作为测量工具，这样的估算结果已相当准确。^[47]

1949年，费米揭示宇宙线中原粒子的加速机制，研究了π介子、μ子和核子的相互作用，并提出宇宙线起源理论。^[22]

1949年，费米与杨振宁合作，提出基本粒子的第一个复合模型。^[22]

1952年，费米发现了第一个强子共振──同位旋四重态。^[22]

恩利克·费米生前在《自然》（Nature）、《物理评论》（Physical Review）、《理论物理学进展》（Progress of theoretical physics）等学术期刊上发表250多篇科学论文，^[22]代表论文有：

在1950年的某次非正式学术研讨中，费米与同行物理学家就飞碟及外星生命存在的可能性展开了讨论，并提出了一个引人深思的疑问：“他们都在哪儿呢？”这一疑问后来被广泛解读为“费米悖论”，它揭示了一个逻辑上的矛盾：基于银河系可能存在大量高度发达的地外文明假设，若按照人类现有的技术水平推断，理论上只需耗费百万年的时间即可实现对银河系各星系的探索与抵达。因此，倘若存在比人类早进化百万年的外星文明，理应已经到达并存在于地球的某个角落。^[53]

换言之，“费米悖论”凸显了如下悖论性结论：一方面，依据科学推理和宇宙生物学理论，有理由相信存在时间上远超人类演化进程的地外智慧生命；另一方面，迄今为止，人类并未在任何观测数据或实际证据层面发现支持地外文明存在的实质性线索。^[53]

姓名荣誉备注照片埃米利奥·吉诺·塞格雷（Emilio Gino Segrè，1905年2月1日—1989年4月22日）^[54]1959年获得诺贝尔物理学奖博士生杨振宁（1922年9月出生于安徽合肥）^[55]1994年当选为中国科学院外籍院士2016年转为中国科学院院士^[55]硕士李政道（Tsung-Dao Lee，1926年11月24日）^[56][57][58]1957年获得诺贝尔物理学奖博士生

时间荣誉表彰授予单位1924年洛克菲勒基金会奖学金（Fellowship）洛克菲勒基金会（Rockefeller Foundation）^[59]1926年马泰乌奇奖章（Matteucci Medal）意大利科学院^[60]1929年意大利皇家学院院士（Member）意大利皇家学院（Royal Academy of Italy）^[61]1938年诺贝尔物理学奖（Nobel Prize in Physics）瑞典皇家科学院（Royal Swedish Academy of Sciences）^[17]1942年休斯奖章（Hughes Medal）英国皇家学会^[62]1945年美国国家科学院院士（Member）美国国家科学院（National Academy of Sciences）^[63]1949年爱丁堡皇家学院院士（Fellow）爱丁堡皇家学院（Royal Society of Edinburgh）1954年费米奖（Enrico Fermi Award）美国原子能委员会^[6]1954年普朗克奖章（Max Planck Medal）德国物理学会（Deutsche Physikalische Gesellschaft）^[64]——荷兰乌特勒支大学荣誉博士荷兰乌特勒支大学（Universiteit Utrecht）^[65]——美国华盛顿大学荣誉博士美国华盛顿大学（University of Washington）^[65]——哥伦比亚大学荣誉博士哥伦比亚大学（Columbia University in the City of New York）^[65]——耶鲁大学荣誉博士耶鲁大学（Yale University）^[65]——哈佛大学荣誉博士哈佛大学（Harvard University）^[65]——罗切斯特大学荣誉博士罗切斯特大学（University of Rochester）^[65]

“献给罗⻢⼤学恩⾥科·费⽶教授。他鉴定了由中⼦轰击产⽣的新放射性元素，与这项⼯作相关，他还发现了由慢中⼦引发的核反应。”——1938年费米所获诺贝尔奖的授奖词^[66]

“在20世纪30年代研究人工放射性同位素的创造时，恩利克·费米成为第一位分裂原子的物理学家，他的研究是核能发电的先驱。”——美国国家发明家名人堂^[9]

“恩利克·费米将他的研究重点放在原子核上，为β衰变理论做出了贡献。”——洛斯·阿拉莫斯国家试验室^[47]

“恩利克·费米被称为“核物理学领军人物”，同时他对电子气体的统计，原子本身的统计模型以及对放射性的理解作出了重大贡献。”——费米国家加速器实验室^[65]

“因为他发现了中子轰击产生的新放射性元素，并在这项工作中发现了受慢中子影响的核反应。四年的耐心研究；装满铍粉和氡dōng的破损和未破损的管子；沿着物理楼的大厅激烈地赛跑，把一个又一个元素冲到盖革计数器上，他们为恩利克·费米赢得了诺贝尔奖。”——恩利克·费米的妻子劳拉的书《家庭中的原子》^[6]

“只要这世上还有故事在传颂，第⼀个原⼦炉如何燃起的故事就⼀定还会⼝⽿相传，因为这肯定是⼈类在拓展认知的过程中最具戏剧性的时刻之⼀。费⽶博⼠1938年来美国避难，对这个国家来说真是吉星⾼照。按照现⾏的移⺠法规，他很可能不会被接受。原⼦时代之⽗中的其他移⺠也有可能跟他⼀样被美国拒之门外。”——哥伦⽐亚⼴播公司（CBS）的晚间新闻中爱德华·默罗（Edward R. Murrow）报道^[67]

“他永远脚踏实地。他的能力极强，却不滥用影响，也不哗众取宠，或巧语贬人。”——1957年诺贝尔物理学奖获得者杨振宁^[68][34]

1938年，恩利克·费米因为发现了中子轰击产生的新放射性元素被授予诺贝尔物理学奖。^[9][6]后来证明用慢中子轰击铀引起的反应是原子裂变。^[9]艾达·塔克-诺达克（Ida Tacke-Noddack）质疑恩利克·费米的说法，指出恩利克·费米没有做一个完整的分析，他所发现的都是铀的裂变产物。实际上，恩利克·费米在实验中发现了核裂变，只是他没有意识到这一点。^[69]

恩利克·费米的祖籍在意大利波河河谷中的皮亚琴察，其父亲阿尔贝托·费米（Alberto Fermi）24岁起，就职于意大利北部铁路的公司，之后担任管理一职直到退休。1905年，恩里科的父亲成为意⼤利铁路系统的国家公务员，在多年从业期间，阿尔贝托⽐的组织能力和工作精神，也影响了他的儿子恩利克·费米。费米的母亲伊达·德·加蒂丝（Ida De Gattis）是⼀个军官的女儿，出⽣于普利亚地区的巴里市，后来成为了一名教师。^[30]

恩利克·费米是他们的第三个孩子。^[77]恩利克·费米的妻子劳拉·卡蓬（Laura Capon）具有犹太血统，这也导致此后为了逃避意大利的反犹太主义法律而全家移居美国。^[70]恩利克·费米在与朋友的足球比赛中遇到了16岁的劳拉·卡蓬，1928年，他们结婚了。^[47]他们育有一个女儿内拉和一个儿子朱利奥。^[12]

1952年11月，在埃内韦塔克环礁展开的热核武器试验（常春藤麦克行动）中，首次形成了镄（Fermium）。^[78]镄为人造放射性元素，元素符号为Fm，金属元素。化学性质类似稀土元素。1952年，美国加州大学伯克利分校教授吉奥索带领团队首次发现镄，而后为了纪念物理学家费米将此元素命名为镄。^[27]

1954年，美国政府机构原子能委员会设立费米奖（Enrico Fermi Award），以表彰他一生在物理学方面的成就，特别是他在原子能发展中所起的重要作用。这是一项国际奖，恩利克·费米去世前成为首位获奖者。^[6]费米奖每年颁发一次，用来奖励在核物理有高度成就的杰出人士，候选人由美国全国科学院院士、各科学技术学会的官员投票选出。费米奖获得者将获得由美国总统和能源部长签署的奖状、一枚刻有恩里科·费米肖像的镀金奖章以及10万美元的奖金。^[29]

1955年11月，芝加哥大学核研究所（The Institute for Nuclear Studies）更名为恩利克·费米核研究所（The Enrico Fermi Institute for Nuclear Studies）。1968年1月，更名为恩利克·费米研究所（The Enrico Fermi Institute）。^[28][79]

1967年，以恩利克·费米名字命名的费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory，缩写为Fermilab或FNAL）建立，这是美国物理学研究中心之一，位于美国伊利诺斯州巴达维亚附近的草原上。它官方上属于美国能源部（United States Department of Energy），但也隶属于芝加哥大学和大学研究协会（Universities Research Association），并由这两个机构负责其运作。费米实验室的1750名员工包括来自世界各地的科学家和工程师。费米实验室在美国和其他地方与50多个国家合作进行物理实验。^[80]