最后一位文武双全的费米.docx

最后一位文武双全的费米图形公式不烦恼今天恩利克费米（意大利文：Enrico Fermi，1901年9月29日1954年11月28日），美籍意大利著名物理学家、美国芝加哥大学物理学教授，1938年诺贝尔物理学奖得主。以下是网传的,与费米有关趣事，博你一笑，真假自辨。1费米是一位善于启发人的教育家。为了开发学生们的智力和才能，费米提出一种处理难题的思维方式。他说，当你听到一个问题，可你对问题的答案丝毫都不知道，你肯定会认为所提供的信息或已知条件太少了，因而无法解决它；但是当这个问题被分解成几个次级题，每个问题不用求教专家或书本都能解答时，你就接近于得到准确的答案。这就是将复杂问题分解成简单问题或熟悉问题来处理的方法。2上个世纪40年代的一个早晨，世界第一颗试验原子弹在美国新墨西哥州沙漠上爆炸，40秒钟后，震波传到费米和他的学生们驻扎的基地，费米把一些碎纸屑扔向空中让其随风飘落，然后通过迅速计算，费米向他的学生们宣布爆炸的能量相当于1万吨烈性炸药，学生们非常佩服，但并不惊奇。3费米夫人著的原子在我家中介绍这个堪称20世纪物理学界最后一个全才，在理论和实验上都有非常深的造诣，而且后来取得成功的弟子“如长江之水，连绵不绝”。另外说一句，杨振宁的博士生导师不是费米，而是泰勒，李政道才是费米的嫡传弟子。4费米真的是可以跟爱因斯坦，玻尔比肩的大师，非但目光锐利，善于抓住主要问题，而且思维敏捷，实验理论都是第一流，还会教学生，作为一个物理学家，简直是完美。关于场论，刚开始大家特别糊涂，自己算出来的是什么东西都不知道，只知道算，是费米发表了一篇文章，结束了混乱。5费米有次在讨论班上讲群论，他先讲了A ，再是B ，然后是讲了老半天，才讲到群的定义。学生就抱怨啊，说：怎么讲得这么乱。费米突然来了句：“群论就是一堆定义的堆砌而已。”6费米对物理学家的分类：a.某些他认为自己可以从对方身上学到一点东西的(在50年代的芝加哥，这样的人只有一个，盖尔曼）；b.有勇气反对他的人(不幸的是，费米通常认为自己是对的)；c.能够几乎自动的接受他的想法的人，这种人可以做助手。7迈耶（玛丽戈佩特迈耶），就是那个女物理学家。企图解释原子核的壳层模型，怎么都不成功，去问费米，费米回问了一句，“你考虑过自旋轨道耦合没有？”迈耶回去做，就成功了！8搞原子弹的时候，很多是涉及保密，人手一个密码柜，结果很多人经常忘了密码，或者本人正好不在，同事们却要使用他锁起来的资料。当时费米就极擅长开这种密码锁，有一次他去了趟另一个部门，走后该部门就有文件下来：凡是费米碰过的柜子，统统换密码。9费米小时候很聪明，高中毕业去投考比萨大学(就是斜塔那个比萨)，入学考试要求个人交一篇论文，费米同学就写了一篇论声音，其中写出了一根杆震动的偏微分方程，然后用傅里叶变换分析得到了结果。把主考官吓了一大跳，专门面试他，并告诉费米说，“你前途无限。”10费米在读大学的时候就很厉害了，只不过好像费米读的那个大学倒不是很有名。学校里有一个老教授有一次请教费米有关爱因斯坦的相对论是怎么回事。费米虽然知道，但是觉得学生教老师似乎不太好。那个老教授倒是挺坦然，恳求费米指教。后来，费米答应了，相当于给他开了门“相对论导论”，那时他上大二。11费米受罗马大学物理系主任的聘请，到了罗马大学执教，那时的费米还特别年轻。那个主任同时也是政府议员，很想把他的物理系打造得响当当的。在费米之前，他就请了一个“老家伙”。这个“老家伙”学术上一般，但是非常嫉恨费米，因为费米抢了本属于他的第一把交椅嘛。物理系虽然请来了费米，但是没学生，因为那时候，学生和家长都认为学物理还不如去修道院，相当没有前途。大部分学生都学电气之类，就像现在都学计算机一样。不过也有另类，当时学校里有个学生叫塞格雷，他就放弃原来的专业，投奔费米去了。只是他的物理基础实在太差，搞得费米每天晚上，都得专门辅导他。12有一年，在意大利召开了物理学国际会议，很多大师们都去了（好像爱因斯坦没去），塞格雷也厚着脸皮跟着费米去了。他也没闲着，负责擦黑板，并且曾引起居里夫人的注意（她批评黑板擦得不干净）。其实塞格雷也挺强的，参加了美国那个搞原子弹的什么计划（曼哈顿计划），后来还得了诺贝尔奖（不愧是名师出高徒）。不过当初他博士答辩的时候，也不是很爽。前面说的那个“老家伙”故意为难他，结果别人都给A，到他那就不给，最后答辩通过了，但是没得优，当时是一票否决制，曾有人说：“那些规则都是白痴定的”。13跟塞格雷投奔费米的，还有一个学数学的，聪明的一塌糊涂，经常让数学教授下不来台。有一次，费米拿计算尺和笔纸（计算尺是什么东西？自己科普一下吧），那个家伙用脑袋想，两个人比赛，结果打成平手。那么费米的计算能力怎么样呢？费米、奥本海默他们爆炸原子弹的时候，费米就在安全距离之外，手里拿张纸，原子弹的冲击波来了，他把纸一仍，就算出爆炸的能量大约是多少了。14说道费米的学生也了不得，比如当年从美国去罗马跟费米的五个 ：Postdoc、贝特（Bethe）、Edward Teller、George Placzek、布洛赫（Felix Bloch） 和 Rudolf Peierls，这里面贝特和布洛赫获得了诺贝尔奖。费米在芝加哥带的博士如下：George Farwell、Anderson、Wattenberg、Harold Agnew、Goeffrey Chew、Marvin Goldberger、Jack Steinberger、Owen Chamberlain、Richard Garwin、李政道（T.D. Lee）、Uri Hasber-Schaum、Orear、John Rayn、Schluter、Rosenfeld、Horace Taft 和 Jerome Friedman，其中四个是诺贝尔奖获得者！15和费米比，其实得诺贝尔奖的物理学家中很多人不会带学生，费曼是一个，爱因斯坦更是典型，好像一个好学生都没有。费曼自己也承认不是个好老师，因为他一见到问题就想自己做出来。爱因斯坦呢？好像他习惯自己孤独的行走，也许是因为他也知道自己的方向太难，而且当时太偏，不愿意耽误学生。泡利有什么好学生吗？海森堡？狄拉克? 好像都没有。狄拉克是个典型，讲课只顾自己，别人说没听懂，他就照刚才讲的原样重复。泡利估计是对学生太凶了，曾经批评学生的论文， 连错误都算不上。16费米的科学兴趣源自他的哥哥，而后者的意外去世造就了费米不爱与人交往只爱科学的性格。17费米所有的学习完全靠自学，书不看二遍，10多岁时看过的书30年后仍然会背。18费米上学时曾经伙同同学伪造化学实验数据，以此逃避实验课，因为他认为已经知道结果的实验没有意义。19费米是那个年代意大利唯一一位站在物理前沿的人，他在读大学时就为教授们开设讲相对论的课程，他的博士论文遭到冷遇因为没有人懂。20费米在度假时用几本笔记本和一只铅笔一蹴而就写成后来的意大利统编教材，过程中一字不改一笔不停。21塞格雷本非物理学出身，受费米影响决心转入物理系，但是由于一门实验课没有修而不符合转系要求，该门课老师找到成绩记录员，斥责其怎会忘记将得到满分的塞格雷的成绩登记入册，该可怜人马上道歉，塞格雷得以进入物理系。22费米很早就有移民美国的打算，受制于意大利政府对于教授出国所带经费的限制未能成行，在领诺贝尔奖之后马上去美国，他认为诺贝尔奖对他而言最重要的就是那笔奖金。23杨振宁当年仰慕费米而来到美国，可惜费米正在造原子弹，杨遂跟随氢弹之父泰勒。4年后李政道来到美国，正好费米归来，李成为其博士生，杨实际上是其博士后，1950年李政道毕业，拿到他一生唯一拥有的一张文凭。24费米时代的芝加哥大学不算名校，所以才会允许没有文凭的李政道旁听课程，李正是凭在课上的优异表现引起费米注意。25费米的学生以及准学生中有近20人获得诺贝尔物理学奖，可惜他们的得奖以及芝加哥大学的兴盛都是费米死后之事。26与美国推崇的思维式教育不同，费米极其重视计算能力，曾叮嘱李政道不要相信没有自己计算过的数据，李的博士论文就是涉及大量计算的白矮星钱德拉塞尔极限修改。28费米的物理直觉很少，杨振宁曾回忆费米与泰勒的区别，前者idea极少，有则必是重大发现，后者idea无数9错1对，但自己更受后者影响。29费米几乎从不做笔记，包括听报告，唯一的例外是晚年在一个关于量子场论的报告会上，他记下施温格关于微扰计算的冗长过程，费曼在这里介绍了他的费曼图，事后费米竟然对此毫无印象。30二次大战之后，美国成立了原子能委员会（Atomic Energy Commission 简称AEC）以掌管与原子能有关的事物。这委员会之下还有一个由总统任命的顾问委员会（General Advisory Committee简称GAE），成员是科技专家，任务是对AEC提供技术指导。GAE成立於一九四七年，欧本海默是GAE的第一任主席，费米是原始成员之一。一九五年，费米任期届满要辞职不干。欧本海默为此专程到芝加哥大学拜访费米，想说服他留任。费米坚持不肯，他对欧本海默说：你知道在这些政治事务上，我对自己的意见没有完全的把握。欧本海默听了很感动，所以告诉杨这件事。杨评论说：我想一百个物理学家里头，恐怕只有一个人会辞掉这么重要的一个聘任。31一九四五年七月，曼哈坦计画在起步约三年之后终於成功造出来了。但是接下来的问题并没有更容易：该不该将这些派上用场？那时纳粹德军已经败亡，所以当初制造的假想目标已消失。不过日本还在负嵎顽抗，美军伤亡仍大，尤其是美军万一不得不登陆日本本土的话；如果将转用於日本说不定可以提前结束战争，减少伤亡。但是的威力非同小可，一定造成重大伤亡，美国如成为第一个使用原子武器的国家，在道德立场上恐怕受人非议。美国政府成立了一个临时委员会来考虑是否该用上。委员会主席是战争部长史汀生，成员包括哈佛大学校长、麻省理工学院校长、海军次长、科学研究办公室主任等人。这委员会指派了一个科学顾问组提供谘询，四位成员是欧本海默、费米、劳伦斯、康普顿；这四个人除了欧本海默之外，都是诺贝尔物理奖得主。临时委员会最终建议杜鲁门总统应该尽快用对付日本。曼哈坦计画总负责人葛罗伏斯后来认为，与其说杜鲁门总统同意了投掷，不如说他没有反对这么做；在当时无论任何人都得有极大的勇气才能说不（见叙述历史的比一千个太阳还亮（Brighter Than a Thousand Suns）一书）。科学顾问组的智者显然也没有勇气反对这项建议。不过当时仍有不少科学家反对投掷，例如当初鼓动爱因斯坦上书罗斯福总统重视原子能研究的齐拉德（Szilard），就取得了数十位科学家的连署，呼吁杜鲁门千万要慎重。这些人准备了一份报告反对临时委员会的建议，他们认为不预警地对日本使用核子武器是不恰当的。如果美国这么做，她会失去全球的支持，而且促发军备竞赛。费米很清楚齐拉德的立场，他私底下或许也颇同情齐的作为，毕竟这是关乎无数生命的事情。但是费米从未对於这些政治问题公开地表达他的观点。认识他的人认为他的性格不允许他公开反对科学顾问组其他成员的意见。我相信费米一定有过心灵上的挣扎，也了解人间事务的微妙与复杂。他后来选择退出GAE，说明了他很在乎这些道德问题，也自知对於这些问题没有过人的想法。32费米于1938年获得诺贝尔物理奖。但是就在这时他却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。33在1939年初，据李泽梅特纳、奥特哈尔姆和弗里茨斯特拉斯曼报导，中子被吸收后有时会引起铀原子裂变。这项报导发表后，和其他几位主要的物理学家一样，费米立即认识到一个裂变的铀原子可以释放出足够的中子来引起一项链式反应，而且还和另外几位物理学家一样，费米马上就预见到这样的链式反应可用于军事目的潜在性。1939年3月，费米与美国海军界接触，希望引起他们对发展原子武器的兴趣。但是直到几个月后阿尔伯特爱因斯坦就此课题给罗斯福总统写了一封信以后，美国政府才对原子能给予重视。34在1950年的一次非正式讨论中，诺贝尔奖获得者、物理学家费米在和别人讨论飞碟及外星人的问题时，突然冒出一句：“他们都在哪儿呢？”，如果银河系存在大量先进的地外文明，那么为什么连飞船或者探测器之类的证据都看不到。对这个话题更加具体的探讨最早出现在1975年麦克哈特的文章中，有时也被叫做麦克哈特悖论。另一个紧密相关的问题是大沉默即使难以星际旅行，如果生命是普遍存在的话，为什么我们探测不到电磁信号？有人尝试通过寻找地外文明的证据来解决费米悖论，也提出这些生命可能不具备人类的智慧。也有学者认为高等地外文明根本不存在，或者非常稀少以至于人类不可能联系得上。地球殊异假说有时被认为为费米悖论提供了一种解释的答案。35上世纪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，人们认为元素周期表上最后一个元素是92号元素铀。但是当用中子轰击时，他们发现铀被强烈地激活了，并产生出好多种元素。他们认为，在这些铀的衰变产物中，有一种是原子序数为93的新元素。这是由于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，费米研究小组未解决这个谜团，却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。19