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恩里科·費米1901年9月29日－1954年11月28日），美籍意大利裔物理學家。他對量子力學、核物理、粒子物理以及統計力學都做出了傑出貢獻，並參與創建了世界首個核反應堆，芝加哥1號堆。他還是原子彈的設計師和締造者之一[1]。 費米擁有數項核能相關專利，並在1938年因研究由中子轟擊產生的感生放射以及發現超鈾元素而獲得了諾貝爾物理學獎。他是物理學日漸專門化後少數幾位在理論方面和實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一[2]。
費米在統計力學領域做出了他第一個重大理論貢獻。物理學家沃爾夫岡·泡利1925年提出了泡利不相容原理。費米依據這一原理對於理想氣體系統進行了分析，所得到的統計形式現在通常稱作費米–狄拉克統計。現在，人們將遵守不相容原理的粒子稱為「費米子」。之後，泡利又對β衰變進行了分析。為使這一衰變過程能量守恆，泡利假設在產生電子時同時會產生一種電中性的粒子。這種粒子當時尚未觀測到。費米對於這一粒子的性質進行了分析，得出了它的理論模型，並將其稱為「中微子」。他對β衰變進行理論分析而得到的理論模型後來被物理學家稱作「費米相互作用」。這一理論後來發展為弱相互作用理論。弱相互作用是四種基本相互作用之一。費米還對由中子誘發的感生放射進行了實驗研究。他發現慢中子要比快中子易於俘獲，並推導出費米壽命方程來描述這一放射過程。在用慢中子對釷核以及鈾核進行轟擊後，他認為他得到了新的元素。儘管他因為這一發現而獲得了諾貝爾物理學獎，但這些元素後來被發現只是核裂變產物。
費米1938年逃離意大利，以避免他的夫人勞拉因為猶太裔出身而受到新通過的意大利種族法波及。他移民至美國，並在第二次世界大戰期間參與曼哈頓計劃。費米領導了他的團隊設計並建造了芝加哥1號堆。這個反應堆1942年12月2日進行了臨界試驗，完成了首次人工自持續鏈式反應。他之後着手建造位於田納西州橡樹嶺的X-10石墨反應堆和漢福德區的漢福德B反應堆。這兩個反應堆先後於1943年和1944年進行了臨界試驗。他還領導了洛斯阿拉莫斯國家實驗室的F部，致力於實現愛德華·泰勒設計的利用熱核反應的「超級核彈」。1945年7月16日，費米參與了三位一體核試，並利用自己的方法估算了爆炸當量。
戰後，費米參與了由羅伯特·奧本海默領導的一般顧問委員會，向美國原子能委員會提供核技術以及政策方面的建議。在得知蘇聯1949年8月完成了首次原子彈爆炸試驗後，費米從道德以及技術層面都極力反對發展氫彈。他1954年在奧本海默安全聽證會上為奧本海默作證。但奧本海默最終仍是被剝奪了安全許可。費米對於粒子物理，特別是π介子以及μ子的相關理論，做出了重要貢獻。他推測宇宙射線產生於星際空間中受磁場作用加速的物質。在他身後，有許許多多以他的名字命名的獎項、事物以及研究機構，其中包括：恩里科·費米獎、恩里科·費米研究所、費米國立加速器實驗室、費米伽瑪射線空間望遠鏡、恩里科·費米核電站以及元素鐨。
戰後
二戰末期，芝加哥大學開始轉移核子研究焦點，從戰爭轉為和平用途。1945年7月1日，費米被聘為芝加哥大學的教授。之後不久，「核子學術研究所」成立。[3]同年12月31日，費米一家從洛斯阿拉莫斯回到了芝加哥[4]。1946年7月1日，冶金實驗室被升格為阿貢國家實驗室。這也是自曼哈頓計劃中衍生出來的第一個美國國家實驗室。[5]由於芝加哥和阿貢距離很近，因而費米可以在兩地間輕鬆周轉。在阿貢，他與利昂娜·馬歇爾一起研究中子散射[6]。他還幫助瑪麗亞·梅耶深入理解自旋-軌道耦合。梅耶後來獲得諾貝爾物理學獎的研究也是受這一點的啟發。[7]
1947年1月1日，曼哈頓計劃正式被美國原子能委員會取代[8]。費米在由奧本海默領導的原子能委員會一般顧問委員會中擔任顧問[9]。他每年還會在洛斯阿拉莫斯度過數周[10]。在那裡，他與尼古拉斯·梅特羅波利斯聯合進行一些研究[11]，並與約翰·馮·諾伊曼一起研究瑞利－泰勒不穩定性。
1949年8月，蘇聯首顆原子彈試爆成功。費米與拉比向原子能委員會提交了一篇措辭較為激烈的報告，從道德層面以及技術層面上強烈反對發展氫彈。[12]但費米還是成為了洛斯阿拉莫斯氫彈研究團隊的顧問。他與斯塔尼斯拉夫·烏拉姆合作計算得出泰勒模型中所需的氚的數量儘管大到驚人，但仍不能保證核聚變能夠持續傳遞。[13]1954年，費米出席了奧本海默安全聽證會為奧本海默作證。但奧本海默的安全許可最終仍被剝奪了。[14]
費米晚年還培養了一批優秀的物理學家。他戰後的博士生包括歐文·張伯倫、傑弗里·丘、傑爾姆·弗里德曼、馬爾溫·戈爾德貝格爾、李政道、阿瑟·羅森菲爾德以及薩姆·特雷曼等人[15][16]。他還是傑克·施泰因貝格爾碩士研究生階段的導師[17]。
費米還為粒子物理學做出一些重要貢獻，其中包括他對於π介子以及μ子的研究。他首次預測了π介子-核子共振[11]。他在這些研究中主要採用統計方法，因為他知道在理論不甚精確時不必求得精確解[18]。在一篇與楊振寧聯合署名的論文中，費米推測π介子可能是一種複合粒子[19]。這個猜想後來被坂田昌一發展為坂田模型。最終坂田模型又被夸克模型取代。在這一模型中，π介子是由夸克組成的。這一模型最終完善了費米模型，並驗證了他的方法的正確性。[20]
費米還曾做過宇宙射線的相關研究。他認為宇宙射線是由在星際空間中受磁場作用加速的物質粒子產生的。但這與泰勒的看法相左。[18]費米還曾研究過旋渦星系的旋臂中的磁場[21]。他還曾提出有關地外文明的「費米悖論」[22]。
在行將去世時，費米對於社會大眾能否在核技術相關問題做出明智選擇表示質疑。他說：
| “ | 你們也許會問，（科學家）辛苦求索那些事實到底有什麼好處？這除了會使那些衣褸襤衫並樂於去收集這些事實的教授高興外，對於其他人貌似並沒有用處，因為只有那些頂尖的專家才能理解它們。為了回答這樣的問題，我斗膽做一個較為有把握的假設。 科學和技術的發展史不斷地告訴我們，基礎科學的進步成果或早或晚都會在技術及工業領域獲得應用，而這已經引起我們生活方式上的革新。我並不認為物質結構相關的研究會是個例外。但我並不那麼確定，人類會在如何合理獲取自然的能源這一問題上迅速能有成熟的看法。儘管我們都熱切地期望着這一點。[23] |
” |
1954年，費米因胃癌在芝加哥的家中去世，享年53歲[1]。他被葬在橡樹林公墓[24]。
影響與榮譽
「簡單」二字可以總結費米的個人生活。他極富活力，喜愛運動。而他好勝的天性也在這些方面有所體現。他的網球打法非常兇狠。在登山時，他也常常擔當嚮導。同行者有時會把他叫作「仁慈的獨裁者」。我記得有一次在山頂上，費米起身對我們說：「現在是一點五十八分，我們兩點時下山。」沒有人敢說不。這樣的領導能力與自信讓他成為物理學界無謬誤的「教皇」。他曾說：「我只用一個係數2就可以將一個物理問題推導數頁。有時那些物理學家要花整整一年才能把方程的一個係數求出來，而我對（求係數）這件事並不是那麼感興趣。」他的領導才能甚至可能會讓與他共事的人失去獨立工作的能力。我記得有一次在他家舉行的聚會上，我太太剛要切麵包，費米走過來說他有新的切麵包的方法，然後順手從我太太的手中拿過來刀，切起麵包來。他總是相信他的方法更為優越。但沒有人因此感覺受到冒犯。人們反而對費米這個人非常着迷。他很少對物理學之外的東西能感興趣。有一次在聽我彈泰勒的鋼琴時，他坦承地說只對那些簡單的歌曲感興趣。
對於後世的影響
費米因為他的成就獲得過許多榮譽，其中包括馬泰烏奇獎章（1926年）、諾貝爾物理學獎（1938年）、休斯獎章（1942年）、富蘭克林獎章（1947年）以及拉姆福德獎（1953年）。1946年，他還因對於曼哈頓計劃做出的貢獻而獲得功績勳章。[26]1950年，費米被選為英國皇家學會的外籍會士[25]。在被稱為「意大利的先賢祠」的聖十字聖殿中也立有費米的紀念碑[27]。1999年，費米又入選了《時代周刊》評選的「20世紀最具影響力的100個人」[28]。費米被公認為20世紀少數幾位在理論方面以及實驗方面皆能稱作佼佼者的物理學家之一。物理學史專家C·P·斯諾這樣寫道：「如果費米早生幾年，也許發現原子核並發展出氫原子玻爾模型的人都將是費米。如果這聽起來像是在誇張的話，那麼費米所做過的一切就更不像是現實了。」[29]
尤金·維格納晚年時在自傳中寫道：「費米是我認識過的最偉大的人物之一... 費米的β衰變理論深深地啟迪了我。在20世紀30年代中期，物理學上的大多數進展好像都或者來自在英國劍橋大學的查德威克（James Chadwick）的實驗室，或者來自在羅馬的費米實驗室。 ... 費米期初是作為一名理論家工作的，但現在他卻差不多總是呆在實驗室里。 ... 是查德威克在1932年首次發現了中子。但費米的隊伍做出了進一步的發現：可以把中子減慢，以引起一個原子發生人工嬗變。 ... 我們試圖去幫助他，但費米憑着他的魄力和技藝指引着工作的進行，並不需要多少幫助。他不是一個優柔寡斷的人。在物理學的那個國際小圈子裡，費米的名字獲得了最高的尊敬。因此，如果他需要大量的石墨，就會有人很快送給他。他不需要給他的助手們下命令。他們都自然而然地吸取他的建議。費米最驚人的品格，同時表現在他的科學工作和他的人際關係這兩方面。 ... 他不花多少時間去揣摩他的同事和朋友們；但他很難得對他們判斷失誤。費米不僅能力很強，而且和藹可親。並且，儘管名望很高，他從不裝腔作勢.
費米在教學方面也是成績斐然。他以注重細節、講求簡潔、備課認真著稱於世。[30]他的講義後來都被改編為教科書[31]。他生前的論文以及筆記現在收藏在芝加哥大學[32]。維克托·魏斯科普夫曾說：「（費米）總是能規避複雜、繁瑣的過程並找到最為簡潔、直接的方法。」[33]費米解決物理問題的能力很大程度上是因為他的本性驅使他規避完美主義，而去追求實際結果。他厭惡煩雜的理論。儘管掌握高超的數學技巧，但在能用更為簡單的方法處理問題時他都不會去使用這些技巧。他以能快速得到較為準確的答案著稱。後來，這種快速得出近似解的方法被人們稱作「費米方法」，受到廣泛效法。[34]
費米曾說亞歷山德羅·伏打本人在實驗室做研究時可能也並不知道電學將來會如何發展[35]。他在核能以及核武器方面的貢獻受到人們的銘記，特別是他設計製造了史上首個反應堆，並在首顆原子彈及氫彈的研製過程中做出了重要的貢獻。他的一項項科學功績經受住了時間的考驗。這些工作包括對於β衰變的理論解釋，對於非線性系統的研究，發現慢中子在誘導放射性時的作用，對於π介子－核子碰撞的研究以及費米－狄拉克統計。後世對於夸克與輕子的研究正是源於他假定π介子並非基本粒子。[36]
後世對他的紀念
費米身後有許許多多的事物是以他的名字命名的。這包括位於伊利諾伊州的費米實驗室此外，還有三座核反應堆設施是以他的名字命名的，分別是位於美國密歇根州的恩里科·費米核電站、位於意大利特里諾的恩里科·費米核電廠[37]以及位於阿根廷的RA-1恩里科·費米反應堆[38]。第100號元素鐨也是以費米的姓氏命名的。這種元素是在1952年常春藤麥克核試的輻射落塵中發現的。與這種元素一起被發現的還有第99號元素鎄。[39][40]1956年，美國原子能委員會將其頒發的最高獎項命名為費米獎。奧托·哈恩、羅伯特·奧本海默、愛德華·泰勒以及漢斯·貝特等知名科學家都曾獲授該獎。[41]
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