序
　　对物理学稍有了解的人都不会对恩利科·费米这个名字感到陌生。这位在53岁的盛年之际便过早离开人世的科学巨匠在他相对短暂的一生中留给后人的是现代物理学理论的众多奠基之作以及一个崭新而充满挑战的原子能时代。
　　激动人心的现代物理学史上群星璀璨，然而像费米这样在理论与实验两方面都成就卓著的实在寥寥。无论是驾驭纯粹的抽象问题还是设计完全具体实用性的实验装置，他都显示出不凡的天赋──这位科学奇才的多才多艺令人惊叹。而他简洁清晰的授课风格和循循善诱的为师之道又使他成为一名出色的教师──他在芝加哥大学执教期间培养出许多优秀的理论家或实验家，其中四人后来荣膺诺贝尔奖（杨振宁、李政道、张伯伦、斯坦博格）。
　　就让我们怀着崇敬之情回顾这位科学巨匠所走过的路吧。
（一） 锋芒初露
　　1901年9月29日，恩利科·费米出生在意大利罗马一个并不富裕的家庭，父亲是交通部的一位稽查长，母亲是一位小学教师。 费米是家中最小的孩子，他上面有一个姐姐还有一个长他一岁的哥哥。兄弟俩非常友爱而且功课都很优秀。在还是少儿的年纪上他俩便设计制造了一台电力发动机，并能操作自如；他们绘制的飞机发动机图纸使专家们不相信是出自儿童之手。不幸的是，在费米14岁那年，哥哥因患喉疮死在了手术台上。在失去哥哥的忧伤日子里，本来就羞涩寡言的小费米更加孤独和寂寞，他解脱的办法就是更加发奋读书。家境不佳而又爱书如命的他揣着极少的零花钱，成了旧书摊的常客。父亲的一位同事阿米第非常赏识小费米的天资，把自己的许多数学和工程的书借给他看。在这段时期，费米在物理学和数学方面打下了坚实的基础。不满足书本的他还和好朋友柏西柯一起动手做实验，比如他们曾研究过地球磁场和陀螺运动。
　　中学毕业后，在阿米第的建议下，17岁的费米以优异的成绩获得了比萨皇家高等师范学院的奖学金，这是一所专门为文理两科的高材生而设的学院。入学考试时指定他做的论文题目是“声的特性”。他先以半页作了一般介绍，接着用20页的篇幅对振动棒作了详细的数学分析并讨论其运动。如此复杂的答卷竟完全没靠书本，而且其中没有任何错误，这样的水平甚至连博士生都很难达到。评审的教授对他的答卷大为惊讶，决定破例和他面谈。那位教授对他说：“我从来没有见过你这样的年轻人。”
　　费米的大学生活过得五颜六色━━教授们讲的知识他大多学过了，便有很多时间去搞大学生式的恶作剧（因为制造了一枚在课堂上爆炸的臭弹，费米和他的“反邻会”“同党”们险些被永远开除学籍）。费米的好友也是他日后的重要实验合作伙伴拉塞第也是“捣乱分子”之一。不过恶作剧归恶作剧，他们从比萨的学术气氛中吸取了物理学营养，在学业上大有进步。费米通过自学在一年内就掌握了量子理论和相对论，成为比萨在这方面的权威，甚至还可以给教授们讲这方面的新知识。
　　1922年7月，年仅21岁的费米以名列前茅的成绩获得物理学博士学位。他的论文是关于X光实验工作的报告。费米的答辩自信而精彩，无奈他渊博的学识已非主考教授们所能理解，他们渐渐精神涣散。最后虽然给分很高，但没有一位主考人和他握手或向他道贺，他的论文也未由大学按常规出版。
　　1924年冬，费米由意大利公众教导部出资，被派到德国的哥廷根与著名物理学家马克斯·玻恩一起从事研究工作。研究期满，他回到罗马。此时年轻的费米已在国内外学术界小有名气-他在各类报刊上发表了近30篇论文，其中一部分是实验报告，大部分是关于相对论的理论研究。其中很重要的一项工作是，1926年费米以泡利在不久前提出的“不相容原理”为基础发表了一种新的统计理论，几个月后该理论又被狄拉克独立提出，此即著名的“费米—狄拉克统计”，这个以自旋半整数粒子（又称费米子）为研究对象的理论后来被应用于白矮星以及金属中自由电子等重要领域的研究，是核物理学的理论基础之一。
　　不久，25岁的费米通过“竞试”，被罗马大学聘任为教授。
　　1929年，年仅27岁的费米被选为意大利科学院院士。
（二）年轻的理论物理学先驱
　　当时的意大利物理学界已失去伽利略时代的辉煌，陷入后继乏人的状态，费米的初露锋芒显然是意大利物理学界复兴的一条“福音”。事实上，正是他同其他一些物理学家的共同努力使的罗马在30年代成为世界上又一个崛起的物理学研究中心：
　　费米对量子力学广泛而深入的研究使得他周围的人深为折服，尊称他为量子论的“教皇”，前面提到的他的好友拉塞第被称为“红衣主教”。有一天，费米的童年好友柏西柯自都灵来到罗马，谈到都灵没有一个人相信量子论，认为这种理论和既成的真理相悖。“教皇”对此事甚为关切，即派柏西柯为“红衣宣传主教”，责令其去向“邪教徒”传播“福音”。“钦命”的“主教”果然不辱使命，不久他便以长诗形式寄回一篇详细报告，最后两节写道：
　　他们终于认识了真理，
　　现在深深地相信，
　　光是光波和物质，
　　电子也是物质和电波。
　　这是他教给邪教徒
　　众多的教律之一，
　　从《神圣福音》的例子中，
　　他使他们心悦诚服。

　　费米和他的年轻同行们对意大利物理学复兴的贡献自此可见一斑。
　　在量子电动力学的建立过程中，费米也是一位重要的先驱。早在薛定谔关于波动力学那篇著名论文发表后不久（1926年），费米就在仔细研读了薛文的基础上发表了”Argument Pro and Con the Hypothesis Of Light Quanta”一文。文中他列举了当时证实光的波动性和粒子性两方面的实验，指出当前物理学家面临的挑战是如何从原子层面上阐述光与物质的相互作用以及如何在微观层面上给出对宏观光现象较清晰的解释。这些思想说明了建立后来的量子电动力学乃至量子场论的实际需要。1928-　　　1929年冬，费米开始致力于建立有关辐射现象的量子理论的研究，并先后发表了四篇重要文:

Reniconti Lincei(1929-30),　

Annales de l’Institut Henri Poincare(1931),

Nuovo Cimento(1931),

Reviews of Modern Physics(1932)。

　　在这些文章中，他写出了一个简单的描述带电粒子与电磁场之间相互作用的相对论协变的哈密顿量，然后说明如何将这一形式量子化以及如何用微扰理论来描述实验中发现的量子电动力学现象（比如自发辐射）。在当时致力于量子电动力学中的物理学家中，费米给出的形式大概是最为简洁而完备的，他1932年的那篇Reviews影响了30年代的许多物理学家，包括海德勒、费曼、维斯科普夫等，是量子电动力学的一篇奠基之作。费米在他的理论研究中善于抓住本质，大胆地舍掉一些复杂的因素，使其理论形式简洁而有效。当时与他战斗在同一领域中的物理学家维格纳（1963年因对原子核与基本粒子理论的贡献获诺贝尔奖）评论道：
　　费米不喜欢复杂的理论，他尽力规避它们……他发表在Reviews of Modern Physics（1932）的那篇关于辐射问题量子理论的文章是他众多演讲或讲座的一个集大成者。任何一个不深谙该理论中诸多复杂因素的人写不出这样的文章，也没有谁比他更巧妙地躲过这些复杂因素的纠缠……
　　在Nuovo Cimento(1931)的论文中，费米还研究了量子电动力学中的发散问题。针对当时质点模型造成的电子自能无限大这一困扰物理学家的大问题，费米提出了他的一些想法;他设想电子的全部质量皆为电磁质量，电子电荷不是集中在一个质点上而是有一定分布，，根据他的理论，电子所表现出的电荷与与之作用的电磁波频率有关，而这种依赖又可导致对称性破缺的实现。这篇文章虽并不如Reviews上那篇反响强烈，但也是非常既积极有益的尝试。
　　费米在建立量子电动力学方面的尝试，直接导致了他的另一重要理论成就：β衰变理论（1933）。
费米在理论物理学方面硕果累累，但他的风格又与同时代的许多物理学家（比如玻尔、海森堡、狄拉克、玻恩等）不同。他对量子力学持一种完全实用主义的态度：量子力学之所以可以接受，是因为她的预言与实验结果相合。他对量子力学中测量引起的一些哲学问题并不感兴趣。相对于哥廷根—苏黎世—哥本哈根这一线中的量子力学创立者来讲他是一个局外人，他关于量子力学的学习和理解是以他自己的方式。在费米看来，物理学与哲学有一条明显的分水岭；虽然他对用数学方法分析问题颇有天赋，但却总表现出对于纯粹抽象数学的厌恶。[2]
（三）登上诺贝尔奖领奖台
　　30年代对费米似乎很重要，除了上述的理论成就外，他还在此期间在实验方面颇有建树———这项成果使他获得了诺贝尔奖：
　　1932-1934年中子和人工放射性的发现引起了费米的思索，。他想到用中子作“炮弹”轰击原子要比当时采用的α粒子优越得多，因为成电中性的中子，不会像α粒子受到电子及原子核强烈的库仑作用而大大减速，故碰撞几率可大大提高。但利用中子也有其困难之处：中子不会有物质自发发射，必须靠α粒子轰击某种元素，这一过程大约只有十万分之一的几率，中子方案是否可行之有依据实验。费米决心自己动手实践。
　　费米周围有一些合作者：西格雷、阿玛尔第、拉塞第。开始用的钋铍中子源辐照各种元素，因为源太弱，均不见效果。后来费米想到用镭射气和铍作中子源可以得到强得多的中子束，于是他们改用这一新中子源。费米的理论素养使他在实验中也很讲究方法，他不是漫无目的地轰击各种物质，而是从最轻的元素氢开始，按元素周期表顺序进行。氢－水（氧）铍－硼－碳－氮——一种一种试过，令人沮丧的是，哪一种都没有被激活。失望之中，费米几乎要放弃试验了，然而顽强的性格使他坚持下来。“苦心人，天不负＂，中子设想终于在下一个元素氟上获得了成功。后来在铝上面也取得了理想结果——这实际验证了约里奥·居里夫妇关于人工放射性的发现。１934年3月25日费米为《科学研究》撰写了第一篇通讯，题为“中子轰击下出现的放射性——”此后费米继续对该现象进行系统的研究。在几个月中，费米小组用中子辐照了约68种元素，其中47种产生了新的放射性产物。这些同位素的生成大大丰富了核物理学的信息资料，也为化学等学科的应用提供了更多的放射源。
　　发现慢中子是费米小组的又一项重要贡献。1934年10月的一天，彭特科夫和阿玛尔第在辐照一件圆筒形的银管，银管中放有中子源，整个装置又放在防护用的铅盒里。他们注意到，银的放射性随装置在铅盒中的位置变化而变化。他们和费米商讨，在分析实验现象上经验丰富的费米直觉地感到可能是周围的环境影响了放射性的变化，便建议试试在铅盒外边辐照银圆管，看看会有什么情况。结果证明了费米的直觉是正确的。而且若银管辐照时置于木桌上效果更佳。费米于是建议用轻的物质再试试，例如用石蜡。1934年10月22日，他们用一大块石蜡，上面挖了一个洞，把中子源放进去，再辐照银管。结果盖革计数器显示，银的放射性竟增大了100倍！他们又把这套装置放到水中试验，证实水也有类似效应。费米很快领悟了这种奇特效应背后的物理机理：周围物体的作用是使中子速度减慢；含氢的物质之所以特别有效，是因为氢核与中子质量相近，碰撞后速度减慢的比率大（简单的普物力学计算可证明这点）；中子慢化后被原子核俘获的几率增大（即所谓截面增大），故表现出的放射性增大。
　　对慢中子作用的认识大大加速了人工放射性的研究。此后的几年，费米继续从理论上研究该问题，为日后原子能利用做出了重要的准备。正是费米在这一时期对核物理学做出的重大贡献使他获得了1938年的诺贝尔物理学奖。
　　和许多真正专心于科学的人一样，费米并不喜欢揽取荣誉宣传自己，在他勤奋工作的时候并没有想过要得什么奖。然而，获得诺贝尔奖对费米一家却有着极为重要的意义。事情是这样。二战阴云笼罩下的意大利由墨索里尼的法西斯独裁政权统治，费米自20年代墨索里尼上台不久就厌恶这个独裁政权，意欲出国，但因种种原因未下决心。然而1938年，与希特勒越走越近的意大利法西斯政权颁布了反犹太法律——费米的妻子劳拉正是犹太血统，迟早要遭到波及，他们一家决定尽快出逃。诺贝尔奖的到来使得他们可以顺理成章地申请出国——其实是在瑞典领奖后假借在美国讲学六个月而在那里长期定居下来。当时的环境使得这项计划是在惶恐与紧张中进行，然而毕竟成功了。费米在美国开始了他新的研究生涯。
（四）开创原子能时代的功臣
　　就在费米到美国后不久——1938年底，德国的迈特纳—哈恩—斯特拉斯曼三人小组发现了铀核的裂变。这一消息由玻尔带到了美国。消息传来，费米立刻看到了发射次级中子和链式反应的可能性，便以极大的热情投入了试验工作。
　　1942.4.—1944.9.，费米在芝加哥担任所谓“冶金实验室”的重要领导角色。这个“冶金实验室”里没有任何冶金专家，其实是一个秘密的战时计划，由康普顿任主任，旨在发展核反应装置，最终制造原子弹，这实际也是国际反法西斯同盟与纳粹德国之间的一场关系重大的科技竞赛。费米以他丰富的核物理学理论知识和实验经验指导着许多来自不同领域的科学家和工程师。从讲授核物理课程到分析第一手数据资料，从对各分组工作的统筹安排到参加最基础琐碎的工作，费米展现了他全方位的领导才能。　　1942年12月2日，在芝加哥体育场看台下的网球场里成功地进行了人类历史上的首次原子反应堆实验，整个计划开始以一种令人满意的方式运行起来。1944年9月，费米来到洛斯阿拉莫斯，继续从事一些发展核能的战时研究，直至战争结束。总而言之，在二战期间，费米在解决有关制造第一颗原子弹的问题中起了重要作用，同时他还是发展核能和原子弹的曼哈顿计划的物理学家小组领导人之一。
（五） 出色的教师
　　1946年，费米接受了芝加哥大学核子研究所的教授职务，在那里任教直至1954年逝世。
在这8年之间，费米主讲了许多方面的课程：核结构、电动力学、普通物理、量子力学与原子结构、核物理、数学物理、固体物理、热力学与统计物理……教学似乎也是费米的一大乐趣，每堂课都是经过他精心准备的，最后是以他认为最明白易懂的方式呈现于课堂——实际效果也正是如此。杨振宁先生的回忆很好地说明了费米讲课的这种风格：
　　众所周知，费米的讲课非常明白易懂。他的特点是，每个题目都从头讲起，举简单的例子并且尽可能避免“形式化”（他常常开玩笑说，复杂的形式主义留给“主教们”去搞吧）。他推理简明，给人的印象是得来全不费功夫。但这种印象是错误的，他的简明是精心准备，反复推敲，权衡各种不同描述方式的利弊之后才得到的。1949年春天，费米讲授核物理（后来由奥里尔J.Orear，罗森菲尔德A.H.Rosenfeld和斯克鲁特R.Schluter整理成书出版），因为有事要离开芝加哥几天，他让我代授一堂课并把一本小笔记本交给我，上面写满了他为每一节课认真准备的每一个细节。行前他和我一道将全部内容讨论了一遍，解释每个讲法后面的推理过程。
　　“诲人不倦”用在费米身上似乎也很合适——他从不为学生在他第一遍甚至第二遍讲一个问题时摸不着头脑而感到恼火或厌烦。相反如果他不得不再重复一下对某个问题的解释，他在教学中仿佛就会倍加快乐。
　　这样一位为人谦和、深谙为师之道的科学巨匠在教学上的成就也不逊色于其在科学上所取得的。在芝加哥大学的几年之间，他指导的博士生有近二十位之多，其中有很多日后成为著名的理论家或实验家，包括我们所熟知的四位诺贝尔奖得主: 杨振宁、李政道、张伯伦、斯坦博格。可以说，费米一生的多种职业之一是作为芝加哥大学的一名教师，他的言传身教曾直接或间接地影响了在他学生这一代的众多物理学家。
　　值得补充一下的是，费米到美国后虽然有大量精力放在实验及教学上，但他的理论研究并未间断。1941年他曾发表一篇关于气体的著名论文。战后他曾从事宇宙射线起源问题的研究，并提出一种设想认为，宇宙磁场是个大的加速器，它可以解释宇宙射线粒子中存在的异常能量。还有一篇他与杨振宁合写的《介子是基本粒子吗？》，文中他们大胆地假设π介子是核子-反核子对的束缚态。这个假设本身虽并不完善，但却为后来的亚原子世界“民主政体”说以及对基本粒子的“拽靴襻”解释起了铺路石的作用。今天，我们认为介子是夸克-反夸克对的束缚态。除了这些专职性的研究，费米还为原子核壳层模型理论的建立及高温超导等提出了一些重要建议。
（六）临终风范
　　1954年11月29日，正值盛年的费米竟离开了人世，享年仅53岁。
也许这种不幸与遗憾本可以避免——有资料表明，直至1954年夏天费米对自己严重的癌症病情仍是一无所知。贻误了早期的治疗时机，这位本来体格健壮的人，过早地离开了，离开了那些需要他的事业，离开了那些需要他的学生。
　　这位科学巨人在生命最后时刻所表现出的精神令人尤为敬佩。杨振宁先生在他的回忆中写道：
1954年秋，费米病危。那时在哥伦比亚大学的盖尔曼（Murray Gell-Mann）和我到芝加哥比灵斯(Billings)医院探望他。我们走进病房时，他正在读一本描写凭着坚强意志战胜厄运和巨大自然障碍的真实故事集。他很瘦，但只略带哀愁。他很镇定地告诉我们他的病情。医生对他说，几天之内他即可回家，但没有几个月可活了。说完他让我们看放在床边的一个笔记本，告诉我们那时他关于核物理的笔记。他计划出院后利用剩下来的几个月时间将它修改出版。盖尔曼和我被他的建议精神和对物理学的热忱所感动，有好一会我们不敢正眼看他。（我们探望后不出3周，费米就去世了。）
就在费米去世前不久，美国国家设立了一项以他的名字命名的奖项—“费米奖”——这个奖项的第一个获得者便是费米。“费米奖”的奖金并不及诺贝尔奖来得丰厚，但却是一种“终身贡献奖”——不在于某一次的重大发现，而旨在表彰终生勤恳工作、成就不菲者。恩利科·费米当之无愧。
尾声
　　有人说，人的生命不应以年，而应以成功的事业来衡量。
　　恩利科·费米相对短暂的一生留给后人的很多很多。就让我们看一看在物理学界普遍采用的以“费米”命名的名词术语吧：
　　费米——原子核物理学中的长度单位。
　　费米子——半整数自旋的微观粒子
　　费米—狄拉克统计——（如前所述）
　　费米气体模型——将原子核看成是在一个半径为R 的球内聚集着的一群自由中子和质子（均为费米子）的最简模型。
　　费米能量——费米气体中单粒子的最大动能。
　　β衰变的费米理论——费米基于中微子假说和实验事实建立起的关于β衰变的理论。
　　费米年龄——又称慢化面积
　　费米年龄理论——以中子慢化过程连续和中子空间运输过程可用扩散理论处理为基本假定的中子慢化理论。
　　费米年龄方程——费米年龄理论中联系中子慢化密度与中子位置的
方程。
　　费米年龄近似——在计算反应堆慢化中子能谱时，对散射中子源项所作的一种近似处理。
　　费米谱——表示在单纯由氢慢化的氢和中吸收材料均匀混合的无限均匀介质中，中子通量密度按能量分布的规律。此规律首先由费米导出。
　　放射性人造元素镄（Fm）——原子序数为100，原子量257，氧化态为+3，为纪念费米而命名。
恩利科·费米，单就其在理论物理或实验物理二者之一上所作出的贡献都足以为他在现代物理学史上树立一座丰碑，然而，他偏偏兼具了两者。更难能可贵的是，他在扶掖后人上也是如此成功——这不能不说是他对物理学的一种间接的贡献。
　　恩利科·费米的名字辉耀在世界科学史上。人们将永远纪念这位杰出的物理学家。他是开创原子能时代的功臣，他对现代物理学的卓越贡献和他鞠躬尽瘁的科学精神泽被后人。

参考资料：
1. 杨振宁：《杨振宁文集》之“费米教授——《介子是基本粒子吗？》(1949)一文的引言”
2. Valentine L.Telegdi :“Enrico Fermi in America”,Physics Today(June 2002)
3. Silvan S.Schweber: “Enrico Fermi and Quantun Electrodynamics,1929-32”,2002 American Institute Of Physics
4. 郭奕玲 沈慧君：《诺贝尔物理学奖（1901-1998）》
5. 谢尊修 关 非 晓 歌：《费米》（巨人百传丛书）
等
崔彦讴 撰文
2003．1