恩里科·费米

恩里科·费米在1901年9月29日誕生于罗马。他的父亲阿尔贝托·费米是意大利铁道部的部门负责人（義大利語：），母亲伊达·德伽提丝是一名小学教员。他是家里第三个孩子，姐姐玛丽亚比他年长两岁，哥哥朱利奥比他年长一岁。兄弟二人出生后被送到乡下的乳母抚养，两岁半时恩里科回到家里。由于祖父母笃信天主教，恩里科在出生后依天主教教义接受了洗礼，但他和他的双亲一样并没有宗教信仰，并且一生信奉不可知论。恩里科年幼时与他的哥哥兴趣相投，他们一起制作电动机，并玩一些电动和机械玩具。1915年，朱利奥在进行咽喉脓肿手术的麻醉期间意外离世。

在罗马的鲜花广场附近的市集裏，費米买到了一本《数学物理要旨》（拉丁語：），這是他在物理学方面的启蒙教材之一。这本900余页的书是由耶稣会士安德烈亚·卡拉法神甫于1840年以拉丁语写成的。卡拉法神甫是罗马学院的教授，他在这本书里叙述了当时已知的数学、经典力学、天文学、光学以及声学等方面的知识。费米与同样对科学非常感兴趣的恩里科·珀西科非常要好，常常一起钻研科学。他们曾一起搭起了一架陀螺仪，还嘗試準確测量地球引力所產生的加速度。费米父亲的同事阿道弗·阿米代伊积极鼓励费米学习物理，曾送给他几本有关物理学及数学的书，这些书让费米爱不释手。

在比萨求学时的费米

1918年7月，费米高中毕业。由于设施以及教学等方面的优势，阿米代伊鼓励费米申请就读比萨高等师范学校。经历过丧子之痛的父母并不愿意他离家去比萨读书，更希望他读罗马大学，但最终他们还是同意了。学校为学生提供免费住宿等优待（这也是阿米代伊鼓励费米选择比萨高师的原因之一），但是入学考试异常严格，校方还要求撰寫一篇以“声音的特性”为题的论文。当时年仅17岁的费米利用傅里叶分析方法求解了杆振动的波动方程，他在入学考试中名列第一。罗马大学的教授朱塞佩·皮塔雷利是考官之一，参与了对费米的面试。皮塔雷利对于费米的入学论文大加赞许，并认为他有成为伟大的科学家的潜质。

在比萨度过的几年里，费米与佛朗哥·拉塞蒂成为了推心置腹的好友，拉塞蒂后来成为费米一生的挚友以及学术上的合作者。费米在比萨时期的导师是物理学实验室主任路易吉·普钱蒂。普钱蒂认为自己对费米在物理学方面可能没有太多助益，反而会经常让费米教给他一些新知识。费米非常精通量子物理学，普钱蒂就让他组织相关的讨论班。在这几年中，费米还学习了张量分析。这种数学分析方法是由格雷戈里奥·里奇-库尔巴斯托罗和图利奥·列维-齐维塔引入的，对于广义相对论的数学表述非常重要。费米一开始主修数学，后来转作主修物理学。他的广义相对论、量子力学以及原子物理学相关知识大多都是自学的。

1920年9月，费米进入物理系。当时物理系只有三名学生，费米、拉塞蒂以及内洛·卡拉拉。普钱蒂允许他们随意使用实验室里的设备进行自己想要做的研究。在费米的提议下，他们三人研究了X射线晶体学，拍摄了一系列晶体的劳厄相。1921年，费米在《新试验》（義大利語：）上发表了两篇科学论文。第一篇论文题为《论平动中的电荷刚体的动力学》（義大利語：）。他在这篇论文中使用张量描述质量。张量通常被用来描述三维空间中运动并不断变化的物理量。在经典力学中，质量是一个标量。但在相对论中，它会随物体的速度发生变化。第二篇论文题为《匀强引力场中的静电学及电荷的质量》（義大利語：）。费米在这篇论文中利用广义相对论得到电荷的质量为U/c²。其中U是系统的静电能，c是光速。费米在第二篇论文中提出电动力学理论与相对论在计算电磁质量时存在矛盾。依据电动力学得到的值为4/3 U/c²。费米第二年在另一篇论文中又重申了这一点，并提出这一矛盾是相对论的一个推论。这篇论文广受赞赏，并于1922年被译为德语发表在期刊《物理学杂志》（德語：)上。

同年，费米向《猞猁之眼科学院学报》（義大利語：）提交了论文《论世界线附近发生的一些现象》（義大利語：）。在这篇文章中，他探讨了等效原理，引入了“费米坐标”，并证明在时间轴附近的世界线上，空间的性质会与欧氏空间的性质非常近似。

1922年7月，费米向比萨高师提交了他的学位论文《概率论的一条定理及它的一些应用》（義大利語：），获得了桂冠学士（義大利語：）学位。他在这篇论文中论述了X射线衍射成像。理论物理学当时在意大利并不是一门独立学科，因而物理系的学生当时只能提交有关实验物理学的学位论文。意大利的物理学家对于像相对论这样的新兴学说普遍接受缓慢。由于费米对于实验相关工作也较为在行，因而这对于他来说并非不可逾越的难题。

在 奥古斯特·科普夫著作《爱因斯坦相对论要旨》（德語：）的1923年意大利语译本的附录裏，费米提出，质能等价意味着人类可以从原子核中获取大量能量。但他写道：

1924年，费米成为共济会成员。同年，费米动身前往哥廷根大学，跟随马克斯·玻恩学习了一学期。在那里，他结识了维尔纳·海森堡与帕斯库尔·约当。随后，他又受到洛克菲勒基金会资助前往莱顿跟随保罗·埃伦费斯特学习了三个月。这项资助是在数学家維多·沃爾泰拉协助下获得的。在那里，他结识了亨德里克·洛伦兹和阿尔伯特·爱因斯坦，并与萨缪尔·古德斯米特及扬·廷贝亨成为好友。费米自1925年1月起在佛罗伦萨大学教授数学物理及理论力学直到1926年末。在那里，他与拉塞蒂一起进行了一系列實驗，研究含時磁場對於水銀蒸氣共振輻射的退偏振效應。他还参与了罗马大学的讨论班，并做了一些有关量子力学及固体物理的演讲。当他讲到薛定谔方程对于一些量子现象的精准预测时，在场的物理学家都对这项物理学成就表示赞叹。

沃尔夫冈·泡利於1925年提出了泡利不相容原理。费米在这之后发表了论文《论单原子理想气体的量子化》（義大利語：）。在这篇文章中，他在气体分子遵守泡利不相容原理的前提下分析了理想气体系统。费米在这篇文章中提出的统计式十分有名。这个式子描述了由大量遵守不相容原理的全同粒子组成的物理系统的量子态的统计规律。这个式子不久后又被保罗·狄拉克独立地推导出来。狄拉克还展示了其与玻色–爱因斯坦统计式的联系。这种统计形式因而被叫作“费米–狄拉克统计”。现在的物理学家一般沿用狄拉克的做法，将遵守泡利不相容原理的粒子称作“费米子”，将不遵守的则称作“玻色子”。

1934年左右，费米及他的研究团队在罗马大学物理研究所的合影。自左至右依次是：奥斯卡·达戈斯蒂诺、塞格雷、阿马尔迪、拉塞蒂以及费米。

意大利的教授席位归属是通过一个由教授组成的委员会依据各位申请者发表的著作评定产生的。费米曾申请过卡利亚里大学的数学物理学教授席位，并依靠乔瓦尼·乔治的支持以微弱优势当选。1926年，费米申请罗马大学的理论物理学教授席位。这是一个新设的教授席位，也是意大利国内首批理论物理学教授席位。它是在实验物理学教授奥尔索·马里奥·科尔比诺的呼吁下由意大利教育部设立的。科尔比诺是罗马大学物理研究所的主任，曾在墨索里尼内阁任要职。他担任了这个教授席位的遴选委员会的主席。他希望这个新席位可以提升意大利物理学的研究水准及声誉。这个席位共有三个候选人，费米、恩里科·珀西科以及阿尔多·蓬特雷莫利。委员会最终选中了费米。科尔比诺协助费米招募研究团队。佛朗哥·拉塞蒂立即加入了费米的团队，并被费米任命为助理。几位日后声名卓著的学生也加入了这个团队。这些学生包括爱德华多·阿马尔迪、布魯諾·龐蒂科夫、埃托雷·馬約拉納以及埃米利奥·塞格雷。这些学生后来被叫作帕尼斯贝尔纳路上的少年。这个绰号来源于物理研究所所在的街道。

费米夫妇1954年在洛斯阿拉莫斯核物理研究所的合影

1928年7月19日，费米与劳拉·卡彭结婚。劳拉曾在罗马大学学习自然科学。他们育有两个孩子。女儿内拉生于1931年1月，儿子朱利奥生于1936年2月。1929年3月18日，费米被墨索里尼任命为意大利皇家科学院院士。同年4月27日，他加入法西斯党。当墨索里尼为使意大利国内的意识形态更为接近纳粹主义而在1938年颁布意大利种族法时，费米转而反对法西斯主义。这项法案令身为犹太人的劳拉受到威胁，并且会让费米的几位学术上的合作伙伴失业。

在罗马任职期间，费米与他的团队一道为物理学的理论及实际应用做出多项贡献。1928年，费米编写的教材《原子物理学引论》（義大利語：）出版，为当时的意大利的大学生提供了当时最新的相关知识。他还举办公共讲座并编写科普文章，向大众传播了新的物理学知识。他会在一天工作结束后将他的同事及学生聚在一起探讨一些问题。这些问题不少是他自己正在研究的课题。他的教学工作是通过这种方式完成的。科尔比诺的努力获得一定的成效。一些外国留学生开始到意大利学习物理。诺贝尔物理学奖获得者，德国物理学家汉斯·贝特也曾是这些留学生中的一员。他受到洛克菲勒基金会资助来到罗马学习，并于1932年与费米合写论文《论两个电子间的相互作用》（德語：）。

物理学界此时正为β衰变前后能量是否守恒困扰。为令能量守恒，泡利构想了一种新的粒子。这种粒子不带电荷且质量极小。它会伴随电子一起放射出来。费米对这一假说非常感兴趣。他在1933年至1934年间先后发表了两篇文章论述了这种粒子的性质，并将这种粒子称作“中微子”。他对β衰变的理论解释后来被物理学家称作费米相互作用。这一理论后来发展为弱相互作用理论。这种相互作用是自然界四种基本相互作用之一。中微子直到费米去世后才被探测到。而他所提出的相互作用理论正好能说明为什么这种粒子非常难探测到。当费米向《自然》杂志投递相关论文时，杂志的编辑拒绝刊载这些论文。他给出的理由是在这些论文中的相关理论假设“与现实物理图像相去甚远，不能引起读者的兴趣”。因而费米不得不先将这些理论发表在意大利语及德语的文献中。

在1968年发表的这些文献的英译本的引论中，这些文献的译者这样评价费米所提出的β衰变相关理论：

费米的理论除了对泡利的中微子假说提供支持外，还对现代物理学产生了重大影响。我们必须注意到在费米提出这些理论的时候，人们只能接触到自然的β衰变放射源。之后人们发现正电子衰变也能在费米原先提出的理论框架中得到解释。在他的理论基础上，物理学家预测原子外层上的电子也能被原子核俘获。这一预测后来被实验证实。尽管随着实验数据的累积人们在实验中曾发现特例，费米的理论仍是难以撼动。 费米的理论对于后世的影响非常巨大。例如，（基于这一理论得到的）β衰变能谱是研究核结构的重要工具。而费米的这一有关β衰变的理论最重要的影响也许在于它可以适用于其它类似过程。它是首个能成功描述物质粒子的产生与湮灭过程的理论。在此之前，人们只知道光子能够发生这些过程。

伊雷娜·约里奥-居里与弗雷德里克·约里奥-居里於1934年1月宣布，利用α粒子轰击原子核的方式可以诱导这些原子核产生放射性。同年3月，费米的助理吉安·卡罗·威克利用费米的β衰变理论给出了理论解释。费米决定采用实验方法利用查德威克在1932年发现的中子来进行验证。他想知道利用拉塞蒂发明的钋—铍中子源是否也能诱导放射性。中子不带电，所以不会被带正电的原子核散射。这意味着它们深入原子核时所需能量要比带电粒子少，因而相关实验并不需要他们当时还没有的粒子加速器。

身穿学位服的费米（中）与拉塞蒂（左）及塞格雷

费米后来打算用由他发明的氡—铍中子源替代钋—铍中子源。这种中子源是通过向抽空空气的玻璃灯泡中加入铍粉然后充入50毫居里的氡气制成的。由于氡的半衰期较短，因而这种中子源较钋—铍中子源来说强度更大。虽然费米知道这种放射源在产生中子同时还会产生γ射线，但他依据自己的理论相信这不会影响到实验的结果。他开始时是用中子轰击铂核。这种元素是当时能获取的原子序数较高的元素，但实验并没有成功。他还尝试轰击铅原子，也没有获得成功。于是他转向轰击铝原子核，并成功将其转化为钠的一种同位素以及一个α粒子。这个钠原子后来发生β衰变转化为镁原子。他还轰击了氟化钙中的氟原子。并成功将其转化为氮的一种同位素以及一个α粒子。这个氮原子后来发生β衰变，转化为氧原子。最终，他利用中子轰击的方法成功诱导了22种元素產生放射。1934年3月25日，费米将这一发现发表在期刊《科学研究》（義大利語：）上。