恩里科·费米(Enrico Fermi)是著名的意大利科学家，二十世纪杰出的理论物理学家和实验科学大师，诺贝尔奖获得者，他在理论和实验两个领域都取得了卓越的成就。费米给予整个世界的影响，不仅在于他及他所领导的学派所取得的一系列成就，而且还在于费米创造一种及其高效的科研活动的模式和一种非常有影响的教学方式，深深影响了一代又一代的科学家。

一、 成绩出众的求学历程

1901年9月29日，费米出生于意大利罗马的一个铁路员工的家庭。父亲是位铁路员工，母亲是一位小学教师。由于母亲于1899年至1901年连续生下三个孩子，无法照料，只得把费米及哥哥朱利奥·费米寄托给乡下的亲戚照管，直到两岁半，费米才回到了罗马自己的家。

童年的费米常与哥哥在一起进行各种游戏，并迷于机械设计。他们曾设计和制造过电动机，绘制飞行引擎草图，以致于专家们都不相信是小孩的作品。

进入学校后，费米更显示出其过人学习的能力。他有很强的记忆力，同时学习意大利、拉丁和希腊的语言与文学。他在十岁的时候就自学圆方程x2 + y2 = R2等数学知识，学校的课程对他来说太容易了，他便经常到罗马百花广场的露天书市买一些数学与物理方面的书进行自学。随着他的物理学知识不断向广度和深度发展，费米便着手把它应用于一些实验问题上。他曾用自己所能得到的简陋设备，做出了一些足够准确的测量。例如地球磁场的测量、研究陀螺的奇异行为等一些富有挑战性的问题。

在费米成长的过程中，费米父亲的同事茵杰涅尔·阿米迪(Amidei)起了重要作用，他很欣赏费米的才能，于是把自己有限的藏书按合理的顺序一本一本地借给费米学习。通过自学费米中学毕业时就得到相当多的经典物理知识，在阿米迪的建议下，1918年11月费米考入比萨大学，主修数学与物理课程。在比萨大学的入学试卷上，人们认识到费米的出众才华，阅卷人数学家G·皮塔雷利(Pittarelli)教授原以为他看到的是一篇中学生水平的论文，但出乎意料，费米的论文“声音的特性”却是关于振动的偏微分方程的付里叶级数解。为了确认费米是否真正理解他所写的内容，皮塔雷利把费米叫来面谈，证实了费米确实具有非凡的才能，是位“天才的考生”。

大学学习的课程对费米来说几乎不需花费多少精力，他努力扩展自己的数学和物理知识，大学三年级时，费米就发表了多篇科学研究论文。1922年7月费米以首创了用弯曲晶体聚焦法获得劳厄干涉图象的X射线实验研究而获得博士学位。

费米获得博士学位后，立即回到了罗马，在罗马大学物理研究所所长、实验物理学家M·科比诺(Corbino)的建议下，费米考取了意大利教育部奖学金，于1922年冬来到了德国的哥廷根大学师从著名物理学家M·玻恩(Born)教授，在这以后的7个月间，他完成了一批关于分析力学的论文，其中有关各态历经定理的证明。1924年，费米来到荷兰的莱顿的P·厄任费斯特(Ehrenfest)的研究所工作，在这里工作不长的时间，费米就发表了多篇关于光谱线强度的量子理论等有关内容的研究论文，受到了厄任费斯特的热情赞誉。

不久，由于奖学金用完，费米回到罗马大学，并随后到佛罗伦萨大学任讲师，教授力学与数学课程。1926年夏，费米被任命为罗马大学理论学教授，次年被选为意大利皇家科学院院士。从此以后，费米开始了他那成果卓著的科研生涯。

二、 成果卓著的科研岁月

费米对物理学的发展作出了许多有重大意义的贡献，并在一些方面开创了物理学新篇章，在意大利他先后在X射线能谱学、经典电磁理论、广义相对论、经典统计力学、量子统计理论、量子电动力学、理论核物理学等方面作出了贡献，创立了原子核β衰变理论和中子物理学，总共发表了120余篇论文。1938年到美国后，他领导创始了原子论的开发和应用，发展了粒子物理学，公开发表的论文近50篇，撰写的内部报告约90篇。他的学术兴趣广泛，是一位全能物理学家，在理论和实验两方面都有极高的造诣，对物理学的许多领域都有其不可磨灭的贡献。

2.1 费米——狄拉克统计

1925年，奥地利物理学家，W·泡利发现在旧量子论中在一个量子轨道上只能存在一个全部量子数都确定的电子，服从这一不相容原理的粒子所组成的气体在粒子运动状态（所谓相空间）上的统计分布就不同于不服从这一原理例如辐射光子的统计分布。1926年费米在佛罗伦萨大学，提出了服从泡利不相容原理的粒子所遵循的统计规律，数月后P·A·M·狄拉克(Dirac)也发现了这一规律。

费米提出了费米——狄拉克量子统计后，立即把这个方法应用到原子内部的近似电子气上。1927年至1928年间，他在罗马进行的这项研究与英国L·H·托马斯(L·H·Thomas)的研究得到同样的结果，后人称之为托马斯——费米原子统计模型理论。这个模型对大部分原子问题能给出很好的近似结果。这项工作是通过计算电子云密度求得原子中向心力电场的第一个方法。将费米统计用于金属中的比热问题，使人们了解到在极度低温度下，电子对金属比热的贡献不可以忽略。将费米统计应用到自由电子的输运过程中也取得了很大的成功，导出了电导率、导热率等表达式。与此类似的费米气统计方法，后来也应用到原子核内部的核气上，也能得出富有成效的结果。

2.2 电磁辐射量子论的重新表述

1927年狄拉克建立电磁辐射量子论之前，尚没有一个理论令人满意地全面说明辐射干涉现象和物质发射及吸收光的现象：前者需要用波动理论解释，而后者则需要用光量子理论解释。狄拉克的电磁辐射量子论虽然可以以统一的方式解释两者，但是理论也存在着一个叫做标量势的量Ao找不到它所对应的动量的缺陷。1928年～1929年间，费米在研究狄拉克的论文后，决定克服狄拉克所用数学方法难以理解的缺陷，他用傅里叶分析法把辐射分解成单个谐振子，使之量子化，写出麦克斯韦电磁理论的哈密顿形式，再加上原子的哈密顿及代表原子与辐射相互作用的一项，用微扰论来处理整个系统，得到与狄拉克相同的结果。

1930年费米应G·乌伦贝克(Uhlenbeck)和S·A·古兹密特(Goudsmit)的邀请，来到美国密歇根大学，对这一量子电动力学理论进行讲学，随后费米将这一问题写成论文，并发表于美国《现代物理评论》杂志上。他的这篇论文非常直截了当，奠定了量子电动力学的基础。不管狄拉克、泡利、海森伯等写了多少篇文章，他们所做的东西都偏于形式化，所得到的结果不具体、不清楚。然而经过费米的工作，就变得非常具体、非常清楚了。为此乌伦贝克评价道：在费米论文发表之前，没有人懂得量子电动力学，算来算去都是一些形式化的东西，对于具体的内容并没有理解。费米论文发表以后，人们通过他的工作才真正懂得量子电动力学，为此费米发表的这篇论文已成为美国后辈物理学工作者几乎必读的文献。

2.3 原子核β衰变理论

1933年，费米为解决β衰变中的有关问题，他大胆地采用了由泡利所提出的当时还不清晰的中微子假设，按照量子辐射理论建立了β衰变理论。这一理论是他一生中关于理论物理的所有工作中最重要的一项，经受了数十年的考验。

费米明确指出，有很多相互作用哈密顿函数形式可导致β衰变过程。为了简单起见，他类比电磁场与电流相互作用，选择了极矢量形式。后来E·P·维格纳(Wigner)指出：以电子和中微子波函数乘积出现而又符合相对论要求的相互作用有五种。这五种相互作用以及它们的任何线性组合都可以被任意选用而不影响费米原计算的主要结果。G·伽莫夫(Gamow)和E·泰勒(Teller)发现别的相互作用形式（轴矢量及张量）对允许跃迁产生不同的选择规则。实验表明，β衰变相互作用实际上是费米的（极矢量）和伽莫夫——泰勒的（轴矢量）两种形式的混合。这样延伸的费米理论成功地解释了各级禁戒跃迁的谱形状和半衰期，E电子衰变和轨道电子捕获μ子衰变及负μ子同质子的反应等诸多实验事实。

在β衰变理论中，费米还引入了一个新的基本常数，即费米常数G。，同时β衰变理论的建立还把粒子间的相互作用延伸到弱相互作用，从而开辟了弱相互作用的研究。

2.4 慢中子对金属的激活实验研究

1934年10月，蓬德科尔沃(Pontecorvo)注意到同一中子源测得（银）放射性强度可因中子源放置的环境不同而异，例如放在木桌上和放在大理石桌上就有所不同。在费米的偶然建议下，他们把中子源放在大块石蜡中，银的人工感生放射性的强度意外提高了一百倍！费米当即对这一惊人发现作出了如下正确解释：中子源发出的快速中子通过与石蜡中最轻元素氢核的弹性碰撞，迅速地变成慢中子，最后成为与室温平衡的热能中子，中子越慢，传银感生放射性的强度越大，如果这个想法对，水也应该是个很好的中子减速剂，后来他们用水做实验，得到结果证实了费米的理论解释。随后费米运用E·薛定锷(Schrodinger)波动力学方法，考虑到速度越慢，中子的德布罗意波长越长，证明了质子捕获慢中子的几率（截面）与中子的速度成反比，使这一出人意料的现象得到了解释。
在上述慢中子和质子的相互作用理论中，费米通过类比，发展了他1933年为解释E·阿

马尔第(Amaldi)和E·塞格雷(Segre)实验发现的光谱现象所提出的散射长度的概念。后来人们在陈述低能中子的散射理论时，一般都采用了这个波动力学散射长度概念，把射来中子能量趋向于零的情况下，原子核对中子的散射截面写成4π乘费米散射长度平方，基本上就像是原子核是个刚球，其半径即为费米散射长度。1936年，费米将这一研究内容撰写了“关于慢中子的吸收和扩散”的论文予以发表。随后，费米在“关于在含氢物质中中子同质子碰撞而减速和扩散的机制”中，给出为了解释某些慢中子实验结果而用过的一些公式的数学证明，这篇论文为后来研究重核裂变链式反应堆（原子堆）的理论设计奠定了基础。

1938年11月10日，费米因“证明了中子轰击所产生的新放射性的存在，以及发现了与此有关的慢中子所致核反应”而获得诺贝尔物理奖。当年12月6日，费米携家人到斯达哥尔摩领奖，10日领奖后便乘船离开了瑞典，于1939年1月2 日来到美国，就任哥伦比亚大学教授，开始了他一生的后期阶段。

2.5 原子反应堆的发明

1934年，费米在罗马从中子轰击铀的实验中曾经得出产生原子序数为93的超铀元素的推论，当时对此一直争论不休，一直没有定论。直到1938年底，才由德国化学家哈恩(Hahn)和斯特拉斯曼(Strassmann)确定了中子轰击铀后，产生了裂变，生成了两个质量相近的中等质量的核。当费米得知这一消息后，立即认识到伴随裂变过程将有可能发射出多个次中子，从而也就有可能在铀核吸收一个中子而裂变后，由其次生中子陆续引起其他铀核裂变，促成自持续的链式反应。

1940年—1941年两年间，费米在哥伦比亚大学的工作几乎全部是为了谋求实现铀核裂变链式反应而进行的理论估算和实验测量。通过实验，费米找到石墨是慢化中子的材料，其中子减速过程是由被后人称为费米年龄方程理论来描述的。1941年，费米和津恩(W.zinn)等科学家在哥伦比亚大学开始研制可实现链式反应的装置，最早的铀和石墨构成的用来测量中子增殖的反应堆。氧化铀是装在金属罐中的，由于金属罐吸收中子，因此，费米及其同事将氧化铀压制成圆柱形，并在石墨块中钻一些小孔将其放入。

反应堆的长和宽均为8英尺，高为10英尺多。充当中子波的铍和镭放入底部的石墨垫上，整个反应堆被镉片覆盖，镉对中子有很强的吸收能力，使中子不能从墙上反射或从空气中进入，以创造一个良好的反应环境。

1941年底，美国当局将研究用原子能的实验工作全部集中到芝加哥大学，由德高望重的康普顿(A·H·Compton)任主管，负责此项工作。1942年4月，费米全家移居芝加哥，以便费米继续从事这项研究。

来到芝加哥大学后，费米和康普顿决定把世界上第一个核反应堆建在此大学体育场西看台下面的一个网球场内，费米带领两个实验小组开始建造工作，一个小组由津恩负责，主要任务是建造反应堆；一个小组由安德森负责，主要任务是控制反应堆，并测量结果。

考虑到获取石墨和氧化铀的局限性，费米采用球形反应堆方案，反应堆的第一层是11月16日放入球中的，首先铺上一层石墨块，在石墨块上面铺上氧化铀和石墨块的混合层，随后又是石墨层，接着又是一层混合层，如此连续堆砌。12月1日晚，反应堆垒到第56层时，根据测量结果，中子通量开始无限度地增加，即达到临界体积。费米告诉安德森垒到57层，以便进入更准确的测量。

12月2 日早上，费米和其他物理学家一起又来到实验场地，费米首先检查了所有仪器，然后大家分工协作，有的读数据，有的作记录，十点一刻，费米命令将自动控制棒撤出，只留下韦尔操纵的那根控制棒，费米让韦尔先把棒拉到13英尺处，即这根棒有13 英尺留在反应堆里，电离室中的读数数不断上升，表明中子强度不断上升，然后稳定下来。再抽出一点，中子强度又增加，然后再稳定下来。这一步骤重复多次，费米在他的计算尺背面记下这些数据。每过一分钟，费米都要计算中子强度上升的速率。记录仪上的笔平稳地在方格纸上画出一条稳定上升曲线。下午3时42分，费米宣布：“原子反应堆自持链式反应试验成功”。
1942年12月15日，费米在每月一次的报告中有所保留地宣布了这一世纪性的事件。
费米除了上述诸多杰出研究外，还在π介子与核子碰撞的研究，以及天体物理学等领域作出了应有的贡献。

三、 业绩非凡的教学生涯

费米不仅是在理论与实验方面都作出了杰出贡献的科学大师，而且在科学教育方面也取得了非凡的业绩。在他所培养的学生当中先后有赛格雷、盖尔曼(Gellmann)、张伯伦(Ghamberlin)、李政道、杨振宁、斯坦伯格(T·Steinberger)等荣获诺贝尔物理奖。他的很多学生在许多年后，还常回忆起费米给予他们的教导和教育。

费米作为一名教师是无与伦比的，他的教学方法和教学效果的优异是举世公认的，纵观他三十多年的教学生涯，可以看到他的教学活动具有以下三个显著特点：

3.1 清晰透彻的教学风格

和所有的优秀教师一样，费米在教学上的一个鲜明特色是讲课清晰、透彻，这就是他的风格，对于他所要讲课的内容，他总是在讲课前所讲内容以一种理性的、系统化的方式进行充分思考和组织，这使他的讲课逻辑性强、思路明确，使得学生容易跟着他的思路走。对于他要论述的题目，费米准备得相当充分。杨振宁曾回忆道：1949年春，当时费米正在给学生开着一门核物理课，因为事务的原因，费米必须离开芝加哥大学几天，他请杨振宁替他讲一次课，并且交给了一个小笔记本。在这个笔记本里，费米已经为这次课作了相当详细的准备。在临行前费米又与杨振宁一起重温了这一次课的备课笔记，并仔细向杨振宁阐明了每一个字里行间的含义。费米讲课的时，经常从最基本的问题开始，常常加进去大量的简单例子，这些例子是他对大量问题加以思考而总结出来的，避免公式化地讲解每一个课题。费米的讲课不仅清晰、易懂，而且内容涉及面广，费米要求学生掌握尽可能多的知识，多关注物理学各个领域的发展，以便为以后的研究打下坚实的知识基础。由于费米本人渊博的知识基础，费米的讲课涉及面很广泛，学生收获很大。

3.2 灵活多样的教学形式

费米作为教师的另一个特点就是他的教学方法灵活多样，除了正式的讲课外，费米经常为学生举行一些临时的、非正式的讲课，费米有这样一个习惯，即每周给学生举办一、二次非正式的未经准备的讲演，学生们就汇聚到他的办公室里，由费米本人或由一位学生提出一个特殊的题目来进行讨论，那时费米会在他编好详细索引的笔记本里找出有关该论题的笔记，然后讲给学生们听。之所以采用这种非正式的讲课方法，是因为费米总是倾向于让学生在不太肃穆的气氛中思考和讨论问题，以激发学生们主动学习的热情，这种教学方式使学生的收获很大。

这种教学方法的好处还在于费米也对其他人提问题，并且高声在黑板上解答它们，粉笔和头脑并用，这样可显示一个理性的头脑是怎样进行推理，偶然的因素可以被抛开而把主要的因素突出出来，对已知的事实进行类比怎样弄清未知的东西，在这样的推理中，可以接触到大量前沿题目，例如费米向学生介绍他刚看过的一篇文章，则谈话就变成了对当前研究进展的讨论，赛格雷回忆道：“傍晚我们来到他的办公室，我们的谈话就可以引发一门课程——例如我们问毛细作用，费米就会临时准备一个关于这个理论的漂亮的讲座……，在我那些年关于这种讨论的笔记中我找到了以下题目：黑体理论、气体粘滞性、波动力学、张量分析、光的色散理论、高斯误差曲线，还有分子力学、狄拉克自旋理论。”当然许多题目只能是进行定性的而不是定量的讲解，讨论经常强调的是关于论题的本质，讨论的途径总是直觉和形象化的，而不是数学化的，这种自由讨论的范围很广，包括从纯理论到纯实验，从像“对三体问题所使用的最佳坐标”这样一个简单问题，直到像广义相对论这样深奥的课题，通过这种自由讨论使学生们懂得了什么是真正的物理学。

3.3 充满激情的教学态度

费米作为一教师，最伟大的一点或许还在于他擅于激励学生，最大限度地激发学生的学习和工作热情。费米热爱自己的学生，热爱教学工作，除了正式和非正式的课程外，费米还将他的午餐时间几乎全部献给了他的学生。他平易近人，经常在星期天及业余时间和学生们一起从事各种户外活动，师生之间不拘礼节，彼此经常开玩笑，一起游戏，而在这种轻松的气氛中费米总是不失时机地向学生提出一些问题，也鼓励学生多提问题。看到某个东西时，费米就会让他的学生定量解释正在发生的事情；看到火炉上的火，费米便向学生询问如何计算火上面真空的含量；看到一个脏的窗户，费米就会问玻璃上最多能附多厚的灰尘。对于这种情形，赛格雷说：“在费米学校中训练年轻人的速度是惊人的，很大程度上成功取决于在年轻人心中所唤起的无限热情——决不*规劝和‘说教’，而是*事实的雄辨”。

费米是一位天才的教育家，他的讲课无比清晰，朴实无华。他的物理学知识，以及他对世界上一切事情的看法都是从非常具体、非常实际的方面开始的，他对繁琐的复杂的形式化理论是不赞许的，他先后在罗马和芝加哥建立了影响深远的物理学派，为意大利继伽利略、伏打以后的物理学复兴，以及战后美国物理学的飞速发展起了巨大的推动作用。

1954年11月28日，费米在创造精力旺盛之年，离开了人世，人们将这位二十世纪最杰出的物理学大师的名字命名元素周期表中的第100号元素，以表示人们的深切怀念。
参考文献：
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