环球科学朝圣

第五节 费米开创原子能时代

　　费米出生在意大利罗马，从小就具有不寻常的记忆力。与他父亲同在通讯部门工作的一位同事艾米蒂，觉得这个孩子可堪造就，就经常给他读数学、物理方面的书。费米上初中后，就在数学和物理方面显示出非凡的才能，据说已经具备大学研究生的水平了。

　　1918年，费米向比萨高等师范学校申请奖学金，以减轻家庭对他的经济负担。当时他向校方提交了一篇题为《声音的特殊性能》的论文，一个刚离开中学的17岁的年轻人，竟能写出这样高深的论文，不能不让评审员感到惊奇，他的申请很快就获得批准。

　　入校一年后，他就成了学校里量子理论方面的权威，就连教授也常常向他求教。

　　1922年，费米获得了比萨大学授予的博士学位。在比萨读书期间，他每次从举世闻名的斜塔经过时，都要肃然起敬，伫立片刻。费米在缅怀伽利略的科学功绩时，时时不忘提醒自己，伽利略的故乡在物理研究方面不该落在英、法、德等国的后面。

　　离开比萨后，费米回到了罗马，遇到罗马大学物理实验室主任科尔宾诺。他一眼就相中了费米的才干，认定费米就是复兴意大利物理的希望，便专门在罗马大学开设了理论物理学讲座，聘请费米担任首席教授。27岁那年，费米又被任命为意大利皇家科学院的院士，成为当时欧洲最年轻的科学家。

　　1933年，居里夫人的女儿伊伦娜和丈夫约里奥一起用α粒子轰击铝原子，却获得了一种自然界中并不存在的同位素——元素磷的放射性同位素。这个消息很快就传到罗马，费米心里想，人家用α粒子，那我们就用中子。α粒子带正电荷，原子核也带正电荷，它们之间的排斥力一定要损耗一部分冲击力；如果用中性的中子，就可以避免这种损耗，轰击的效果肯定更好。

　　那么，中子从哪里来呢？用镭放射的α粒子轰击铍原子，可以得到中子，但镭的价格非常昂贵，当时买一克镭需要3.4万美元，费米领导的研究小组买不起，只好用氡来代替镭，对着所有能找到的元素进行轰击。

　　这个方法果然立见成效，他们在几个月的时间里，就发现了60多种自然界中不存在的同位素。比如，从普通的钠得到放射性的钠，从普通的碘得到放射性的碘，从氯得到放射性的磷，从硅得到放射性的铝等等。

　　当时，排在元素周期表上最后一位的是92号元素铀。费米的研究小组用中子轰击它时，发现铀被强烈地激活了，并产生出好些种元素。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内，使铀的原子量增加转变而成的。

　　发现93号新元素的实验报告发表后，立刻在世界各国的科学家中引起了一场激烈而持续的争论，不少人对此持怀疑态度。为了给出定论，费米研究小组继续进行攻关实验，却意外地取得了另一项重大发现。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，速度会大大降低。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，这就好比速度太快的篮球容易从篮筐上弹出去，而速度较慢的篮球更容易进篮。此后，使用慢中子轰击原子核的方法很快被各国科学家采用。

　　1938年11月10日，费米接到来自斯德哥尔摩瑞典科学院的电话，通知他获得了诺贝尔物理学奖。费米带着全家去斯德哥尔摩领奖，然后却没有返回意大利，而是登上了去美国的轮船。哥伦比亚大学如获得至宝，主动为他提供职位，把这位世界上最伟大的科学家留在自己的学校中。

　　费米离开意大利是有原因的。他的妻子是犹太人，而意大利法西斯政府追随希特勒，也颁布出一套迫害犹太人的粗暴法律，如果留在意大利，他担心以自己的能力保护不了妻子的人身安全。费米的这个担心并非没有道理，他本人强烈反对墨索里尼独裁统治，已经上了黑名单，法西斯不会因为他得了诺贝尔奖，就轻易放过他。

　　就在费米领到诺贝尔奖后的12天，德国威廉皇家化学研究所的化学家哈恩就把一篇论文寄给柏林的《自然科学》杂志，报告了他和另一位化学家斯特拉斯曼与女物理学家梅特涅合作进行的一个实验。他们用慢中子轰击铀元素，而且用化学方法分离和检验核反应的产物，获得了令人难以置信的结果：铀核在中子的轰击下，分裂成大致相等的两半，它们不是93号新元素，而是56号元素钡。

　　《自然科学》杂志在1939年1月登出了这篇论文。费米得知这个惊人的消息后，一头扎进哥伦比亚大学实验室，利用那里较好的设备，重复了哈恩等人的试验，结果证明哈恩是对的，也就是说，诺贝尔奖发错了！

　　面对这个事实，费米感觉非常难堪。然而，让人们有些吃惊的是，费米坦率地检讨了自己的错误，随即认真探讨起哈恩等人提出的新设想，并接受了他们提出的“裂变理论”，又在它的基础上发展出了一种新的假说：当铀核裂变时，会放射出中子；这些中子又会击中其他铀核，于是就会发生一连串的反应，直到全部原子被分裂。这就是着名的“链式反应理论”。根据这一理论，当裂变一直进行下去时，巨大的能量就将爆发。如果制成炸弹，它在理论上的爆炸力将是TNT炸药的2000万倍！

　　“链式反应”还停留在理论阶段时，费米就预见到了这种反应有可能用于军事目的。早在1939年3月，他就与美国海军界接触，希望引起他们对发展原子武器的兴趣。当美国政府开始酝酿原子弹计划时，建立一个原子反应堆就成了科学家的首要任务，以探明链式反应是否确实可行。费米作为这方面的权威，当仁不让地成为世界第一座核反应堆攻关小组的组长。1941年底，费米在哥伦比亚大学主持建造了世界上第一座原子反应堆，实现了自持式链式反应，为制造原子弹迈出了决定性的一步。

　　1942年，由费米领导的40余位科学家秘密进驻芝加哥大学，开始建造世界上第一座核反应堆。要制造原子弹，必须先建造核反应堆，因为设计原子弹所需要的许多重要数据和机理，必须事先在反应堆的实验中取得。芝加哥大学校园里有一个废弃的破旧运动场，名叫斯塔格广场，它的西看台下是一个室内网球场。当时第二次世界大战正打得吃紧，费米等人心中明白他们的探索将使原子武器的研制成为可能，因此对时间抓得很紧。没过多久，一个被气球罩住的反应堆就矗立起来了。12月2日上午9点45分，费米下了第一道命令：“启动！”被命名为“芝加哥”第一号CP-1的核反应堆成功地进入工作状态。

　　下午3点53分，费米刚一宣布反应停止，理论物理学家威格纳就把早已准备好的一瓶吉安提酒递上来。费米启开瓶盖，给大家分发了纸杯。科学家们互相祝贺，并在这瓶酒的商标纸上签下自己的名字。这个商标纸成了事后考证有谁参加这次实验的唯一书面记录。

　　说来也巧，1492年意大利航海家哥伦布横渡大西洋，发现了美洲新大陆；1942年，又有一位意大利“航海家”登上另一块“新大陆”——成功地释放出了蕴藏在原子核中的巨大能量。1492中间的两个数字一颠倒，就变成了1942，这应该说是一个巧合，但确实有两个意大利人“颠倒”了世界。

　　1954年夏天，费米在一次探查性手术中，被发现得了胃癌。仅仅挨到这一年年底，这位年仅53岁的伟大科学家就与世长辞，死后他的遗体被安葬在芝加哥，用他的灵魂继续呵护着他为之竭尽心力的人类第一座核反应堆。

　　科学小常识

　　计算天才

　　1945年7月，世界上第一颗原子弹试爆成功。40秒钟后，冲击波传到费米和他的学生们驻扎的基地，他把一些碎纸屑扔向空中让其随风飘落，通过纸片被吹飞的距离，迅速地计算出原子弹产生的威力相当于一万吨烈性炸药，而这个结果和仪器检测的结果非常接近。

　　学生们都非常佩服他，但并不感到惊奇，因为他是个计算天才。他伸出拇指，就能准确地测出一座山的距离，一棵树的高度，还能计算出一只小鸟的飞行速度。

　　然而，在生活中费米就不这么神了。

　　有一次，费米夫人让他给家里装挡风窗，以抵御寒风。费米经过计算后，发现挡风窗对提升室内温度的作用几乎可以忽略，于是就没有照夫人的吩咐做。过了好几个月后，挡风窗装上了，家里的温度提高了不少。这是怎么回事呢？费米一检查，发现他上次计算时把小数点挪错了一位。