余昕:细推物理须行乐——读费米
发布时间:2017-09-10
作者:余昕

  年初的时候,一位在代谢与糖尿病领域颇有建树的老先生来我们系讲学,因为对他的工作感兴趣,我便让系里安排了学术报告后的单独面谈。轮到我的时候,老先生已经马不停蹄地跑了快一天了,依然谈兴甚浓。和所有这种形式的面谈类似,我们从各自的工作开聊,然而聊了不久便发现,我们原来都在MIT的Francis Bitter磁实验室做过研究。Francis Bitter Magnet Lab在90年代尚是一所国立实验室,设备优良,号称同时拥有地球上最强和最弱的磁场,吸引了不少人去那里做研究。我当时对科研尚懵懂,经一位做博士后的科大学长的推荐,也成了其核磁共振实验室的一员。不幸的是,半年后实验室主任被查出患了前列腺癌,没多久就去世了,我只好换个实验室重新开题。我万万没有料到二十多年后,我面前坐着的这位老先生,竟是老主任葬礼上的抬棺者。

  有了这层关系,谈话随意了许多,话题也从医学研究转到了物理学。老先生本科就读于哈佛物理系,是费米的粉丝,也曾经在芝大工作过,还差点儿买下了费米当年住过的房子。但例行检查时因发现放射性高于正常指标,考虑到家中尚有年幼的孩子,只好作罢。“So there are still atoms in that house!”老先生说这话的时候快活地眨着眼睛,笑容如稚子一般单纯。《原子在我家中》中译本出版时,我还在读中学。记得老爸在书店见到这本书时如获至宝,买回家废寝忘食地给读完了,还划了许多的杠杠。可惜我那时物理学知识少得可怜,费米夫人在书中描写的那个世界和那种生活方式,对我来说实在太遥远和陌生了,书中的内容竟然没记住多少。然而我想,在专业与职业的选择上,我可能还是潜移默化地受了影响的。

  末了老先生向我推荐了这本刚出版不久的费米传记,传记的作者是一对夫妻档的作家,丈夫Gino Segre是费米的大弟子、1959年诺贝尔物理奖得主Emilio Segre的侄子。Gino Segre本人也是一位物理学家,博士毕业于MIT物理系,退休前是宾大物理系教授,晚年开始从事科学史与科学家传记的创作,亦是成果斐然。物理学家伙写物理学教主,况且还有从大牛叔叔那里得来的第一手资料,还有什么比这个更能勾起人阅读的欲望呢?

  书很快便被我下载到了手机上,然而我的阅读却进展缓慢。在这个互联网无孔不入地渗透了我们生活的时代,连工作都要从玩微信的间隙里挤出时间来才能完成(姬扬博主语),更不要说读闲书了。好在今年四月以来长途旅行较多,到了上万米的高空,没有了互联网上的喧嚣,又有十几个小时的旅途需要打发,我得以以从容悠闲的心态,跟着作者行云流水般的叙述,去重温物理学上一段迷人的历史。

  书果然如老先生所言,大量地涉及了近代物理学的发展,但读来却一点儿都不觉得枯燥与深奥。念研究生的时候,为拓宽学生的知识面,系里规定所有的人必须修一门专业之外的课程,我选修了“核反应堆”一课,因此对费米的工作略知一二,但也仅限于皮毛而已,对于许多理论和实验的来龙去脉,了解的并不透彻。这本书恰好弥补了这方面的不足,从罗马的热中子实验,到芝大的第一座可控核反应堆,那些趣味盎然的史料和一个个让人兴奋不已的实验,生动地讲述了核物理的发展史,令人不忍释卷。

  翻过书的最后一页,飞机已经快要在浦东机场降落了,我意犹未尽地做了几个截屏,趁着排队入关的当口给发到了朋友圈。

  

  最后一图

喜欢搜集著名案例的刘立老师看过来,《自然》的小编说了,beta衰变理论"contained abstract speculations too remote from physical reality to be of interest to the reader." 不过,书作者还是蛮善解人意的,也表明了一个物理学家应有的客观态度:那个时代物理学研究日新月异,令人眼花缭乱、三观俱毁的理论层出不穷,质子、中子、电子还没有完全被消化呢,人们正被它们轰得晕头转向,这里又横空蹦出了新的粒子、新的力,的确是 overly fanciful!是啊,等到1956年中微子被发现时,已经是22年以后了,费米本人也已经作古了,谁敢说小编的谨慎没有道理呢?

  这个故事不由让人想到最近炒得沸沸扬扬的韩春雨事件。生物学近二三十年来的高速发展,不亚于二十世纪初的物理学,只不过现象更复杂,更让人找不到北。另一个不同之处是,现代的科学研究不仅有政府在财力物力上的大量投入,也有商业和金融资本的深深卷入,连科学出版业也变成了可以牟暴利的产业。不知费米的理论拿到今天来发表,是会很快刊登以吸引眼球,还是依然遭到被拒稿的命运?其实,科学杂志只是一个科学研究的交流平台,只要不是有意造假,在探索未知的过程中出现一些错误的结论也很正常。若是去掉影响因子、论文奖励这些和科学无关的东西,科研的泡沫和造假会少许多。不过,从几个学术界的微信群上去年以来对此事的讨论,以及这篇论文的最后撤稿,可以看出还是不乏冷静有责任心的学者的,也让我对科学界的自律与纠错机制抱有信心。

  如今,beta衰变理论已经和费米-狄拉克统计一道,作为费米在理论物理领域的杰出工作,被写进了物理学史与物理教科书。费米的学生、曾经担任过加州理工校长和普林斯顿高等学术研究院院长的 Marvin Goldberger 更是这样说到:"Any physicist who has not read Fermi's 1934 paper on beta decay should rush out and do so immediately … it is the very epitome of what a scientific paper should be. The problem is stated clearly, a solution is presented, and the results compared with experiment. No smooth talk, no pretension, no promise that this is the first of a long series, etc. Just the facts!"

  beta衰变和费米-狄拉克统计,还只是费米对理论物理的贡献。费米的伟大之处,在于他不仅仅是一个有超凡想象力和深邃洞见的理论物理学家,他更是一位接足了地气的实验物理学家。理论物理学家尽可以让想象力像天马行空一般驰骋,留下正电子、引力波、上帝粒子的预言,让搞实验的家伙们穷其一生去寻找。然而实验物理就不同了。你要想用光干涉来找引力波吗?你得先估算一下引力波的强度,看看你需要多长的臂长才能够达到足够的检测精度。除此之外,你还要设计出一套无比复杂的装置,把所有可能干扰测量的因素降到最低。这还不够,你还要在千里之外复制一套同样的装置,让两台干涉仪检测到信号的时间差符合理论计算。即便如此,你还要面对同行和公众的质疑,继续耐心观察,等待下一个信号的出现。期间要面对的大量繁复的细节和一次次的无功而返,是常人无法想象的。

  而费米正是一位事必躬亲对细节孜孜以求的实验物理大师。1926年,年仅25岁的费米自佛罗伦萨转至罗马,出任罗马大学物理学院理论物理教授。他很快组建了一支年龄从18到25岁不等的年轻团队,立志要在理论和实验物理上均有所建树。这支小虎队因实验室坐落在一条名为 Via Panisperna 的小街上,史称 the Via Panisperna boys,在费米的领军下,他们彻底改变了自文艺复兴以来意大利物理学界沉寂的面貌,费米本人也成为自伽利略以来最杰出的意大利物理学家。这本书的第十五章,the Neutron Comes to Rome,用详实生动的笔触,讲述了这群大男孩用中子诱发核反应的过程,让人一窥费米作为实验物理大师的魅力与风采。

  

  费米和他的小虎队,左起Oscar D'Agostino (1901-1975), Emilio Segrè (1905-1989), Edoardo Amaldi (1908-1989), Franco Rasetti (1901-2001) and Enrico Fermi (1901-1954)

  继1931年小居里夫妇用alpha粒子轰击石蜡,1932年查德威克由此发现中子后,费米凭着他出色的物理直觉意识到,用不带电的粒子来诱发核反应,效率会比用alpha粒子高出许多。于是在1934年,即beta衰变理论发表的同一年,费米率领着他的小虎队,把元素周期表上的元素按顺序用中子轰了个遍。在短短15个月的时间里,他们一共在意大利的《探索 La Ricerca》杂志上发表了10篇有关中子辐射的论文。同行们很快就认识到了这一发现的重要性,纷纷索稿,一时间洛阳纸贵,哥大的拉比更是开玩笑说:“这下我们都要被迫学意大利语了。”

  这10篇论文的最初两篇,费米均是唯一的作者,那些实验也是由他一人独立完成的。当时为了避免背景噪声,费米把用来检测放射性的盖格计数器放在了远离中子源的另一间房间。这样每当一个样本用中子辐射完后,他必须以最快的速度取下样本,飞速跑到走廊另一头的房间去进行测量。等小虎队的其他成员也参与到实验中后,费米依然身体力行,并常常自诩是跑得最快的一个。费米夫人曾经讲过这样一个故事:有次一位西班牙学者慕名去罗马拜访费米,到了物理学院进门遇上了薛格雷,便毕恭毕敬地向薛格雷打听在哪里可以找到费米阁下,薛格雷随口说到:“教主在楼上。”来人于是上楼去找,哪知一到楼上,便和走廊上两个穿着白大褂飞速奔跑的年轻人撞了个满怀,其中一个正是费米阁下!

  费米这种亲自参与实验的风格,贯穿了他的一生。即便在他成为诺贝尔奖得主,领导核反应堆的研制时,依然如此。也正是这种亲临现场,亲自参与的风格,才给我们留下了用一把纸片测原子弹当量的佳话,成就了一代传奇。费米这样做,源于他对物理学的热爱。而对物理学的专注,也使得他没有像同时代的许多物理学家那样卷入政治,而是尽可能地回避。对于费米来说,物理学才是高于一切的。然而费米的这种立场,并没有遭到同行的非议,而是得到了从奥本海默到泰勒的一致尊重。

  没有什么比费米临终前的那段日子更能体现他对物理学的热爱了。杨振宁先生曾在一篇文章中回忆他去医院看望费米时的情形,费米在病榻上还在修改着核物理讲义,脸上毫无悲苦之色,令杨感动不已。一生视费米为良师益友的薛格雷赶到医院时,费米已经无法进食了。然而此刻的费米却在专心致志地用秒表计算着胃管的流量,就像平时在实验室做实验一样。

  这个小故事令我唏嘘不已,我把它讲给了学物理的先生听,先生听完后沉吟片刻说:

  费米就是为物理学而生的。

  

  

对不起,暂时没有内容!
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