- 恩里科·费米传:原子时代的诞生
- (美)吉诺·塞格雷 贝蒂娜·赫尔林
- 4774字
- 2024-11-03 05:23:37
5.青年门生
在比萨高等师范学校学了四年之后,1922年7月,费米拿到了物理学博士学位。他的论文答辩场面让人大失所望:11位身穿黑袍、头戴方帽的答辩委员颇有些在强忍着哈欠连连。没有人按惯例跟费米握手,或是祝贺他拿到学位。对他们来说,费米讲的内容过于高深了。
随后费米回到罗马。尽管才华横溢,他却没有什么显而易见的就业机会。没有人为他出谋划策,他发现自己举步维艰。真正的困难在于,有大学背景的意大利物理学家并不认可他在理论物理学这一新兴领域中的贡献,而数学家又并不认为他是他们中的一员。那么,谁能成为他的保护人呢?
在意大利要进入学术生涯的既定路线是,先搞到一个给教授当助理的职位,然后是讲师,这是要当老师的资格头衔;年资够了就可以参与角逐教授职位。这意味着要将你的著作提交给由五位教授组成的评审小组,小组成员由教育部选定,这是因为大学是国家机构。在对每一位候选人的价值做出详尽考察后,小组会做出任命。
在这样的体系中,做出的任命往往任人唯亲。就算有人运气够好当上了教授,一开始也基本上只会被分配到一所不入流的大学。几年之后,才有可能调动到重要的中心城市,像是都灵、博洛尼亚或帕多瓦,最后甚至有可能调到罗马。
费米运气挺好,有位举足轻重的赞助人认识到了他的天赋异禀。这位赞助人奥尔索·马里奥·科尔比诺(Orso Mario Corbino)不但异常精明,而且与政治关系密切。科尔比诺于1876年出生于西西里岛东海岸的一个小镇,在他自己的领域里几乎和费米一样引人注目。科尔比诺的父亲有一家小小的意大利面加工厂,母亲虽然出身于当地条件相当优越的家庭,却从没学过读书写字,这在当时西西里岛的妇女中极为普遍。
小奥尔索被送到邻近的城市卡塔尼亚上高中,也在那里上了大学,随后去了岛上最大的城市巴勒莫。在那里他逐渐对物理有了浓厚兴趣。20岁毕业以后,他教了几年高中,自己也还继续做做实验。28岁时,他在墨西拿大学物理学教授职位的角逐中脱颖而出,那是西西里岛的第三大城市。四年之后,他拿到了罗马的教职。
第一次世界大战爆发后,科尔比诺将自己的研究转向对战争有帮助的领域,并因此接触到经济、工业、政治和军事领域的大佬,他们既看到了科尔比诺精通技术,也了解到他在组织和管理上精明强干。科尔比诺进入了这些大佬的社会圈子,对他杰出才能的广泛赞誉也随之而来。1920年,他成为意大利王国的参议员,这是国王选出的终身职位。1921年,他被任命为公共教育部长。
尽管有这些政治和行政上的重要任命,他的物理学教授职位也仍然保留着。荣誉并没有冲昏他的头脑,科尔比诺仍想在象牙塔里的学术世界中勇敢进取,却往往感到沮丧。他在1922年面向参议院的一次讲话中表露了这种情感,抱怨说:“我成了参议员,成了部长……但我怀念科学世界。最重要的是,在苦不堪言的政治世界中,我很后悔离开了那些宁静的日子,那些做着实验、由仪器包围着的日子。”
比起意大利别的物理学泰斗,科尔比诺更为关注发生在量子物理领域的重大进展,然而看到意大利没有人投身于此又令他感到十分苦恼。机缘凑巧,费米出现在科尔比诺的办公室,对这位著名参议员能给他这样的大学刚毕业的雏鸟多少时间心怀忐忑。这位明察秋毫的伯乐在这个年轻人身上看到了大好前程,也看到了实现自己梦想的答案:有了费米,意大利就能为现代物理做出重要贡献。
两个人就此紧密相连。这段关系一直持续到科尔比诺不幸于1937年死于心脏病,英年早逝。在这十五年中,老人给了费米很多金玉良言,有工作上的,也有生活上的;同时也为费米领导下的越来越壮大、越来越成功的科研团体铺平了道路。尽管没有亲身参与,科尔比诺仍然为这个团体的成绩感到自豪,并确保自己几乎每天都能了解到他们的进展。
但科尔比诺为费米做的第一件事,是给他在北欧找了一家大型研究中心让他待着。科尔比诺感觉到,他的青年门生需要挑战,因此想让费米遇到能与他在伯仲之间的人。公共教育部长为大学刚毕业的理科学生提供了一笔在国外学习一年的奖学金,包括科尔比诺在内的选拔委员会,意料之中地一致选择了费米作为1923年的奖学金获得者。
当时世界上在自然科学领域的领头羊是德国,这也是费米1923年1月的目标国家。语言困难不是什么问题,费米的德语已经学得挺好了——不过更多体现在阅读方面而非口语会话。他甚至还应景地给儿时好友佩尔西科用德语写过一封信,署的名是海因里希费米。
20世纪20年代早期,德国出现了两所理论物理的学院,可以当成年轻物理学家的练兵场。这两所学院都专注于原子物理的研究,也都是费米最有可能找到同好的地方。其一在格丁根,所在大学已成为数学界的世界中心长达一个多世纪,而今有马克斯·玻恩(Max Born)掌舵,于是也成了理论物理学界的世界中心。阿诺尔德·索末菲则让慕尼黑成为第二个圣城,他的《原子结构及光谱线》是原子世界的圣经。
费米决定在格丁根用掉他的奖学金。说来也怪,他在格丁根的时光既不令人愉快也没有什么成效。虽说费米在那儿的八个月并没有受到不好的待遇,但也没有迹象表明有人认识到了他前程远大,或是与维尔纳·海森伯(Werner Heisenberg)打过什么交道,他的这位同龄人也是一颗冉冉升起的新星。
费米肯定注意到了,德国物理学家对意大利的物理研究敬意有限。据一位跟他很亲近的同事所说,费米觉得德国人“非常清楚他们的精益求精、他们的未雨绸缪、他们的游刃有余,所有别的国家都来向他们学习,而事实也确实如此。但他们试图说明这一点,并努力强调这一点”。这对这位天之骄子来说是一大困扰。
22岁的费米形单影只,给佩尔西科写信时对格丁根大加嘲讽。信中包括一份滑稽草图,描述德国人对原子散射的认识,以及一幅格丁根女物理学家的典型肖像,全都意在贬损。他跟佩尔西科保证说,考虑到这位女士的相貌,要是找他去婚礼上当伴郎,那可一点儿危险也不会有。
格丁根物理学界的关注焦点和思潮对费米来说都毫无吸引力。他不断追寻的是物理图景,而非在格丁根蔚然成风的数学形式主义。在这方面,将费米与另外三位崭露头角的理论物理天才做一下比较会很有意思。他们都是费米的同龄人,跟费米不同的是,他们三位的天赋在格丁根立即得到了重视。除了海森伯(生于1901年),还有沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli,生于1900年)和保罗·狄拉克(Paul Dirac,生于1902年)。
到1930年,这四位天才全都做出了诺贝尔奖级别的工作,都当上了教授,他们分别在莱比锡、苏黎世、剑桥还有罗马的研究中心,这些地方也都吸引着全球的年轻物理学家。他们四位经常致力于相似的问题,甚至有时会研究同样的问题,但所用研究方式有天壤之别。每个人的研究方法都别具一格,反映出各自的优势和偏好。个人风格在理论物理研究中会起到如此重要的作用,这听起来可能有点奇怪,因为科学结论通常是以非人格化的方式描绘的。但是就跟人类在其他方面的努力一样,是人类的激情和特殊的才能一起塑造了科学上的成就。
泡利和海森伯曾在慕尼黑一同就学于索末菲,随后几年又一起在格丁根给玻恩当助手。狄拉克曾经在剑桥大学上学,那儿可不像意大利一样是物理学的穷乡僻壤。跟这三位天才都不同,费米是自学成才的。此外,费米认为自己身兼实验家和理论家,是行动和概念的结合。
与费米相反,这另外三位可是完完全全吃理论这碗饭的。狄拉克希望数学的优雅和美丽成为他的准绳。他以行事古怪著称,经常简短生硬地以“是”、“不是”或者“这不是问题”来回答问题。海森伯差点儿没通过博士学位的考试,因为他没能答上来蓄电池如何工作,惹怒了考试委员会中的一位实验物理学家。至于泡利,他深为所谓的“泡利效应”而自豪,也就是只要他出现在某个房间,那里的关键仪器就会坏掉。
人们没法想象,这样的故事会有任何一个跟费米有关。他在理论圈子和实验圈子里都能来去自如。多年以后,有人问他是如何进入实验领域的,他大笑着说:“我可永远学不来早上赖床赖得够晚,可那样才能变成理论物理学家呀。”
尽管有效跨越了实验和理论,费米还是有他的局限。他没法做出海森伯因之而名声大噪的跃迁理论,也没法构想出狄拉克那样完美的数学奇迹。就是像泡利那样出了名的挑剔,他也做不到。但是,没有人能像他那样掌握一个问题的所有相关方面并以他的方式得出结论,没有人能像他那样对诸多物理学分支领域都进行过有意义的探索,也没有人能像他那样又快又准地估算出物理现象的数量级。
总而言之,费米确实认识到了德国的理论物理学家所做的贡献。作为实用主义者,他也知道他们不大可能对意大利科学文献感兴趣。因此,费米采用了以德语或英语出版重要文章的方式。出于民族自豪感,他通常还会向意大利期刊提交一份并行版本。
1923年夏末,费米从德国回到意大利,发现自己对统计力学的兴趣与日俱增。这门学问可以让他对热力学(也就是对热量的研究)有更深的理解。热力学是19世纪科学的重大成果之一,是物理学和化学的基石。但是,由于热力学局限于宏观层面,到19世纪下半叶,很多物理学家开始寻求构成宏观状态的微观对象基础。他们提出了这样的问题:“热量均衡是什么意思,这个状态又是怎么达到的?温度究竟衡量的是什么,无序又是怎么出现的?”
这些问题背后的逻辑还可以应用到别的领域。知道一个城市的大小、居民总数和平均年龄可以说明很多问题,但还不足以规划交通模式。上好油的机器可以十全十美地工作,但只有懂得它的组件及组装过程,才能真正领会其功能。从热力学领域要求做出类似的阐释,将物理学家导向了概率问题,费米在整个职业生涯中都对这个话题保持了浓厚兴趣。
对热力学和统计力学的迷恋占用了费米大量时间,但他还是没有工作机会。好在科尔比诺大救星又一次现身,安排他到罗马大学给化学家和生物学家教数学。这样一来,他至少有工资收入了,虽说并不怎么宽绰。费米生活俭省,仍然住在家里。他的物质需求得到了满足,然而在智力方面他觉得自己与世隔绝,看来,只有他的朋友,一直留在罗马给科尔比诺当助手的佩尔西科,是唯一能理解费米的研究有什么意义的数学家。
跟在比萨一样,罗马的数学教席比物理的要多得多。数学教授中有四位都有国际声望,其中最为显赫的是四人中最年长的维多·沃尔泰拉(Vito Volterra),但圭多·卡斯泰尔诺沃(Guido Castelnuovo)、费代里戈·恩里克斯(Federigo Enriques)以及图利奥·列维-齐维塔三位也不遑多让。他们热情欢迎费米,认可他的才华,并预期他会为推动意大利物理学的进展做出贡献。
除了被学术圈子欣然接受,费米发现数学家也形成了紧密的社交圈,并邀请他成为其中一员。这个团体让他能与相匹敌的人比肩,这还是第一次。他们的家人和亲近的朋友通常会在周六晚上聚在一起,多半就在卡斯泰尔诺沃家里谈天说地,从科学进展到家长里短,无所不包。
除了都是伟大的数学家,沃尔泰拉、卡斯泰尔诺沃、恩里克斯和列维-齐维塔四位还有另一个共同点,这一点对费米的人生有着意味深长的影响:他们都是犹太人。意大利只有大约4万犹太人,占全国约四千万人口的千分之一左右,因此这看起来好像是个不同寻常的巧合。但这并非完全在意料之外。
19世纪中期,贫民窟的围墙被拆毁,犹太人终于有了进入大学的机会。犹太文化中教育一直很受重视,这个国家超过十岁的孩子仍然半数以上都是文盲,犹太青年置身其中,便显得鹤立鸡群。此外,就算只被看作有助于成为商人、银行家和医生,数学也一直是犹太人学习的传统科目。一旦大学之门向他们打开,他们往往就会选择数学或与数学相关的领域。
20世纪初是意大利犹太人引以为傲的年代。被关在贫民窟里几个世纪之后,他们作为公民完全融入了这个新的国家。总体说来,他们变得极为爱国。大型犹太教堂在意大利主要城市纷纷建起,取代了在没有标记的建筑物中的密室,以前的礼拜就在那样的密室中进行。1915年意大利对外宣战时,犹太人踊跃从军。时年55岁的沃尔泰拉也参军了,在一个陆军工程兵团当中尉,负责计算火炮轨迹。
不幸的是,这样的爱国主义情感到了20世纪20年代就被消磨殆尽,并最终变成鄙夷。犹太人看到,他们的祖国与希特勒的种族主义信条沆瀣一气,将他们弃如敝履。费米新结交的数学界同事,就是最早感到被反犹太主义扼住咽喉的人。