7.佛罗伦萨

为了得到一个跟他的雄心壮志相称的学术任命，费米还短暂考虑过移民。但他对祖国眷念甚深，因此后来还是继续试着在意大利的大学系统中得到提拔。这个环境对他来说并不适合，因为意大利大多数资深物理教授仍然沉浸在19世纪的物理学中，对相对论和量子理论带来的革新理念要么毫无察觉，要么懒得理会。

幸好还有一些资深物理学家能向前看，而且也身居要职，安东尼奥·加尔巴索（Antonio Garbasso）就是其中一位。和科尔比诺一样，他既在政治上平步青云，也在物理学上功成名就。他既是佛罗伦萨的市长，也是佛罗伦萨大学的物理教授。然而这也意味着，他的时间基本上都在富丽堂皇的旧宫市政厅度过，而很少光顾物理实验室。

加尔巴索和科尔比诺认为，费米、恩里科·佩尔西科和佛朗哥·拉塞蒂这3个二十出头的年轻人，是最可能引领物理学走向现代的火炬手。大学毕业以后，佩尔西科在给科尔比诺当助手，拉塞蒂则在给加尔巴索当助手。这3位青年物理学家中，费米被认为最有前途，现在他们也得给他找一个职位了。佛罗伦萨大学有一个讲师职位，尽管这个位子既没有什么声望也没有多少薪水，加尔巴索和科尔比诺还是觉得，在费米找到一个真正的教授职位之前，这个位子都挺适合他。他俩都竭力主张费米去当这个讲师，而且这还能让他和好友拉塞蒂团聚。费米答应了。

当时，意大利的大学没有校园，各院系分散在整个城市的多栋建筑物中。这意味着佛罗伦萨大学的学生不得不东奔西跑，因为物理系和化学系相隔数英里。伽利略在力战宗教裁判所之后回到佛罗伦萨，生命的最后十年一直被软禁在家。不知是出于象征意义还是实际考虑，物理学院就坐落在伽利略度过最后时光的房子附近。这里叫阿切特里山，有一片美丽的橄榄树丛掩映其间，距离市中心数英里，可以俯瞰城区，美不胜收。这样的风景对便利设施匮乏的学院来说算是一种弥补：最主要的是没有取暖设施，房间里冬天的日平均气温还不到10摄氏度。

在佛罗伦萨给加尔巴索当助手的头两年，拉塞蒂住在跟学院毗邻的一个小房间里，里面只有一张床、一张桌子、一个洗脸池，这就足够他过日子了。学院由一位看门人照管，看门人的妻子会给拉塞蒂做点粗茶淡饭。但是到1924年，拉塞蒂的父亲过世了，母亲想跟她的独生子住得近一些，于是卖掉了她在比萨的房子，在佛罗伦萨买了一套够母子俩一起住的公寓。

这个时机真是再好不过了。1924年底，费米一到佛罗伦萨，就住进了拉塞蒂在阿切特里的小房间。这儿的设施跟他在比萨大学的宿舍一样简陋，饭食也好不到哪儿去，但在莱顿待过之后，他还是觉得兴高采烈。物理学激动人心，而费米有满脑袋的想法。何况拉塞蒂在这儿都能安之若素，他不会比他的朋友更难满足。

费米和拉塞蒂尽管已经是有模有样的物理学家，他们还是很热衷于搞点在比萨读大学时就沉迷其中的恶作剧。拉塞蒂讲过一件发生在阿切特里的轶事。他和费米在附近抓了三十来只壁虎，就在看门人的妻子端着他们的午饭走进小饭厅之前放了出来。接下来天下大乱，两位物理学家拊掌大笑，然而在看到他们的午饭打翻在地之后，就有点笑不出来了。

费米和拉塞蒂的户外活动也是比萨时期的延续：滑雪、徒步、打网球。网球仍然是费米最喜欢的运动之一。别的球友评价说，尽管费米打球的风格不是多么优雅，但他凭顽强就能让别的造诣更高的对手甘拜下风。

这两位青年物理学家很少见得到加尔巴索，他每周只有3次会从旧宫来阿切特里做讲座。因此拉塞蒂并没有多少活儿干，费米的教学任务也很轻，两人有挺多时间可以用于任何他们想做的研究，只要是手头有限的设备和可供支配的微薄预算做得到的。从比萨大学毕业起的两年多时间，费米一直专注于研究理论物理领域的问题。进行实验研究的机会又一次激发了费米，尤其是能跟拉塞蒂一起做，而且还有助于增长知识，能让他知道量子物理跟原子结构有什么关联。

拉塞蒂做实验是把好手，那时他正在研究光谱学。光谱学曾经被看作物理学领域的蛮荒之地而无人问津，对它感兴趣的主要是化学家。从19世纪50年代开始，科学家观察到，一种元素被充分加热之后会释放出电磁辐射。进一步分析发现，不同元素发出的辐射看起来都不一样，而每一种元素的辐射都由特定的频率组成。另外，频率组成的序列通常都符合简单的算术法则。这使光谱学成了极有价值的化学鉴定工具。实际上，元素周期表中好几种新元素就是用这种方法首先探测到的，其中最引人瞩目的就是氦元素。但是，这看起来好像跟原子结构没什么相干。玻尔后来说到，要通过光谱学研究原子结构，就好像试图通过研究翅膀上的颜色来搞懂蝴蝶一样。

1911年，卢瑟福发现原子由电子围绕着很小的中心原子核组成，局面随之改观。两年后，玻尔提出了原子结构的行星模型，在这个模型中，电子环绕着原子核旋转，就像行星环绕太阳旋转一样。带负电的电子与带正电的原子核之间有静电引力，电子就靠静电引力而不是万有引力保持在轨道上。

1900年，普朗克首次引入了量子的概念，他管这叫“绝望的行为”。从那时起，量子物理的领域里就有一座火山在地下酝酿了。为了让基本的热力学原理与实验数据保持一致，普朗克推断，电磁辐射中所含的能量，都是以微小的能量包的形式被吸收或释放的。单个能量包的能量与辐射的频率成正比。这样的能量包，普朗克称之为量子。

在玻尔的原子模型中，当电子从一个能量较高的轨道跳到能量较低的轨道上时，就会释放出量子。量子所含的能量必须等于电子从初始状态到最终状态能量的差值。

通过让电子的轨道半径符合n的平方乘以R的数字序列，玻尔提出的新颖想法使量子物理的概念扩展到氢原子中的电子轨道。其中n是大于或等于1的任意整数，R是最小轨道的平均半径。因为各个电子的能量由电子在原子中的位置直接决定，所以其能量也符合一个序列。整数n描述了给定电子的能量，称为电子的主量子数。

确定的电子轨道解释了为何光谱频率符合神秘的算术法则。测量这些频率的学问就是光谱学，它成了研究原子结构的首要工具。蝴蝶翅膀终究派上用场了。在解释加热过的氢气释放出的频率时，玻尔的原子模型获得了巨大成功，物理学家马上意识到，这个广阔天地可以大有作为。但氢原子只有一个电子，是所有原子中最简单的，将这个理论扩展到用其他元素做的实验中，结果并不令人信服。玻尔模型尽管在接下来的十年中取得了一系列成功，但遭遇的失败也同样多。很明显，有什么关键概念遗漏了。

在光谱中寻找线索成了物理学的中心问题之一。考虑椭圆而非圆形的轨道，根据相对论进行修正，以及外部电场或磁场带来的光谱变化，都在分析之列。深入了解原子的追寻开始了。

在20世纪20年代早期，人们用3个而非1个量子数来描述原子中的每个电子，并认为这3个量子数大体上分别跟轨道尺寸、椭圆率以及相对外部磁场的取向相对应。

1925年初，费米和拉塞蒂开始剖析这个大得多的问题。拉塞蒂向费米提出了一个具体建议：他们应该针对水银蒸气在交变磁场影响下发射出的光的极化进行系列研究。他会提供光谱学的专业知识，费米则可以负责建造电路。

两人得到的结果意义十分重大，足以在权威外国期刊《自然》和《物理学杂志》上发表，但他们并没有显著推动这个领域的进步。不过，他们成为“借助无线电频谱的方法研究原子光谱的第一例”，一直到多年以后，这种技术才得到大量应用，那时无线电频率在光谱学研究中用得越来越频繁了。这一研究的独特之处也在于，费米再次显露出他身兼理论家和实验家的专有技能。

总体来讲，费米觉得佛罗伦萨的职位差强人意。但他渴求进步，想赢得一个教授席位，挣得一份体面的薪水。罗马仍然没有理论物理学教席，因此科尔比诺在罗马数学家的支持下，想要打造一个出来。这将是意大利的第一个理论物理教席。费米对幕后操作情况有所了解，但由于行政事务逡巡耽搁，1925年秋天，他还是决定先参与卡利亚里大学数学物理教授职位的角逐。

10月份费米写信给佩尔西科，信中说道：“鉴于罗马还在未定之数，我准备参与卡利亚里大学的角逐。就算在岛上终老一生的想法未必令人愉快，我也还是觉得双管齐下才是明智之举。”“岛上”指的是卡利亚里所在的撒丁岛，西西里岛和撒丁岛通常是年轻教授在意大利学术圈进阶的第一站。

卡利亚里大学教授选拔委员会的5位教授中有沃尔泰拉和列维-齐维塔，他们把票投给了费米。但委员会另3位都是物理学家，对物理学领域的现代发展很少支持，也缺乏兴趣。卡利亚里大学的职位给了一个比费米大三十岁的人，毫无疑问，没有费米那么般配。委员会的3个老家伙只觉得有义务奖赏他们年齿渐增的老同事，而对年轻的新星不屑一顾。让他们的选择显得更加说不过去的是，在他们慎重考虑的当儿，费米正在写一篇开创性的论文，这篇论文将成为物理世界的重大突破。

论文的缘起要追溯到1924年，当时费米试图将量子理论应用到统计力学概念中，遇到的问题却令他举步维艰。一年后的1925年，在读过沃尔夫冈·泡利发表于《物理学杂志》上的关于所谓“不相容原理”的新文章之后，费米茅塞顿开。

泡利凭借“不相容原理”斩获了1945年的诺贝尔物理学奖，这也是量子物理领域超乎寻常的重大进步。通过解答同一条轨道能被多少电子占据的问题，这一原理让原子光谱中积累起来的所有数据都变得井然有序。不相容原理假定，一个原子中没有哪两个电子所有的量子数都相同。费米几乎马上就发现了泡利的想法有一个创新应用，可以从原子的范围扩展到统计力学中遇到的更大的系统。你可以想象出一团电子气体，或是在金属中自由运动的电子，这些电子的能量也得符合量子法则以及泡利不相容原理。

费米在这个过程中引入的概念最终成为理解大量迥异现象的关键：从绝缘体和电导体之间的差别，到白矮星的稳定性。论文1926年春天首先在意大利发表，随后马上在《物理学杂志》上也发表了。凭借这篇论文，25岁的费米得以跻身世界物理学精英之列；在这个优中选优的圈子里，只有费米是意大利人。费米所有理论工作的特征，也在这篇论文里继续得到体现：选取一个明晰的物理学概念，以旁人未曾有过的方式弄懂它，然后将其应用到一个或多个重要的物理问题中。

费米的论文很快得到了北欧一些大型物理中心的赞赏。随后产生了很多值得关注的运用，其中包括泡利对磁性令人困惑的一面作出的解释，以及索末菲对金属中的电流所做的研究。而今科尔比诺更加担心他的得意门生会受到诱惑离开意大利，因此加倍努力要留住他。他紧赶慢催，罗马大学所设理论物理教席的竞逐终于要在1926年11月开始了。此外，还有佛罗伦萨和米兰这两所意大利的大学，也认为值得设置这样的教席。这样一下子就有了三个理论物理的教授席位。

让费米来罗马也并非一帆风顺。罗马大学有两位物理学教授，其中第二位叫安东尼诺·洛苏尔多（ Antonino Lo Surdo），一点儿都不赞成费米加入他们的队伍。他把年轻人的到来看作对自己位置的挑战，没有兴趣欣然接受新一代，尽管他也能从新鲜血液中获益。20世纪20年代中期的罗马城里，科尔比诺在向前看，想知道年轻人能对意大利新物理学做出什么贡献；而洛苏尔多在向后看，沉迷于昨天的物理学，试图保住老顽固的饭碗。就跟当时别的意大利物理学家一样，洛苏尔多拒绝承认现代发展，也不接受其拥趸。

相对于开明的科尔比诺，保守的洛苏尔多在某些事情上正是其反面。他们的出生年份只差4年，都是西西里人，也都在墨西拿大学教过书。然而，洛苏尔多完全无法与科尔比诺相比，后者即便保持着同事之间的彬彬有礼，要胜过前者也是轻而易举。这三个理论物理席位的裁判委员会中，科尔比诺和加尔巴索都占有一席之地。正如所料，费米拔得头筹，获得了罗马大学的教职。佩尔西科位居榜眼，去了佛罗伦萨。由于佩尔西科离开，科尔比诺的助手这一职位空缺，拉塞蒂就从佛罗伦萨转到了罗马。

凭着新晋教授的影响力，费米期待着在意大利物理学研究和教学姗姗来迟的转变中挑起大梁。对科学的兴趣也在意大利渐渐升温。然而福无双至，虽然在这一方面有所进步，法西斯主义却在另一方面酿造着恶果。

1923年，意大利成立了国家研究委员会，简称委员会（Consiglio）。成立委员会主要是因为，第一次世界大战后大家认识到，一个国家要想经济能蓬勃发展、军队有现代武装，就得有坚实的科研基础。德国有强大的伞形组织，即威廉皇帝学会，成立于1911年，美国的国家研究委员会则在五年后成立。意大利亦步亦趋，成立了自己的变体。这是一个大吉大利的开门红，特别是数学家维多·沃尔泰拉出任了委员会的第一任主席，他以判断无比准确、诚实无可指摘著称。

沃尔泰拉在这个位子上没待多久。1924年马泰奥蒂遇刺之后，沃尔泰拉与另外二十名参议员一起投出对墨索里尼统治的不信任票，坚决表明了自己的正直和独立。投票带来的后果接踵而至。由于对政治忠诚的考量胜过其他方面，沃尔泰拉的影响力逐渐式微。他的委员会主席一职在1926年到期后没再延长，更不幸的是，他在意大利猞猁之眼国家科学院的主席职位也在1926年到期后宣告结束了，而科学院声望卓著，本该独立于政治之外。

与极权主义下的其他受害者一样，科学界被政治力量大肆摧残。墨索里尼坚决要求由对党忠贞的人取代沃尔泰拉担任委员会主席。古列尔莫·马可尼（Guglielmo Marconi）符合要求，但他不是科学家，而是一个著名的发明家，凭借对无线电报的贡献分享了1909年的诺贝尔物理学奖。这个狂热的法西斯分子在“进军罗马”之后立即入了党，现在则成了政府在意大利科学研究领域的代言人。不过，马可尼不是搞学术的，这就让科尔比诺能维持他在大学圈子里的影响力。费米仍然对政治漠不关心，就靠科尔比诺提供指导和保护。

这些政治旋涡影响了意大利科学界，也在公共领域大张旗鼓。然而，20世纪最重大的物理学革命——量子力学，也走到了将永远改变科学景观的紧要关头。