環球科學朝聖

第五節 費米開創原子能時代

　　費米出生在意大利羅馬，從小就具有不尋常的記憶力。與他父親同在通訊部門工作的一位同事艾米蒂，覺得這個孩子可堪造就，就經常給他讀數學、物理方麵的書。費米上初中後，就在數學和物理方麵顯示出非凡的才能，據說已經具備大學研究生的水平了。

　　1918年，費米向比薩高等師範學校申請獎學金，以減輕家庭對他的經濟負擔。當時他向校方提交了一篇題為《聲音的特殊性能》的論文，一個剛離開中學的17歲的年輕人，竟能寫出這樣高深的論文，不能不讓評審員感到驚奇，他的申請很快就獲得批準。

　　入校一年後，他就成了學校裏量子理論方麵的權威，就連教授也常常向他求教。

　　1922年，費米獲得了比薩大學授予的博士學位。在比薩讀書期間，他每次從舉世聞名的斜塔經過時，都要肅然起敬，佇立片刻。費米在緬懷伽利略的科學功績時，時時不忘提醒自己，伽利略的故鄉在物理研究方麵不該落在英、法、德等國的後麵。

　　離開比薩後，費米回到了羅馬，遇到羅馬大學物理實驗室主任科爾賓諾。他一眼就相中了費米的才幹，認定費米就是複興意大利物理的希望，便專門在羅馬大學開設了理論物理學講座，聘請費米擔任首席教授。27歲那年，費米又被任命為意大利皇家科學院的院士，成為當時歐洲最年輕的科學家。

　　1933年，居裏夫人的女兒伊倫娜和丈夫約裏奧一起用α粒子轟擊鋁原子，卻獲得了一種自然界中並不存在的同位素——元素磷的放射性同位素。這個消息很快就傳到羅馬，費米心裏想，人家用α粒子，那我們就用中子。α粒子帶正電荷，原子核也帶正電荷，它們之間的排斥力一定要損耗一部分衝擊力；如果用中性的中子，就可以避免這種損耗，轟擊的效果肯定更好。

　　那麽，中子從哪裏來呢？用鐳放射的α粒子轟擊鈹原子，可以得到中子，但鐳的價格非常昂貴，當時買一克鐳需要3.4萬美元，費米領導的研究小組買不起，隻好用氡來代替鐳，對著所有能找到的元素進行轟擊。

　　這個方法果然立見成效，他們在幾個月的時間裏，就發現了60多種自然界中不存在的同位素。比如，從普通的鈉得到放射性的鈉，從普通的碘得到放射性的碘，從氯得到放射性的磷，從矽得到放射性的鋁等等。

　　當時，排在元素周期表上最後一位的是92號元素鈾。費米的研究小組用中子轟擊它時，發現鈾被強烈地激活了，並產生出好些種元素。他們認為，在這些鈾的衰變產物中，有一種是原子序數為93的新元素，這是由於中子打進鈾原子核內，使鈾的原子量增加轉變而成的。

　　發現93號新元素的實驗報告發表後，立刻在世界各國的科學家中引起了一場激烈而持續的爭論，不少人對此持懷疑態度。為了給出定論，費米研究小組繼續進行攻關實驗，卻意外地取得了另一項重大發現。中子在到達被輻射物質之前，和含氫物質中的氫原子核碰撞，速度會大大降低。這種降低了速度的“慢中子”，更容易引起被輻射物質的核反應，這就好比速度太快的籃球容易從籃筐上彈出去，而速度較慢的籃球更容易進籃。此後，使用慢中子轟擊原子核的方法很快被各國科學家采用。

　　1938年11月10日，費米接到來自斯德哥爾摩瑞典科學院的電話，通知他獲得了諾貝爾物理學獎。費米帶著全家去斯德哥爾摩領獎，然後卻沒有返回意大利，而是登上了去美國的輪船。哥倫比亞大學如獲得至寶，主動為他提供職位，把這位世界上最偉大的科學家留在自己的學校中。

　　費米離開意大利是有原因的。他的妻子是猶太人，而意大利法西斯政府追隨希特勒，也頒布出一套迫害猶太人的粗暴法律，如果留在意大利，他擔心以自己的能力保護不了妻子的人身安全。費米的這個擔心並非沒有道理，他本人強烈反對墨索裏尼獨裁統治，已經上了黑名單，法西斯不會因為他得了諾貝爾獎，就輕易放過他。

　　就在費米領到諾貝爾獎後的12天，德國威廉皇家化學研究所的化學家哈恩就把一篇論文寄給柏林的《自然科學》雜誌，報告了他和另一位化學家斯特拉斯曼與女物理學家梅特涅合作進行的一個實驗。他們用慢中子轟擊鈾元素，而且用化學方法分離和檢驗核反應的產物，獲得了令人難以置信的結果：鈾核在中子的轟擊下，分裂成大致相等的兩半，它們不是93號新元素，而是56號元素鋇。

　　《自然科學》雜誌在1939年1月登出了這篇論文。費米得知這個驚人的消息後，一頭紮進哥倫比亞大學實驗室，利用那裏較好的設備，重複了哈恩等人的試驗，結果證明哈恩是對的，也就是說，諾貝爾獎發錯了！

　　麵對這個事實，費米感覺非常難堪。然而，讓人們有些吃驚的是，費米坦率地檢討了自己的錯誤，隨即認真探討起哈恩等人提出的新設想，並接受了他們提出的“裂變理論”，又在它的基礎上發展出了一種新的假說：當鈾核裂變時，會放射出中子；這些中子又會擊中其他鈾核，於是就會發生一連串的反應，直到全部原子被分裂。這就是著名的“鏈式反應理論”。根據這一理論，當裂變一直進行下去時，巨大的能量就將爆發。如果製成炸彈，它在理論上的爆炸力將是TNT炸藥的2000萬倍！

　　“鏈式反應”還停留在理論階段時，費米就預見到了這種反應有可能用於軍事目的。早在1939年3月，他就與美國海軍界接觸，希望引起他們對發展原子武器的興趣。當美國政府開始醞釀原子彈計劃時，建立一個原子反應堆就成了科學家的首要任務，以探明鏈式反應是否確實可行。費米作為這方麵的權威，當仁不讓地成為世界第一座核反應堆攻關小組的組長。1941年底，費米在哥倫比亞大學主持建造了世界上第一座原子反應堆，實現了自持式鏈式反應，為製造原子彈邁出了決定性的一步。

　　1942年，由費米領導的40餘位科學家秘密進駐芝加哥大學，開始建造世界上第一座核反應堆。要製造原子彈，必須先建造核反應堆，因為設計原子彈所需要的許多重要數據和機理，必須事先在反應堆的實驗中取得。芝加哥大學校園裏有一個廢棄的破舊運動場，名叫斯塔格廣場，它的西看台下是一個室內網球場。當時第二次世界大戰正打得吃緊，費米等人心中明白他們的探索將使原子武器的研製成為可能，因此對時間抓得很緊。沒過多久，一個被氣球罩住的反應堆就矗立起來了。12月2日上午9點45分，費米下了第一道命令：“啟動！”被命名為“芝加哥”第一號CP-1的核反應堆成功地進入工作狀態。

　　下午3點53分，費米剛一宣布反應停止，理論物理學家威格納就把早已準備好的一瓶吉安提酒遞上來。費米啟開瓶蓋，給大家分發了紙杯。科學家們互相祝賀，並在這瓶酒的商標紙上簽下自己的名字。這個商標紙成了事後考證有誰參加這次實驗的唯一書麵記錄。

　　說來也巧，1492年意大利航海家哥倫布橫渡大西洋，發現了美洲新大陸；1942年，又有一位意大利“航海家”登上另一塊“新大陸”——成功地釋放出了蘊藏在原子核中的巨大能量。1492中間的兩個數字一顛倒，就變成了1942，這應該說是一個巧合，但確實有兩個意大利人“顛倒”了世界。

　　1954年夏天，費米在一次探查性手術中，被發現得了胃癌。僅僅挨到這一年年底，這位年僅53歲的偉大科學家就與世長辭，死後他的遺體被安葬在芝加哥，用他的靈魂繼續嗬護著他為之竭盡心力的人類第一座核反應堆。

　　科學小常識

　　計算天才

　　1945年7月，世界上第一顆原子彈試爆成功。40秒鍾後，衝擊波傳到費米和他的學生們駐紮的基地，他把一些碎紙屑扔向空中讓其隨風飄落，通過紙片被吹飛的距離，迅速地計算出原子彈產生的威力相當於一萬噸烈性炸藥，而這個結果和儀器檢測的結果非常接近。

　　學生們都非常佩服他，但並不感到驚奇，因為他是個計算天才。他伸出拇指，就能準確地測出一座山的距離，一棵樹的高度，還能計算出一隻小鳥的飛行速度。

　　然而，在生活中費米就不這麽神了。

　　有一次，費米夫人讓他給家裏裝擋風窗，以抵禦寒風。費米經過計算後，發現擋風窗對提升室內溫度的作用幾乎可以忽略，於是就沒有照夫人的吩咐做。過了好幾個月後，擋風窗裝上了，家裏的溫度提高了不少。這是怎麽回事呢？費米一檢查，發現他上次計算時把小數點挪錯了一位。