20世紀是物理學的黃金時代，誕生了許多將科學 推向嶄新領域的傑出科學家，其中包括阿爾伯特．愛 因斯坦（Albert Einstein）、維爾納．海森堡（Werner Heisenberg）、尼爾斯．玻爾（Niels Bohr）和理查德．費曼 （Richard Feynman）等物理學巨匠，但在這眾多科學巨 擘中，我們不能忽視另一位同等傑出的核子物理學傳奇 — 恩里科．費米 （Enrico Fermi）。 提起「費米」，人們會聯想到許多與之相關的重要概念和 成就，例如費米實驗室 — 專門研究粒子物理學的著名科學 機構；費米子 — 包括電子在內具奇數半整數自旋的粒子；以 及費米悖論 — 試圖推斷外星生命存在可能性的千古難題。 從各種以費米命名的例子就能充分體現他在科學界無可替 代的貢獻和卓越地位。 恩里科．費米與原子彈 恩里科．費米可算是有份研發出在廣島和長崎引爆的原 子彈，要說的話其責任不次於曼哈頓計劃的首席科學家 J． 羅伯特．奧本海默（J. Robert Oppenheimer）[1]。 故事始於法西斯意大利的種族歧視政策。墨索里尼於 1938年頒布的反猶太政策 [2] 為妻子擁有猶太血統的費米 帶來了切身威脅 [3, 4]。因此在同一年，費米以37歲之齡獲 得諾貝爾物理學獎的同時，就由領獎地斯德哥爾摩直接前往 美國，再也沒有回到意大利 [5, 6]。 1939 年夏天，費米在海森堡於美國進行巡迴演講時遇 見他，並試圖說服他加入哥倫比亞大學物理學系一起共事 [7]，但最令費米費解的是海森堡竟然決定返回德國，為納粹 德國的原子彈計劃效力 [7]。這次招攬失敗所帶來的失望最 終演化成眾人的驚恐，擔心納粹最終能憑藉海森堡的機智頭 腦搶先研發出原子彈，從而贏得戰爭。美國科學家在不斷提 醒政府鈾裂變鏈鎖反應可能帶來的毀滅性威力同時 [8]，眾 人亦決定團結起來全力加速推進鈾研究 [9]。1942年，費米 成功進行了史上第一次受控的核裂變鏈式反應 [6]。隨著第 二次世界大戰的發展，費米加入了曼哈頓計劃，成為洛斯阿 拉莫斯國家實驗室的副總監 [1, 4]。三年後，第一枚原子彈 研發完成，被投放到廣島，造成大規模死亡和災難性的破壞。 芝加哥堆實驗 談到原子彈的發明，我們必須提及芝加哥堆實驗所帶來 的突破。在 1942 年的一個寒冷冬日，費米和同事在芝加哥 大學欖球場下的壁球場中放置了一座 6.1 米寬、7.6 米高的 石墨磚堆，當中含有六噸鈾金屬和 40噸鈾-235，還有一些 鎘棒 [1, 6, 10, 11]。 實驗原理是這樣的：當中子撞擊鈾-235原子時，後者 會裂變成兩顆較小的原子並釋放能量 [6, 12]。這個裂變反 應亦會釋出更多中子作為副產物，分裂其他鈾-235原子， 從而引發連鎖反應，釋放巨大能量 [6, 12]。每摩爾鈾-235 進行裂變後，產物的總重量會比反應前輕約0.2克 [13]。 根據著名方程式E = mc²，上述物質質量的減少能轉化成 約 10¹³ 焦耳的能量。事實上，一公斤鈾-235經裂變反應所 產生的能量，比燃燒一公斤煤所產生的能量高出 250 萬倍 [13]。因此，為了使反應能受到控制，他們在實驗堆裡放入 鎘棒，吸收反應中的一些中子，以控制反應速率和產生的 能量 [6]。如果費米的計算出現錯誤或鎘棒不足以減慢反 應，釋放的巨大能量甚至可以摧毀半個芝加哥 [6]。幸好實 驗取得了空前成功，實現了史上首個受控、自我持續的核鏈 鎖反應。科學家及後再對反應堆設計作大幅改良，大大減少 了其體積，使受控的核鏈鎖反應能應用於體積小至可以用 飛機承載的原子彈內。 費米諾貝爾獎的一個錯誤 諾貝爾獎是科學界最崇高的獎項之一，費米亦無容置疑 地值得擁有這個卓越殊榮。但實際上，費米因著一個後來證 明是錯誤的科學發現而獲獎 [14]。 這其實是一個關於費米發現了核裂變卻不自知的故事。 1938 年，費米因「發現以中子撞擊所產生的新放射性元素， 以及慢中子引發的核反應」獲得諾貝爾獎 [15]。那時已知的 最重元素是原子序數為92 的鈾，而科學界普遍相信費米成 功透過以緩慢移動的中子撞擊鈾，製造出原子序數為93 和 94 的超鈾（鈾外）元素，費米和同事當時分別把新元素命名 為 Ausenium 和 Heperium。可是，德國化學家奧托．哈恩 （Otto Hahn）和弗里茨．斯特拉斯曼（Fritz Strassmann） 其後作出了一個關鍵性的發現，證明在費米的實驗中，鈾經 過撞擊後所產生的元素並不是新元素，而是原子序數為56 的鋇等較輕的元素 [14]。事實上，鈾在中子撞擊下分裂成兩 個較輕的元素 — 這個反應後來被稱為核裂變。基於核裂變 的發現，哈恩在1944年獲得諾貝爾化學獎 [16]；至於其後 在1940 年成功被製造的真實元素 93和 94，它們被正式 命名為錼（neptunium）和鈈（plutonium）[17]。 費米悖論 有一個問題一直困擾科學家，即使像費米如此聰明的物 理學家也深受困擾，那就是外星生物存在的可能性 — 對， 我們指的是外星人！從地心說到意識到我們並非身處宇宙 中心；從認為銀河系就是宇宙的全部，到發現宇宙其實擁有 數十億個星系 [18]，我們至今應該知道，在這廣闊無垠的宇 宙中，我們並非特殊的一群。費米曾提出，如果我們的地位 並非超然，而地球與無數恆星和行星相比下亦算年輕，那麼 外星文明應該早已演化並在附近星系殖民 [19]。然而，外星 人呢？遺憾的是在這個問題有進一步發現之前，費米就已於 1954 年逝世，疑問只好留給後世科學家解答了。儘管科學 家仍就這個範疇進行研究，亦有發表大量論文，但這個問題 至今仍未得到解決，並存在廣泛爭議。 費米問題 在人類首次引爆原子彈的「三位一體」（Trinity Test） 核試中，費米把紙張撕成碎屑，然後從1.83米的高度扔出 紙屑 [20]。在距離爆炸點16公里的地方 [21]，他觀察到紙 屑移動了約2.5米，利用這項資訊結合一系列推斷和計算， 他嘗試估算爆炸釋放的能量。雖然他採取了看似風馬牛不
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