2020年2月22日 星期六

費米子構成我們的世界 費米悖論尋找外星人 量子力學(16)


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里科·費米義大利語Enrico Fermi;1901年9月29日-1954年11月28日)(後面簡稱費米)出生在意大利首度羅馬的一個鐵路工人家庭。作為家中最小的孩子,童年的費米 (Fermi)身材瘦小不愛說話,看上去很沒精神,因此給人一種缺乏想像力,不夠聰明的感覺,後來甚至一度和愛因斯坦一樣,被懷疑智商低下。

事情是這樣的,在上小學二年級時,老師問費米:「鐵能製造什麼?」當時的費米(Fermi)每天上下學都要經過一個叫「鐵床工廠」的地方,因此就想也沒想的回答:「鐵能製作床。」雖然這個回答在原則上並沒錯,但不知怎麼回事,老師卻對費米(Fermi)給出的答案很不滿意,並由此認定費米(Fermi)是個智商低下的孩子,更無言的是老師的這個看法居然得到了費米母親的認同。她們哪裏知道,費米(Fermi)其實是個非常聰慧的孩子
雖然不善言談,但費米(Fermi)卻很善於思考問題,10歲的時候他就能獨立理解表示圓的公式X2+Y2=R2,很早就能熟練掌握意大利語、拉丁語和希臘語。很快費米(Fermi)在物理學上的造詣也凸現出來。

1918年接近成年的費米(Fermi)以極高的分數考進了比薩高等師範學院。在入學考試時,費米(Fermi)寫的一篇名為《聲音的特性》的論文引起了主考教授的關注,這是一篇介紹有關振簧的偏微分方程的傅里葉級數解的文章。主考教授對於一個不到18歲的青年能夠寫出如此高深的文章感到非常吃驚,特意把費米(Fermi)叫到辦公室進行了一次單獨「會面」。從那時起,費米就引起了物理學權威們的關注。

在比薩高等師範學院的四年中,費米(Fermi)更加系統的學習了物理跟數學的專業知識憑藉在物理學方面的高深造詣,費米(Fermi)在進入高年級後,就已經掌握了比很多教師還要多的物理知識,甚至對愛因斯坦的相對論有獨到的見解。這樣的情況導致當時的學校裡出現一個很另類的景象,那些教授們不但不給費米上課,反而還經常像學生一樣坐下來聽費米(Fermi)上課!

當沃爾夫岡·泡利發表了他一生之中最重要的成就——泡利不相容原理。泡利在海量的原子光譜數據中發現,原子中的電子不能具有完全相同的量子數,也就是狀態,這解釋了不同元素的核外電子在周期表中的排列規律。
第二年費米(Fermi)根據泡利不相容原理,給出了電子以及其他自旋為半整數的粒子所遵循的統計規律。由於他和保羅·狄拉克幾乎同時發表這一成果,統計物理中稱之為費米-狄拉克分佈,而自旋為半整數的粒子都稱之為費米子。
標準模型中,自旋為半整數的粒子稱為費米子,自旋為整數的粒子稱為玻色子組成原子的質子、中子、電子都屬於費米子

說起外星人這個話題,費米悖論是必須要提一提的。什麼是費米悖論?
他經常把一些複雜的物理學問題簡單化處理,再一次同幾位科學家吃午餐的時候,他們聊起了外星人的話題。費米(Fermi)當時就提出了一個悖論,「外星人他們在哪兒?」就這麼簡答的一句話便被大家奉為費米悖論。什麼是悖論呢?簡單點說就是同一個問題中隱含著兩個對立的結論,並且這兩個結論都能合理的解釋這個問題。費米悖論的第一個隱藏含義就是從人類可觀測宇宙來講,外星人是存在的,並且如果外星人比人類早進化100萬年的話應該已經來到地球,並留下過痕跡。第二個對立結論就是外星人根本不存在,因為我們至今沒有發現過任何可靠的關於外星人存在的信息。


費米(Fermi)提出了很多物理學理論為未來的物理學奠定了發展基礎。本人還參加過著名的曼哈頓核武器計劃,跟奧本海默並稱美國的原子彈之父。並且經過他培養的學生中有6個獲得過諾貝爾獎,在二十世紀費米可以算是瞞厲害的物理學家。
下一集我要講海森堡的測不準原理

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