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第62章

费米于1901年9月29日出生于意大利罗马。从小被送到乡下托人代养,3年后才回到父母身边。少年费米的动手能力极强,显示出在物理学方面的天赋。他与比他大一岁的哥哥制作电力发动机和飞机模型。哥哥不幸夭折之后,他又和哥哥的同学波斯科玩那些有科学启蒙性质的游戏,他们绘制了当地的地理磁场图,甚至创立了他们自己的回旋器学说。上中学时,费米的物理学知识已经超过了老师,被誉为“神童”。1918年,费米进入意大利最高学府比萨大学攻读,4年后拿到博士学位,时年仅21岁,打破了该大学最年轻的博士纪录。其后,他又先后获得海德尔堡大学、乌得勒支大学、哥伦比亚大学、华盛顿大学、耶鲁大学、哈佛大学等的名誉学位。25岁时,他因为推导出了量子统计公式,即“费米-狄拉克统计法”,成为世界闻名的科学家。1929年,被提名为意大利皇家科学院院士。1938年,他因中子方面的出色研究成绩荣获诺贝尔物理学奖。

墨索里尼上台后,费米为远离政治迫害之虞(其妻是犹太人),于1938年移居美国,着手研究铀。美国“原子弹计划”研制工作启动后,费米与其他100多名科学家一起参与其中,并于1945年7月16日成功地试验了人类历史上第一颗原子弹。1946年,他被授予梅里特国会勋章。战后,费米回到芝加哥大学任教。他是美国原子能委员会科学顾问委员会的委员。1953年,出任美国物理学会会长。1954年11月28日因癌症去世,享年仅53岁。

【影响】费米本是一个多才的物理学家。大学毕业后,他曾花费了大约12年的时间,研究超精细结构、宇宙射线的纬度效应、虚量子概念和统计学。1934年以后,由于人工放射性的发现,费米的研究兴趣集中于原子分裂的实验工作。他发现,由于中子不受原子中电场的排斥作用,用它们轰击原子核心会更有效地产生嬗变。用这种方法,他在几个月之内就发现了40多种新的人工放射性同位素。以他为核心的“罗马学派”发现,通过水或石蜡后被减速的中子所激发的放射性会增强,这些慢中子进入核的情形,就像一个慢速高尔夫球掉进洞里,而快速高尔夫球却从洞上滚过一样。这就是核物理科学家梦寐以求的、对后来德国科学家完成铀分裂有重大启发作用的慢中性电子分裂原子原理。

1934年,费米在比萨大学演示原子爆炸的过程,实验只进行到一半便放弃了。据说,这是因为费米担心如果实验成功,墨索里尼会利用它制造强力武器,从而给全世界带来更大的浩劫。也有人认为,这其实只是一个失败的实验。但无论如何,这表明费米正在他矢志求索的领域努力迈进。其时已经定居美国的科学家爱因斯坦闻知此事,评论道:“将来改变这世界的,就是这罗马的青年。”这惺惺相惜之语表明,费米的前沿性研究已经引起全世界同行的关注。

20世纪三四十年代之交,在战争形势日趋严重之际,世界核研究的节奏明显加快。费米移居美国之后,获悉德国人哈恩和斯特拉斯曼已经发现,当用中子轰击铀时,铀核就会分裂成几乎相等的两部分,并且释放出大约230MeV的能量。而且如果在这一裂变过程中释放出中子,那么就可以建成一个能释放巨大能量的链式反应系统。如果这一理论用在军事方面,那么就有可能产生一种威力巨大、足以改变战争形势的新式武器。如果轴心国率先研制成这种武器,那么人类将不可避免地遭受法西斯的蹂躏。尽管当时尚无确切信息表明德国、意大利、日本正在研制这种武器,但站在原子研究最前沿的费米却预感到,这种武器的出现只是一个时间早晚的问题。为此,他忧心忡忡。出于科学家特有的责任感,他与另一位科学家西拉德促使在科学界有着举足轻重影响的爱因斯坦致信美国总统罗斯福,敦促美国政府抢在轴心国获得成功之前研制核武器。信的部分内容是这样的:“在过去四个月中,经由居于法国的约里奥以及美国的费米和西拉德等人研究的结果,已经使一件伟大的工作展现眉目:在一大堆的铀里已经可能引发核链反应了;并且,有惊人的能量和甚多镭样的新元素会从而产生。如今,情况显示这件工作确能在不久的将来完成。”1941年12月6日,也就是珍珠港被炸的前一天,美国决定全力进行原子能的研究。在庞大的研究队伍中,费米的地位是相当重要的。据负责置备可裂材料的亚瑟·荷里·康普敦教授说:“事实已经很明显,如要进行核反应器的研究工作,则其中心人物非恩里克·费米莫属。他不但知道什么事需要做,从前在用铀和石墨联合起来试验链反应成功的可能性时,他也具备了一整套很重要的经验。在各项计划进行期间,我需要跟他共同商讨。”

在那段日子里,重任在肩的费米经常每日工作20小时以上。在其他科学家的协助下,费米终于在坐落于芝加哥大学里的一座破烂建筑后面建成一个原子反应堆:一堆石墨和许多铀块以及氧化铀混在一起,重达6吨。1942年12月2日,这座原子反应堆正式投入试验,也正是从这一天开始,真正的原子时代来临了。费米的妻子罗拉是这样描述她的丈夫的:“在芝加哥大学的校园里,有一座古老而破烂的建筑,像具有炮塔和城垛的中世纪古堡似的。那只是一座建筑的正面,掩蔽着一个不再使用的足球场的西边看台……第一座原子堆即由一小组科学家在这看台下边的软式网球场里建造的。由于大家指望达成的目标异常急迫,他们就以最快的速度,在极端保密的方式下推动计划的进行。那时,第二次世界大战正打得吃紧。在网球场里的那些人,心中明白他们的探索将使得原子武器的发展成为可能……经过极为艰苦的努力,他们终于成为第一批目睹物质确实可以全然依照人类的意愿而放出其内部能量的人。在这些人当中,我的丈夫费米是他们的领导者。”

1945年7月16日,人类历史上的第一颗原子弹,在新墨西哥沙漠里引爆了;1945年8月6日,第一颗用于战争的原子弹,被投掷到日本的广岛市;1945年8月9日,日本的长崎市遭受了另一颗原子弹。

需要指出的是,尽管费米赞成在1945年8月对日本使用原子弹,但他和另外一个原子弹的制造者奥本海默一样,反对研制威力更大、危害性也更大的氢弹。战后,他的研究集中在核介子,特别是介子的性质上。得知自己患了癌症,他转而研究原子的医用价值。只可惜造化弄人,他短暂的生命使他停止了劳作。

【余论】费米称得上是一位天才。他本人在乡下度过了益智启蒙的重要3年,他早年在学校的成绩也没有特殊表现,但童年的某些生活细节却不经意地向我们展示了他的不同寻常之处:不修边幅,衣服乱七八糟;洗澡和梳头也要别人提醒,以致于每当母亲和他一起出去时,总要在有喷泉的地方替他洗手洗脸。实际上,成年后的费米在日常生活上也总显得“低能”,例如,在婚礼上,他竟然忘记了携带花束送给他的新娘。不拘小节与成功之间未必存在着某种必然联系,但事事关注,斤斤计较,不免会分散一个人的注意力,使之无法把更多的精力集中在某一个领域;而成功往往意味着局部的突破。费米不拘小节,但注意效率。他每天的作息都有几乎固定的时间表,何时吃早餐,何时吃午饭,何时该上床休息,相当准时。他制造的仪器并不追求美观,但总能使他获得所需的信息。天才的确有殊于常人之处。

(赵凯)

现代计算机之父

诺依曼

(1903~1957)

【传略】约翰·冯·诺依曼,美籍匈牙利人,20世纪最杰出的数学家之一。由于其在发明电子计算机中所起到的关键性作用,他被西方人誉为“计算机之父”。

1903年12月28日诺依曼生于匈牙利的布达佩斯,父亲是一个银行家,家境富裕,十分注意对孩子的教育。冯·诺依曼从小聪颖过人,兴趣广泛,读书过目不忘。据说他6岁时就能用古希腊语同父亲闲谈,一生掌握了7种语言。最擅长德语,一方面在他用德语思考种种设想时,又能以阅读的速度译成英语。他对读过的书籍和论文,能很快一句不差地将内容复述出来,而且若干年之后,仍可如此。1911年到1921年,冯·诺依曼在布达佩斯的卢瑟伦中学读书期间,就崭露头角而深受老师的器重。在费克特老师的个别指导下并合作发表了第一篇数学论文,此时冯·诺依曼还不到18岁。1921年到1923年在苏黎世大学学习。很快又在1926年以优异的成绩获得了布达佩斯大学数学博士学位,此时冯·诺依曼年仅22岁。1927~1929年冯·诺依曼相继在柏林大学和汉堡大学担任数学讲师。1930年接受了普林斯顿大学客座教授的职位,西渡美国。1931年成为该校终身教授。1933年转到该校的高级研究所,成为最初6位教授之一,并在那里工作了一生。冯·诺依曼是普林斯顿大学、宾夕法尼亚大学、哈佛大学、伊斯坦堡大学、马里兰大学、哥伦比亚大学和慕尼黑高等技术学院等校的荣誉博士。他是美国国家科学院、秘鲁国立自然科学院和意大利国立林且学院等院的院士。冯·诺依曼于1937年获美国数学会的波策奖,1947年获美国总统的功勋奖章、美国海军优秀公民服务奖,1956年获美国总统的自由奖章和爱因斯坦纪念奖以及费米奖。1954年出任美国原子能委员会委员,1951年至1953年任美国数学会主席。1954年夏,冯·诺依曼被发现患有癌症,1957年2月8日,在华盛顿去世,终年54岁。逝世后,未完成的手稿于1958年以《计算机与人脑》为名出版。他的主要著作收集在1961年出版的6卷本《冯·诺依曼全集》中。

【影响】冯·诺依曼在数学的诸多领域都进行了开创性工作,并做出了重大贡献。在第二次世界大战前,他主要从事算子理论、集合论等方面的研究。1923年关于集合论中超限序数的论文,显示了冯·诺依曼处理集合论问题所特有的方式和风格。他把集合论加以公理化,他的公理化体系奠定了公理集合论的基础。他从公理出发,用代数方法导出了集合论中许多重要概念、基本运算、重要定理等。特别在1925年的一篇论文中,冯·诺依曼就指出了任何一种公理化系统中都存在着无法判定的命题。

1933年,冯·诺依曼解决了希尔伯特第五问题,即证明了局部欧几里得紧群是李(Lie)群。1934年他又把紧群理论与波尔的殆周期函数理论统一起来。他还对一般拓扑群的结构有深刻的认识,弄清了它的代数结构和拓扑结构与实数是一致的。他对其子代数进行了开创性工作,并奠定了它的理论基础,从而建立了算子代数这门新的数学分支。这个分支在当代的有关数学文献中均被称为“冯·诺依曼代数”。这是有限维空间中矩阵代数的自然推广。冯·诺依曼还创立了博弈论这一现代数学的又一重要分支。1944年发表了奠基性的重要论文《博弈论与经济行为》。论文中包含博弈论的纯粹数学形式的阐述以及对于实际博弈应用的详细说明。文中还包含了诸如统计理论等数学思想。冯·诺依曼在格论、连续几何、理论物理、动力学、连续介质力学、气象计算、原子能和经济学等领域都做过重要的工作。然而冯·诺依曼对人类的最大贡献却是对计算机科学、计算机技术和数值分析的开拓性工作。

现在一般认为ENIAC机是世界第一台电子计算机,它是由美国科学家研制的,于1946年2月14日在费城开始运行。其实由汤米、费劳尔斯等英国科学家研制的“科洛萨斯”计算机比ENIAC机问世早两年多,于1944年1月10日在布莱奇利园区开始运行。ENIAC机证明电子真空技术可以大大地提高计算技术,不过,ENIAC机本身存在两大缺点:(1)没有存储器;(2)它用布线接板进行控制,甚至要搭接见天,计算速度也就被这一工作抵消了。ENIAC机研制组的莫克利和埃克特显然是认识到了这一点,他们也想尽快着手研制另一台计算机,以便改进。

冯·诺依曼由ENIAC机研制组的戈尔德斯廷中尉介绍参加ENIAC机研制小组后,便带领这批富有创新精神的年轻科技人员,向着更高的目标进军。1945年,他们在共同讨论的基础上,发表了一个全新的“存储程序通用电子计算机方案”。在这个过程中,冯·诺依曼显示出他雄厚的数理基础知识,充分发挥了他的顾问作用及探索问题和综合分析的能力。该方案明确奠定了新机器由五个部分组成,包括:运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备,并描述了这五部分的职能和相互关系。此计算机还有两个非常重大的改进,即:(1)采用了二进制,不但数据采用二进制,指令也采用二进制;(2)建立了存储程序,指令和数据便可一起放在存储器里,并作同样处理。简化了计算机的结构,大大提高了计算机的速度。

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