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2024.8.8
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白露为霜注:本篇博文受启发于今年芝加哥大学申请作文的第三题:
“小猪,法国母鸡,熊的一家。瞎眼的老鼠,火枪手,命运。原子的部分,思维规律,写作的准则。一切都很完美的?创建您自己的三人组,并说明它们是如何结合在一起。Little pigs, french hens, a family of bears. Blind mice, musketeers, the Fates. Parts of an atom, laws of thought, a guideline for composition. Omne trium perfectum? Create your own group of threes, and describe why and how they fit together.”
大米,洋籼米和费米
上海人把白米叫“大米”,把籼米叫做“洋籼米”。我们小时候每人一月只有20斤定量大米,如果不够吃怎么办?那就只能掺着籼米。可以想象,这种混合米饭很难下咽。于是有了以下的儿歌:
“介许多大米夹牢一粒洋籼米,
叫我奈能吃得下去,
真惹气。”
只要见到有男生同女生聚在一起,我们就会放开喉咙齐声叫喊 - 男生多半会抱头鼠窜。回过头来想,那时中学生同现在的一样,主要任务是想方设法和其他人打成一片(fit in)。这当然不是件容易事,因为半大不小的孩子坏着呢。长的太高、太矮、太美或太丑,或者家里成分不好,有海外关系等都有可能被打成“洋籼米”,被没完没了的嘲弄和孤立。
我当时在上海某中学的理科班,带着一付忧郁冷漠,据人于千里之外的表情。这其实是一种自我保护的假面具,屡试不爽。这个班是我们这个重点中学同年级八个班中的精英班,可想数理化也不会太差。不知怎地,我却有一种混杂在白米中的洋籼米的感觉,外表骗的了别人却骗不了自己。终于有一天,我做出了一个让大多数同学吃惊的决定 - 转去了文科班。这或许是我人生第一个“错误”的决定,第二个是出国留学,这是后话。从赚钱的角度来讲,转去学文科不是什么好主意,如果文科还要出国,那是错上加错了。
但当时只有16岁,那里知道这么多?我很喜欢理科,特别是化学,可我更喜爱历史。文科班终于给了我一种归属的感觉,同其他洋籼米在一起了,真的很爽。时隔多年,一直都在从事文科的工作,但相对厚实的理科功底却一直让我受益不浅,我也终于明白了一个道理:大米同洋籼米混在一起虽然不好吃,却对身体有益处。
这是我的大米和洋籼米的故事,那费米又是怎么回事呢?费米不是一种最近流行起来的营养米,它实际上根本就不是“米”,如果你对科学史有所了解就会知道,费米是美国著名的原子物理学家,在芝加哥大学工作过的最出色的学者之一。
费米和他的芝加哥堆
恩里科·费米(Enrico Fermi),意大利人,早年在欧洲工作时就已经成果累累。1938年,费米发现在用慢中子轰击钍和铀后有新奇的东西产生出来。他得出结论这是一种新元素(后来人们才发现这所谓的新元素是核裂变产物)。为此费米被授予诺贝尔物理奖。费米借着领奖的机会离开意大利,一去不复返。原来费米的太太是犹太人,纳粹意大利的种族政策已经威胁到他一家的安全。
来到美国后,费米在哥伦比亚大学,芝加哥大学等地工作。因其在原子物理上的专长,很快就被邀请加入美国最机密的“曼哈顿计划”–制造原子弹。
费米在芝加哥大学做一项重要工作是建立人类第一座核反应堆。这个被称为芝加哥一号堆Chicago Pile-1或CP-1的反应堆原本应该在离芝加哥几十英里的树林里建造的,由于一个劳资纠纷,费米决定在芝加哥大学一个废弃不用的美式足球场(Stagg Field)的看台下建设。
就在这个没人想到的地方,一层核原料一层石墨块,反应堆被建造起来。1942年12月2日,CP-1已经做好了演示的准备。在一群政要面前,反应堆的控制棒被慢慢抽出,费米仔细地观察中子活动的情况。下午3点25分,反应堆的核反应跨越了临界点,链式反应达到自我维持的状态。费米在28分钟后关闭了反应堆。
费米的老板康普敦(Arthur Compton)随即通过电话向上峰报告:“意大利航海家刚刚到达了新世界”。
上峰问道:“当地人友好吗?”
康普敦回答:“非常,所有人都平安登陆”。
同现代核反应堆相比芝加哥一号是相当原始粗糙的,颗粒状核材料(铀235)被石墨块隔开,这样可以减低中子的速度,有助于核反应的进行。控制棒是有由镉,铟,银等材料制成。镉和铟可以吸收中子,起到减缓核反应的作用。反应堆的操作非常简单,慢慢抽出控制棒,核反应就会加强,直到实现可持续链式反应,插入控制棒则起到煞车的作用,减缓反应堆的中子活动。
费米的设计让这项人类的壮举看上去挺容易的。芝加哥一号堆没有任何冷却系统,也没有钢壳等保护措施,可以想象,如果费米的计算错误,或者在操作过程中出现机械故障,核反应就可能进入无法控制的状态 – 内核可能溶化或更糟,类似原子弹的爆炸。但那一天福星高照,费米的计算正确,进展一切顺利,人类正式进入了原子时代。我早就说过物理学家是群疯狂的家伙,这又是一个例子,芝加哥大学在不知不觉中到死神边上走了一圈。
万物同源
说了半天费米,他同大米,洋籼米又有什么关系呢?从表面上看,稻米,以及其较为原始的堂兄弟,籼米,同人类的代表 - 费米风马牛不相及。我们没有资料显示费米喜欢吃大米或者洋籼米。他是意大利人,喜欢吃披萨比较合情合理。但如果你稍微挖的深一点,关联就显示出来。
早在古希腊时代就有人猜想世界上的万物都是由原子组成的。这一想法上个世纪被证实。到了后来人们又发现原子不是最小的,原子核由不同数量的质子与中子组成,外面还围绕着一个或多个的电子。再往后,人们又发现质子和中子由更小的基本粒子组成,它们有着奇怪的名字:夸克(quark),轻子(lepton),玻色子(boson)等。
1926年,费米刚出道不久就发现量子统计学的一个重要规律,后人把它称为费米 - 狄拉克统计(Fermi–Dirac statistics) ,用来描述粒子处在不同量子态上的统计规律。人们发现有些基本粒子以及复合粒子能满足这个规律,它们被统称为“费米子”(fermions) - 能够有此殊荣,费米这辈子算是值了。
如今人们知道费米子包括所有的夸克、所有的轻子(电子是其中之一)。费米子还包括一些复合粒子,比如质子与中子。现在你可以看清楚了:这个世界所有看得见、摸的着的东西,不管是大米还是洋籼米,不管是果蝇还是费米自己,都是由“费米子”组成的。
大千世界无奇不有,变化莫测。可当我们回到最基本的层面,却是万物同源、万法归一。
白露为霜注:费米在芝加哥大学工作时培养提携了许多优秀人才,包括中国人熟悉的扬振宁和李政道。
这不是一篇升学作文,更多的是一篇哲学随笔。它有没有把大米,洋籼米和费米的关系阐述清楚由你来做判断。如果你能感受到其中冷幽默的成分,我也就算成功了。