7.佛羅倫薩

為了得到一個跟他的雄心壯志相稱的學術任命，費米還短暫考慮過移民。但他對祖國眷念甚深，因此后來還是繼續試著在意大利的大學系統中得到提拔。這個環境對他來說并不適合，因為意大利大多數資深物理教授仍然沉浸在19世紀的物理學中，對相對論和量子理論帶來的革新理念要么毫無察覺，要么懶得理會。

幸好還有一些資深物理學家能向前看，而且也身居要職，安東尼奧·加爾巴索（Antonio Garbasso）就是其中一位。和科爾比諾一樣，他既在政治上平步青云，也在物理學上功成名就。他既是佛羅倫薩的市長，也是佛羅倫薩大學的物理教授。然而這也意味著，他的時間基本上都在富麗堂皇的舊宮市政廳度過，而很少光顧物理實驗室。

加爾巴索和科爾比諾認為，費米、恩里科·佩爾西科和佛朗哥·拉塞蒂這3個二十出頭的年輕人，是最可能引領物理學走向現代的火炬手。大學畢業以后，佩爾西科在給科爾比諾當助手，拉塞蒂則在給加爾巴索當助手。這3位青年物理學家中，費米被認為最有前途，現在他們也得給他找一個職位了。佛羅倫薩大學有一個講師職位，盡管這個位子既沒有什么聲望也沒有多少薪水，加爾巴索和科爾比諾還是覺得，在費米找到一個真正的教授職位之前，這個位子都挺適合他。他倆都竭力主張費米去當這個講師，而且這還能讓他和好友拉塞蒂團聚。費米答應了。

當時，意大利的大學沒有校園，各院系分散在整個城市的多棟建筑物中。這意味著佛羅倫薩大學的學生不得不東奔西跑，因為物理系和化學系相隔數英里。伽利略在力戰宗教裁判所之后回到佛羅倫薩，生命的最后十年一直被軟禁在家。不知是出于象征意義還是實際考慮，物理學院就坐落在伽利略度過最后時光的房子附近。這里叫阿切特里山，有一片美麗的橄欖樹叢掩映其間，距離市中心數英里，可以俯瞰城區，美不勝收。這樣的風景對便利設施匱乏的學院來說算是一種彌補：最主要的是沒有取暖設施，房間里冬天的日平均氣溫還不到10攝氏度。

在佛羅倫薩給加爾巴索當助手的頭兩年，拉塞蒂住在跟學院毗鄰的一個小房間里，里面只有一張床、一張桌子、一個洗臉池，這就足夠他過日子了。學院由一位看門人照管，看門人的妻子會給拉塞蒂做點粗茶淡飯。但是到1924年，拉塞蒂的父親過世了，母親想跟她的獨生子住得近一些，于是賣掉了她在比薩的房子，在佛羅倫薩買了一套夠母子倆一起住的公寓。

這個時機真是再好不過了。1924年底，費米一到佛羅倫薩，就住進了拉塞蒂在阿切特里的小房間。這兒的設施跟他在比薩大學的宿舍一樣簡陋，飯食也好不到哪兒去，但在萊頓待過之后，他還是覺得興高采烈。物理學激動人心，而費米有滿腦袋的想法。何況拉塞蒂在這兒都能安之若素，他不會比他的朋友更難滿足。

費米和拉塞蒂盡管已經是有模有樣的物理學家，他們還是很熱衷于搞點在比薩讀大學時就沉迷其中的惡作劇。拉塞蒂講過一件發生在阿切特里的軼事。他和費米在附近抓了三十來只壁虎，就在看門人的妻子端著他們的午飯走進小飯廳之前放了出來。接下來天下大亂，兩位物理學家拊掌大笑，然而在看到他們的午飯打翻在地之后，就有點笑不出來了。

費米和拉塞蒂的戶外活動也是比薩時期的延續：滑雪、徒步、打網球。網球仍然是費米最喜歡的運動之一。別的球友評價說，盡管費米打球的風格不是多么優雅，但他憑頑強就能讓別的造詣更高的對手甘拜下風。

這兩位青年物理學家很少見得到加爾巴索，他每周只有3次會從舊宮來阿切特里做講座。因此拉塞蒂并沒有多少活兒干，費米的教學任務也很輕，兩人有挺多時間可以用于任何他們想做的研究，只要是手頭有限的設備和可供支配的微薄預算做得到的。從比薩大學畢業起的兩年多時間，費米一直專注于研究理論物理領域的問題。進行實驗研究的機會又一次激發了費米，尤其是能跟拉塞蒂一起做，而且還有助于增長知識，能讓他知道量子物理跟原子結構有什么關聯。

拉塞蒂做實驗是把好手，那時他正在研究光譜學。光譜學曾經被看作物理學領域的蠻荒之地而無人問津，對它感興趣的主要是化學家。從19世紀50年代開始，科學家觀察到，一種元素被充分加熱之后會釋放出電磁輻射。進一步分析發現，不同元素發出的輻射看起來都不一樣，而每一種元素的輻射都由特定的頻率組成。另外，頻率組成的序列通常都符合簡單的算術法則。這使光譜學成了極有價值的化學鑒定工具。實際上，元素周期表中好幾種新元素就是用這種方法首先探測到的，其中最引人矚目的就是氦元素。但是，這看起來好像跟原子結構沒什么相干。玻爾后來說到，要通過光譜學研究原子結構，就好像試圖通過研究翅膀上的顏色來搞懂蝴蝶一樣。

1911年，盧瑟福發現原子由電子圍繞著很小的中心原子核組成，局面隨之改觀。兩年后，玻爾提出了原子結構的行星模型，在這個模型中，電子環繞著原子核旋轉，就像行星環繞太陽旋轉一樣。帶負電的電子與帶正電的原子核之間有靜電引力，電子就靠靜電引力而不是萬有引力保持在軌道上。

1900年，普朗克首次引入了量子的概念，他管這叫“絕望的行為”。從那時起，量子物理的領域里就有一座火山在地下醞釀了。為了讓基本的熱力學原理與實驗數據保持一致，普朗克推斷，電磁輻射中所含的能量，都是以微小的能量包的形式被吸收或釋放的。單個能量包的能量與輻射的頻率成正比。這樣的能量包，普朗克稱之為量子。

在玻爾的原子模型中，當電子從一個能量較高的軌道跳到能量較低的軌道上時，就會釋放出量子。量子所含的能量必須等于電子從初始狀態到最終狀態能量的差值。

通過讓電子的軌道半徑符合n的平方乘以R的數字序列，玻爾提出的新穎想法使量子物理的概念擴展到氫原子中的電子軌道。其中n是大于或等于1的任意整數，R是最小軌道的平均半徑。因為各個電子的能量由電子在原子中的位置直接決定，所以其能量也符合一個序列。整數n描述了給定電子的能量，稱為電子的主量子數。

確定的電子軌道解釋了為何光譜頻率符合神秘的算術法則。測量這些頻率的學問就是光譜學，它成了研究原子結構的首要工具。蝴蝶翅膀終究派上用場了。在解釋加熱過的氫氣釋放出的頻率時，玻爾的原子模型獲得了巨大成功，物理學家馬上意識到，這個廣闊天地可以大有作為。但氫原子只有一個電子，是所有原子中最簡單的，將這個理論擴展到用其他元素做的實驗中，結果并不令人信服。玻爾模型盡管在接下來的十年中取得了一系列成功，但遭遇的失敗也同樣多。很明顯，有什么關鍵概念遺漏了。

在光譜中尋找線索成了物理學的中心問題之一。考慮橢圓而非圓形的軌道，根據相對論進行修正，以及外部電場或磁場帶來的光譜變化，都在分析之列。深入了解原子的追尋開始了。

在20世紀20年代早期，人們用3個而非1個量子數來描述原子中的每個電子，并認為這3個量子數大體上分別跟軌道尺寸、橢圓率以及相對外部磁場的取向相對應。

1925年初，費米和拉塞蒂開始剖析這個大得多的問題。拉塞蒂向費米提出了一個具體建議：他們應該針對水銀蒸氣在交變磁場影響下發射出的光的極化進行系列研究。他會提供光譜學的專業知識，費米則可以負責建造電路。

兩人得到的結果意義十分重大，足以在權威外國期刊《自然》和《物理學雜志》上發表，但他們并沒有顯著推動這個領域的進步。不過，他們成為“借助無線電頻譜的方法研究原子光譜的第一例”，一直到多年以后，這種技術才得到大量應用，那時無線電頻率在光譜學研究中用得越來越頻繁了。這一研究的獨特之處也在于，費米再次顯露出他身兼理論家和實驗家的專有技能。

總體來講，費米覺得佛羅倫薩的職位差強人意。但他渴求進步，想贏得一個教授席位，掙得一份體面的薪水。羅馬仍然沒有理論物理學教席，因此科爾比諾在羅馬數學家的支持下，想要打造一個出來。這將是意大利的第一個理論物理教席。費米對幕后操作情況有所了解，但由于行政事務逡巡耽擱，1925年秋天，他還是決定先參與卡利亞里大學數學物理教授職位的角逐。

10月份費米寫信給佩爾西科，信中說道：“鑒于羅馬還在未定之數，我準備參與卡利亞里大學的角逐。就算在島上終老一生的想法未必令人愉快，我也還是覺得雙管齊下才是明智之舉。”“島上”指的是卡利亞里所在的撒丁島，西西里島和撒丁島通常是年輕教授在意大利學術圈進階的第一站。

卡利亞里大學教授選拔委員會的5位教授中有沃爾泰拉和列維-齊維塔，他們把票投給了費米。但委員會另3位都是物理學家，對物理學領域的現代發展很少支持，也缺乏興趣。卡利亞里大學的職位給了一個比費米大三十歲的人，毫無疑問，沒有費米那么般配。委員會的3個老家伙只覺得有義務獎賞他們年齒漸增的老同事，而對年輕的新星不屑一顧。讓他們的選擇顯得更加說不過去的是，在他們慎重考慮的當兒，費米正在寫一篇開創性的論文，這篇論文將成為物理世界的重大突破。

論文的緣起要追溯到1924年，當時費米試圖將量子理論應用到統計力學概念中，遇到的問題卻令他舉步維艱。一年后的1925年，在讀過沃爾夫岡·泡利發表于《物理學雜志》上的關于所謂“不相容原理”的新文章之后，費米茅塞頓開。

泡利憑借“不相容原理”斬獲了1945年的諾貝爾物理學獎，這也是量子物理領域超乎尋常的重大進步。通過解答同一條軌道能被多少電子占據的問題，這一原理讓原子光譜中積累起來的所有數據都變得井然有序。不相容原理假定，一個原子中沒有哪兩個電子所有的量子數都相同。費米幾乎馬上就發現了泡利的想法有一個創新應用，可以從原子的范圍擴展到統計力學中遇到的更大的系統。你可以想象出一團電子氣體，或是在金屬中自由運動的電子，這些電子的能量也得符合量子法則以及泡利不相容原理。

費米在這個過程中引入的概念最終成為理解大量迥異現象的關鍵：從絕緣體和電導體之間的差別，到白矮星的穩定性。論文1926年春天首先在意大利發表，隨后馬上在《物理學雜志》上也發表了。憑借這篇論文，25歲的費米得以躋身世界物理學精英之列；在這個優中選優的圈子里，只有費米是意大利人。費米所有理論工作的特征，也在這篇論文里繼續得到體現：選取一個明晰的物理學概念，以旁人未曾有過的方式弄懂它，然后將其應用到一個或多個重要的物理問題中。

費米的論文很快得到了北歐一些大型物理中心的贊賞。隨后產生了很多值得關注的運用，其中包括泡利對磁性令人困惑的一面作出的解釋，以及索末菲對金屬中的電流所做的研究。而今科爾比諾更加擔心他的得意門生會受到誘惑離開意大利，因此加倍努力要留住他。他緊趕慢催，羅馬大學所設理論物理教席的競逐終于要在1926年11月開始了。此外，還有佛羅倫薩和米蘭這兩所意大利的大學，也認為值得設置這樣的教席。這樣一下子就有了三個理論物理的教授席位。

讓費米來羅馬也并非一帆風順。羅馬大學有兩位物理學教授，其中第二位叫安東尼諾·洛蘇爾多（ Antonino Lo Surdo），一點兒都不贊成費米加入他們的隊伍。他把年輕人的到來看作對自己位置的挑戰，沒有興趣欣然接受新一代，盡管他也能從新鮮血液中獲益。20世紀20年代中期的羅馬城里，科爾比諾在向前看，想知道年輕人能對意大利新物理學做出什么貢獻；而洛蘇爾多在向后看，沉迷于昨天的物理學，試圖保住老頑固的飯碗。就跟當時別的意大利物理學家一樣，洛蘇爾多拒絕承認現代發展，也不接受其擁躉。

相對于開明的科爾比諾，保守的洛蘇爾多在某些事情上正是其反面。他們的出生年份只差4年，都是西西里人，也都在墨西拿大學教過書。然而，洛蘇爾多完全無法與科爾比諾相比，后者即便保持著同事之間的彬彬有禮，要勝過前者也是輕而易舉。這三個理論物理席位的裁判委員會中，科爾比諾和加爾巴索都占有一席之地。正如所料，費米拔得頭籌，獲得了羅馬大學的教職。佩爾西科位居榜眼，去了佛羅倫薩。由于佩爾西科離開，科爾比諾的助手這一職位空缺，拉塞蒂就從佛羅倫薩轉到了羅馬。

憑著新晉教授的影響力，費米期待著在意大利物理學研究和教學姍姍來遲的轉變中挑起大梁。對科學的興趣也在意大利漸漸升溫。然而福無雙至，雖然在這一方面有所進步，法西斯主義卻在另一方面釀造著惡果。

1923年，意大利成立了國家研究委員會，簡稱委員會（Consiglio）。成立委員會主要是因為，第一次世界大戰后大家認識到，一個國家要想經濟能蓬勃發展、軍隊有現代武裝，就得有堅實的科研基礎。德國有強大的傘形組織，即威廉皇帝學會，成立于1911年，美國的國家研究委員會則在五年后成立。意大利亦步亦趨，成立了自己的變體。這是一個大吉大利的開門紅，特別是數學家維多·沃爾泰拉出任了委員會的第一任主席，他以判斷無比準確、誠實無可指摘著稱。

沃爾泰拉在這個位子上沒待多久。1924年馬泰奧蒂遇刺之后，沃爾泰拉與另外二十名參議員一起投出對墨索里尼統治的不信任票，堅決表明了自己的正直和獨立。投票帶來的后果接踵而至。由于對政治忠誠的考量勝過其他方面，沃爾泰拉的影響力逐漸式微。他的委員會主席一職在1926年到期后沒再延長，更不幸的是，他在意大利猞猁之眼國家科學院的主席職位也在1926年到期后宣告結束了，而科學院聲望卓著，本該獨立于政治之外。

與極權主義下的其他受害者一樣，科學界被政治力量大肆摧殘。墨索里尼堅決要求由對黨忠貞的人取代沃爾泰拉擔任委員會主席。古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）符合要求，但他不是科學家，而是一個著名的發明家，憑借對無線電報的貢獻分享了1909年的諾貝爾物理學獎。這個狂熱的法西斯分子在“進軍羅馬”之后立即入了黨，現在則成了政府在意大利科學研究領域的代言人。不過，馬可尼不是搞學術的，這就讓科爾比諾能維持他在大學圈子里的影響力。費米仍然對政治漠不關心，就靠科爾比諾提供指導和保護。

這些政治旋渦影響了意大利科學界，也在公共領域大張旗鼓。然而，20世紀最重大的物理學革命——量子力學，也走到了將永遠改變科學景觀的緊要關頭。