Энрико Ферми: Жизнь и научные достижения

Введение

Итальянский американский физик (1901–1954)

Энрико Ферми (enˈriːko ˈfermi; 29 сентября 1901 – 28 ноября 1954) был итальянским и впоследствии натурализованным американским физиком, прославившимся как создатель первого в мире ядерного реактора, Чикагского столба-1, и участник Манхэттенского проекта. Его называли «архитектором ядерной эпохи» и «архитектором атомной бомбы». Он был третьим ребенком Альберто Ферми, начальника отдела в Министерстве железных дорог, и Иды де Гаттис, учительницы начальной школы. В юности он разделял интересы своего брата Джулио, конструируя электродвигатели и играя с электрическими и механическими игрушками. Джулио умер во время операции по поводу абсцесса горла в 1915 году, а Мария погибла в авиакатастрофе близ Милана в 1959 году. На местном рынке Кампо-де-Фиори Ферми обнаружил книгу по физике – 900-страничный труд Elementorum physicae mathematicae. Написанная на латыни иезуитским священником, профессором Колледжо Романо, она представляла математику, классическую механику, астрономию, оптику и акустику в том виде, в котором они были поняты к 1840 году, времени её публикации. Вместе с другом, проявлявшим интерес к науке, Энрико Персико, Ферми занимался такими проектами, как создание гироскопов и измерение ускорения свободного падения Земли. В 1914 году Ферми, который часто встречался с отцом у офиса после работы, познакомился с коллегой отца по имени Адольфо Амидей, который провожал Альберто часть пути домой. Энрико узнал, что Адольфо интересуется математикой и физикой, и воспользовался случаем, чтобы задать ему вопрос по геометрии. Адольфо понял, что молодой Ферми имел в виду проективную геометрию, и предоставил ему книгу по этой теме, написанную Теодором Рейе. Через два месяца Ферми вернул книгу, решив все задачи, предложенные в конце, некоторые из которых Адольфо считал сложными. Убедившись в этом, Адольфо пришел к выводу, что Ферми – «вундеркинд, по крайней мере, в геометрии», и продолжил наставлять мальчика, предоставляя ему больше книг по физике и математике. Адольфо отметил, что у Ферми была отличная память, благодаря которой он мог возвращать книги после прочтения, поскольку прекрасно запоминал их содержание.

Enrico Fermi (enˈriːko ˈfermi; 29 September 1901 – 28 November 1954) was an Italian and later naturalized American physicist, renowned for being the creator of the world's first nuclear reactor, the Chicago Pile 1, and a member of the Manhattan Project. He has been called the "architect of the nuclear age" and the "architect of the atomic bomb". He was the third child of Alberto Fermi, a division head in the Ministry of Railways, and Ida de Gattis, an elementary school teacher. As a young boy, he shared the same interests as his brother Giulio, building electric motors and playing with electrical and mechanical toys. Giulio died during an operation on a throat abscess in 1915 and Maria died in an airplane crash near Milan in 1959. At a local market in Campo de' Fiori, Fermi found a physics book, the 900 page Elementorum physicae mathematicae. Written in Latin by Jesuit Father it, a professor at the Collegio Romano, it presented mathematics, classical mechanics, astronomy, optics, and acoustics as they were understood at the time of its 1840 publication. With a scientifically inclined friend, Enrico Persico, Fermi pursued projects such as building gyroscopes and measuring the acceleration of Earth's gravity. In 1914, Fermi, who used to often meet with his father in front of the office after work, met a colleague of his father called Adolfo Amidei, who would walk part of the way home with Alberto. Enrico had learned that Adolfo was interested in mathematics and physics and took the opportunity to ask Adolfo a question about geometry. Adolfo understood that the young Fermi was referring to projective geometry and then proceeded to give him a book on the subject written by Theodor Reye. Two months later, Fermi returned the book, having solved all the problems proposed at the end of the book, some of which Adolfo considered difficult. Upon verifying this, Adolfo felt that Fermi was "a prodigy, at least with respect to geometry", and further mentored the boy, providing him with more books on physics and mathematics. Adolfo noted that Fermi had a very good memory and thus could return the books after having read them because he could remember their content very well.

Scuola Normale Superiore в Пизе

Ферми окончил среднюю школу в июле 1918 года, пропустив полностью третий год обучения. По настоянию Амидеи, Ферми выучил немецкий язык, чтобы иметь возможность читать многочисленные научные статьи, публиковавшиеся в то время на этом языке, и подал документы в Scuola Normale Superiore в Пизе. Амидей считал, что Scuola предоставит лучшие условия для развития Ферми, чем Римский университет Сапиенца в то время. Потеряв одного сына, родители Ферми лишь с неохотой разрешили ему жить в общежитии школы вдали от Рима в течение четырех лет. Ферми занял первое место на сложном вступительном экзамене, который включал эссе на тему «Специфические характеристики звуков». 17-летний Ферми решил использовать анализ Фурье для вывода и решения частного дифференциального уравнения для вибрирующего стержня, и после собеседования экзаменатор заявил, что Ферми станет выдающимся физиком. В Scuola Normale Superiore Ферми разыгрывал шутки с однокурсником Франко Расетти; они стали близкими друзьями и коллегами. Ферми консультировался с Луиджи Пуччанти, директором физической лаборатории, который сказал, что ему мало что можно преподать Ферми, и часто просил Ферми научить его чему-нибудь взамен. Знания Ферми в области квантовой физики были настолько высоки, что Пуччанти попросил его организовать семинары по этой теме. В это время Ферми изучил тензорное исчисление – ключевой инструмент общей теории относительности. Изначально Ферми выбрал математику в качестве основной специальности, но вскоре перешел к физике. Он в основном занимался самообразованием, изучая общую теорию относительности, квантовую механику и атомную физику. В сентябре 1920 года Ферми был зачислен на физический факультет. Поскольку в отделении было всего три студента – Ферми, Расетти и Нелло Каррара – Пуччанти разрешил им свободно использовать лабораторию для любых целей. Ферми решил, что им следует исследовать рентгеновскую кристаллографию, и все трое работали над получением рентгенограммы кристалла (фотографии Лауэ). В 1921 году, на третьем курсе университета, Ферми опубликовал свои первые научные работы в итальянском журнале Nuovo Cimento. Первая из них называлась «О динамике жесткой системы электрических зарядов в поступательном движении» (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio). Признаком будущего стало то, что масса была выражена как тензор – математическая конструкция, обычно используемая для описания движения и изменения в трехмерном пространстве. В классической механике масса является скалярной величиной, но в теории относительности она меняется в зависимости от скорости. Вторая работа была посвящена теме «Об электростатике однородного гравитационного поля электромагнитных зарядов и о весе электромагнитных зарядов» (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche). Используя общую теорию относительности, Ферми показал, что заряд имеет вес, равный U/c², где U – электростатическая энергия системы, а c – скорость света. Первая статья, казалось, указывала на противоречие между электродинамической и релятивистской теорией при вычислении электромагнитных масс, поскольку первая предсказывала значение 4/3 U/c². Ферми вернулся к этому вопросу в следующем году в статье «Об противоречии между электродинамикой и релятивистской теорией электромагнитной массы», в которой показал, что кажущееся противоречие является следствием теории относительности. Эта статья была оценена достаточно высоко, чтобы быть переведенной на немецкий язык и опубликованной в немецком научном журнале Physikalische Zeitschrift в 1922 году. В том же году Ферми представил свою статью «О явлениях, происходящих вблизи мировой линии» (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) в итальянский журнал Rendiconti Lincei. В этой статье он исследовал принцип эквивалентности и представил так называемые «координаты Ферми». Он доказал, что на мировой линии, близкой к временной, пространство ведет себя как евклидово пространство. Ферми представил свою диссертацию «Теорема о вероятности и некоторые ее приложения» (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni) в Scuola Normale Superiore в июле 1922 года и получил степень лауреата в необычайно молодом возрасте – 20 лет. Диссертация была посвящена рентгенодифракционным снимкам. Теоретическая физика еще не считалась отдельной дисциплиной в Италии, и принималась бы только экспериментальная диссертация. По этой причине итальянские физики медленно принимали новые идеи, такие как теория относительности, пришедшие из Германии. Поскольку Ферми чувствовал себя вполне комфортно в лаборатории, занимаясь экспериментальной работой, это не представляло для него непреодолимых проблем. При написании приложения к итальянскому изданию книги «Основы теории относительности Эйнштейна» Августа Копфа в 1923 году Ферми первым указал на то, что в уравнении Эйнштейна скрыт огромный запас ядерной потенциальной энергии, которую можно использовать. «В обозримом будущем, по крайней мере, не представляется возможным найти способ высвободить эти ужасающие объемы энергии, – писал он, – что, в общем-то, к лучшему, потому что первым эффектом взрыва такого ужасающего количества энергии было бы разнести вдребезги физика, которому не повезло найти способ это сделать». В 1924 году Ферми был принят в масонскую ложу «Адриано Лемми» Великого Востока Италии. В 1923–1924 годах Ферми провел семестр, обучаясь у Макса Борна в Геттингенском университете, где познакомился с Вернером Гейзенбергом и Паскуалем Иорданом. Затем, с сентября по декабрь 1924 года, Ферми учился в Лейдене у Поля Эренфеста, получив стипендию от Фонда Рокфеллера по ходатайству математика Вито Вольтерры. Здесь Ферми встретился с Хендриком Лоренцем и Альбертом Эйнштейном, а также подружился с Сэмюэлем Гудсмитом и Яном Тинбергеном. С января 1925 года до конца 1926 года Ферми преподавал математическую физику и теоретическую механику во Флорентийском университете, где объединился с Расетти для проведения серии экспериментов по воздействию магнитных полей на пары ртути. Он также участвовал в семинарах в Римском университете Сапиенца, читая лекции по квантовой механике и физике твердого тела. Выступая с лекциями по новой квантовой механике, основанной на замечательной точности предсказаний уравнения Шредингера, Ферми часто говорил: «Ему не положено так хорошо соответствовать!» После того как Вольфганг Паули объявил свой принцип исключения в 1925 году, Ферми ответил статьей «О квантовании совершенного одноатомного газа» (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico), в которой применил принцип исключения к идеальному газу. Эта статья особенно примечательна статистической формулировкой Ферми, которая описывает распределение частиц в системах, состоящих из множества идентичных частиц, подчиняющихся принципу исключения. Независимо от него это вскоре разработал британский физик Пол Дирак, который также показал, как это связано со статистикой Бозе — Эйнштейна. Соответственно, теперь это известно как статистика Ферми — Дирака. После Дирака частицы, подчиняющиеся принципу исключения, сегодня называются «фермионами», а те, которые не подчиняются, — «бозонами».

Fermi graduated from high school in July 1918, having skipped the third year entirely. At Amidei's urging, Fermi learned German to be able to read the many scientific papers that were published in that language at the time, and he applied to the Scuola Normale Superiore in Pisa. Amidei felt that the Scuola would provide better conditions for Fermi's development than the Sapienza University of Rome could at the time. Having lost one son, Fermi's parents only reluctantly allowed him to live in the school's lodgings away from Rome for four years. Fermi took first place in the difficult entrance exam, which included an essay on the theme of "Specific characteristics of Sounds"; the 17 year old Fermi chose to use Fourier analysis to derive and solve the partial differential equation for a vibrating rod, and after interviewing Fermi the examiner declared he would become an outstanding physicist. At the Scuola Normale Superiore, Fermi played pranks with fellow student Franco Rasetti; the two became close friends and collaborators. Fermi was advised by Luigi Puccianti, director of the physics laboratory, who said there was little he could teach Fermi and often asked Fermi to teach him something instead. Fermi's knowledge of quantum physics was such that Puccianti asked him to organize seminars on the topic. During this time Fermi learned tensor calculus, a technique key to general relativity. Fermi initially chose mathematics as his major, but soon switched to physics. He remained largely self taught, studying general relativity, quantum mechanics, and atomic physics. In September 1920, Fermi was admitted to the physics department. Since there were only three students in the department—Fermi, Rasetti, and Nello Carrara—Puccianti let them freely use the laboratory for whatever purposes they chose. Fermi decided that they should research X ray crystallography, and the three worked to produce a Laue photograph—an X ray photograph of a crystal. During 1921, his third year at the university, Fermi published his first scientific works in the Italian journal Nuovo Cimento. The first was entitled "On the dynamics of a rigid system of electrical charges in translational motion" (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio). A sign of things to come was that the mass was expressed as a tensor—a mathematical construct commonly used to describe something moving and changing in three dimensional space. In classical mechanics, mass is a scalar quantity, but in relativity, it changes with velocity. The second paper was "On the electrostatics of a uniform gravitational field of electromagnetic charges and on the weight of electromagnetic charges" (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche). Using general relativity, Fermi showed that a charge has a weight equal to U/c2, where U was the electrostatic energy of the system, and c is the speed of light. The first paper seemed to point out a contradiction between the electrodynamic theory and the relativistic one concerning the calculation of the electromagnetic masses, as the former predicted a value of 4/3 U/c2. Fermi addressed this the next year in a paper "Concerning a contradiction between electrodynamic and the relativistic theory of electromagnetic mass" in which he showed that the apparent contradiction was a consequence of relativity. This paper was sufficiently well regarded that it was translated into German and published in the German scientific journal Physikalische Zeitschrift in 1922. That year, Fermi submitted his article "On the phenomena occurring near a world line" (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) to the Italian journal Rendiconti Lincei. In this article he examined the Principle of Equivalence, and introduced the so called "Fermi coordinates". He proved that on a world line close to the timeline, space behaves as if it were a Euclidean space. Fermi submitted his thesis, "A theorem on probability and some of its applications" (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni), to the Scuola Normale Superiore in July 1922, and received his laurea at the unusually young age of 20. The thesis was on X ray diffraction images. Theoretical physics was not yet considered a discipline in Italy, and the only thesis that would have been accepted was experimental physics. For this reason, Italian physicists were slow in embracing the new ideas like relativity coming from Germany. Since Fermi was quite at home in the lab doing experimental work, this did not pose insurmountable problems for him. While writing the appendix for the Italian edition of the book Fundamentals of Einstein Relativity by August Kopff in 1923, Fermi was the first to point out that hidden inside the Einstein equation was an enormous amount of nuclear potential energy to be exploited. "It does not seem possible, at least in the near future", he wrote, "to find a way to release these dreadful amounts of energy—which is all to the good because the first effect of an explosion of such a dreadful amount of energy would be to smash into smithereens the physicist who had the misfortune to find a way to do it." In 1924, Fermi was initiated into the Masonic Lodge "Adriano Lemmi" of the Grand Orient of Italy. In 1923–1924, Fermi spent a semester studying under Max Born at the University of Göttingen, where he met Werner Heisenberg and Pascual Jordan. Fermi then studied in Leiden with Paul Ehrenfest from September to December 1924 on a fellowship from the Rockefeller Foundation obtained through the intercession of the mathematician Vito Volterra. Here Fermi met Hendrik Lorentz and Albert Einstein, and became friends with Samuel Goudsmit and Jan Tinbergen. From January 1925 to late 1926, Fermi taught mathematical physics and theoretical mechanics at the University of Florence, where he teamed up with Rasetti to conduct a series of experiments on the effects of magnetic fields on mercury vapor. He also participated in seminars at the Sapienza University of Rome, giving lectures on quantum mechanics and solid state physics. While giving lectures on the new quantum mechanics based on the remarkable accuracy of predictions of the Schrödinger equation, Fermi would often say, "It has no business to fit so well!" After Wolfgang Pauli announced his exclusion principle in 1925, Fermi responded with a paper "On the quantization of the perfect monoatomic gas" (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico), in which he applied the exclusion principle to an ideal gas. The paper was especially notable for Fermi's statistical formulation, which describes the distribution of particles in systems of many identical particles that obey the exclusion principle. This was independently developed soon after by the British physicist Paul Dirac, who also showed how it was related to the Bose–Einstein statistics. Accordingly, it is now known as Fermi–Dirac statistics. After Dirac, particles that obey the exclusion principle are today called "fermions", while those that do not are called "bosons".

Профессор в Риме

Профессорские должности в Италии предоставлялись по конкурсу (concorso) на вакантную кафедру, при этом кандидаты оценивались по своим публикациям комиссией профессоров. Ферми подал заявку на должность профессора математической физики в Университете Кальяри на Сардинии, но был лишь незначительно обойден в пользу Джованни Джорджи. В 1926 году, в возрасте 24 лет, он подал заявку на профессорство в Римском университете Сапиенца. Это была новая кафедра, одна из первых трех в Италии по теоретической физике, созданная министром образования по настоянию профессора Орсо Марио Корбино, который был профессором экспериментальной физики университета, директором Института физики и членом кабинета Бенито Муссолини. Корбино, который также председательствовал в отборочной комиссии, надеялся, что новая кафедра повысит уровень и репутацию физики в Италии. Комиссия выбрала Ферми впереди Энрико Персико и Альдо Понтремоли, а Корбино помог Ферми набрать команду, к которой вскоре присоединились выдающиеся студенты, такие как Эдоардо Амальди, Бруно Понтекорво, Этторе Майорана и Эмилио Сегре, а также Франко Расетти, которого Ферми назначил своим ассистентом. Вскоре их прозвали "мальчиками с Виа Панисперна" по названию улицы, где располагался Институт физики. Ферми женился на Лауре Капон, студентке университета, 19 июля 1928 года. У них было двое детей: Нелла, родившаяся в январе 1931 года, и Джулио, родившийся в феврале 1936 года. 18 марта 1929 года Ферми был назначен Муссолини членом Королевской академии Италии, а 27 апреля вступил в Фашистскую партию. Позже он выступил против фашизма, когда в 1938 году Муссолини промульгировал расовые законы, чтобы идеологически сблизить итальянский фашизм с немецким нацизмом. Эти законы угрожали Лауре, которая была еврейкой, и лишили работы многих ассистентов Ферми. В период пребывания в Риме Ферми и его группа внесли важный вклад во многие практические и теоретические аспекты физики. В 1928 году он опубликовал свою книгу "Введение в атомную физику" (Introduzione alla fisica atomica), предоставив итальянским студентам университетов современный и доступный учебник. Ферми также читал публичные лекции и писал популярные статьи для ученых и преподавателей, чтобы максимально распространить знания о новой физике. Частью его метода обучения было собирать коллег и аспирантов в конце дня для обсуждения проблемы, часто взятой из его собственных исследований. Признаком успеха стало то, что иностранные студенты стали приезжать в Италию. Наиболее известным из них был немецкий физик Ханс Бете, который прибыл в Рим в качестве стипендиата Фонда Рокфеллера и сотрудничал с Ферми над работой 1932 года "О взаимодействии двух электронов" (Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen). В то время физиков озадачивал бета-распад, при котором электрон испускается из атомного ядра. Чтобы удовлетворить закон сохранения энергии, Паули постулировал существование невидимой частицы, не имеющей заряда и обладающей малой или нулевой массой, которая также испускалась одновременно. Ферми подхватил эту идею, развив ее в предварительной статье в 1933 году, а затем в более развернутой статье в следующем году, которая включала постулируемую частицу, которую Ферми назвал "нейтрино". Его теория, позже названная взаимодействием Ферми, а затем теорией слабого взаимодействия, описывала одну из четырех фундаментальных сил природы. Нейтрино было обнаружено после его смерти, а его теория взаимодействия показала, почему его так трудно обнаружить. Когда он представил свою статью в британский журнал Nature, редактор отклонил ее, поскольку она содержала спекуляции, которые были "слишком далеки от физической реальности, чтобы представлять интерес для читателей". По словам биографа Ферми Дэвида Н. Шварца, по крайней мере, странно, что Ферми всерьез просил опубликовать статью в этом журнале, поскольку в то время Nature публиковал только краткие заметки о подобных работах и не подходил для публикации даже новой физической теории. Более подходящим, если таковой имелся, были бы "Труды Королевского общества Лондона". Он согласен с гипотезой некоторых ученых, согласно которой отказ британского журнала убедил его молодых коллег (некоторые из них были евреями и левыми) отказаться от бойкота немецких научных журналов после прихода Гитлера к власти в январе 1933 года. Таким образом, теория Ферми была опубликована на итальянском и немецком языках раньше, чем на английском. Во введении к английскому переводу 1968 года физик Фред Л. Уилсон отметил: "Теория Ферми, помимо подтверждения предложения Паули о существовании нейтрино, имеет особое значение в истории современной физики. Следует помнить, что в момент ее выдвижения были известны только природные бета-излучатели. Позже, когда было открыто позитронное распадание, этот процесс легко был включен в первоначальную структуру Ферми. На основе его теории было предсказано и впоследствии наблюдалось захват орбитального электрона ядром. Со временем было накоплено значительное количество экспериментальных данных. Хотя во многих случаях бета-распада наблюдались особенности, теория Ферми всегда справлялась с ними. Последствия теории Ферми огромны. Например, бета-спектроскопия стала мощным инструментом для изучения структуры ядра. Но, возможно, наиболее влиятельным аспектом этой работы Ферми является то, что его конкретная форма бета-взаимодействия установила образец для изучения других типов взаимодействий. Это была первая успешная теория создания и аннигиляции материальных частиц. Ранее было известно, что только фотоны могут создаваться и уничтожаться". К марту ассистент Ферми, Джан Карло Вик, предоставил теоретическое объяснение, основанное на теории бета-распада Ферми. Ферми решил перейти к экспериментальной физике, используя нейтрон, открытый Джеймсом Чедвиком в 1932 году. В марте 1934 года Ферми хотел выяснить, может ли он вызвать радиоактивность с помощью источника нейтронов на основе полония и бериллия, предоставленного Расетти. Нейтроны не имели электрического заряда и поэтому не отклонялись бы положительно заряженным ядром. Это означало, что для проникновения в ядро им требовалось гораздо меньше энергии, чем заряженным частицам, и поэтому не требовался ускоритель частиц, которого не было у "мальчиков с Виа Панисперна". Ферми пришла в голову идея заменить источник нейтронов на основе полония и бериллия на источник на основе радона и бериллия, который он создал, заполнив стеклянную колбу порошком бериллия, откачав воздух и затем добавив 50 мКи радиевого газа, поставляемого им. Это создало гораздо более сильный источник нейтронов, эффективность которого снижалась с периодом полураспада радона, равным 3,8 дням. Он знал, что этот источник также будет излучать гамма-лучи, но, основываясь на своей теории, считал, что это не повлияет на результаты эксперимента. Он начал с бомбардировки платины, элемента с высоким атомным номером, который был легко доступен, но без успеха. Затем он обратился к алюминию, который испускал альфа-частицу и производил натрий, который затем распадался на магний посредством бета-распада. Он попробовал свинец, без успеха, а затем фтор в форме фторида кальция, который испускал альфа-частицу и производил азот, распадающийся на кислород посредством бета-распада. В общей сложности он вызвал радиоактивность в 22 различных элементах. Ферми быстро сообщил об открытии радиоактивности, вызванной нейтронами, в итальянском журнале La Ricerca Scientifica 25 марта 1934 года. Природная радиоактивность тория и урана затрудняла определение того, что происходит, когда эти элементы бомбардируются нейтронами, но, правильно исключив присутствие элементов легче урана, но тяжелее свинца, Ферми пришел к выводу, что они создали новые элементы, которые он назвал аузением и гесперием. Химик Ида Ноддак предположила, что некоторые из экспериментов могли привести к образованию элементов легче свинца, а не новых, более тяжелых элементов...

Professorships in Italy were granted by competition (concorso) for a vacant chair, the applicants being rated on their publications by a committee of professors. Fermi applied for a chair of mathematical physics at the University of Cagliari on Sardinia, but was narrowly passed over in favour of Giovanni Giorgi. In 1926, at the age of 24, he applied for a professorship at the Sapienza University of Rome. This was a new chair, one of the first three in theoretical physics in Italy, that had been created by the Minister of Education at the urging of professor Orso Mario Corbino, who was the university's professor of experimental physics, the director of the Institute of Physics, and a member of Benito Mussolini's cabinet. Corbino, who also chaired the selection committee, hoped that the new chair would raise the standard and reputation of physics in Italy. The committee chose Fermi ahead of Enrico Persico and Aldo Pontremoli, and Corbino helped Fermi recruit his team, which was soon joined by notable students such as Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana and Emilio Segrè, and by Franco Rasetti, whom Fermi had appointed as his assistant. They soon nicknamed the "Via Panisperna boys" after the street where the Institute of Physics was located. Fermi married Laura Capon, a science student at the university, on 19 July 1928. They had two children: Nella, born in January 1931, and Giulio, born in February 1936. On 18 March 1929, Fermi was appointed a member of the Royal Academy of Italy by Mussolini, and on 27 April he joined the Fascist Party. He later opposed Fascism when the 1938 racial laws were promulgated by Mussolini in order to bring Italian Fascism ideologically closer to German Nazism. These laws threatened Laura, who was Jewish, and put many of Fermi's research assistants out of work. During their time in Rome, Fermi and his group made important contributions to many practical and theoretical aspects of physics. In 1928, he published his Introduction to Atomic Physics (Introduzione alla fisica atomica), which provided Italian university students with an up to date and accessible text. Fermi also conducted public lectures and wrote popular articles for scientists and teachers in order to spread knowledge of the new physics as widely as possible. Part of his teaching method was to gather his colleagues and graduate students together at the end of the day and go over a problem, often from his own research. A sign of success was that foreign students now began to come to Italy. The most notable of these was the German physicist Hans Bethe, who came to Rome as a Rockefeller Foundation fellow, and collaborated with Fermi on a 1932 paper "On the Interaction between Two Electrons" (Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen). At this time, physicists were puzzled by beta decay, in which an electron was emitted from the atomic nucleus. To satisfy the law of conservation of energy, Pauli postulated the existence of an invisible particle with no charge and little or no mass that was also emitted at the same time. Fermi took up this idea, which he developed in a tentative paper in 1933, and then a longer paper the next year that incorporated the postulated particle, which Fermi called a "neutrino". His theory, later referred to as Fermi's interaction, and still later as the theory of the weak interaction, described one of the four fundamental forces of nature. The neutrino was detected after his death, and his interaction theory showed why it was so difficult to detect. When he submitted his paper to the British journal Nature, that journal's editor turned it down because it contained speculations which were "too remote from physical reality to be of interest to readers". According to Fermi's biographer David N. Schwartz, it is at least strange that Fermi seriously requested publication from the journal, since at that time Nature only published short notes on articles of this kind, and was not suitable for the publication of even a new physical theory. More suitable, if anything, would have been the Proceedings of the Royal Society of London. He agrees with some scholars' hypothesis, according to which the rejection of the British magazine convinced his young colleagues (some of them Jews and leftist) to give up the boycott of German scientific magazines, after Hitler came to power in January 1933. Thus Fermi saw the theory published in Italian and German before it was published in English. In the introduction to the 1968 English translation, physicist Fred L. Wilson noted that:quote|Fermi's theory, aside from bolstering Pauli's proposal of the neutrino, has a special significance in the history of modern physics. One must remember that only the naturally occurring β emitters were known at the time the theory was proposed. Later when positron decay was discovered, the process was easily incorporated within Fermi's original framework. On the basis of his theory, the capture of an orbital electron by a nucleus was predicted and eventually observed. With time, experimental data accumulated significantly. Although peculiarities have been observed many times in β decay, Fermi's theory always has been equal to the challenge. The consequences of the Fermi theory are vast. For example, β spectroscopy was established as a powerful tool for the study of nuclear structure. But perhaps the most influential aspect of this work of Fermi is that his particular form of the β interaction established a pattern that has been appropriate for the study of other types of interactions. It was the first successful theory of the creation and annihilation of material particles. Previously, only photons had been known to be created and destroyed. By March, Fermi's assistant Gian Carlo Wick had provided a theoretical explanation using Fermi's theory of beta decay. Fermi decided to switch to experimental physics, using the neutron, which James Chadwick had discovered in 1932. In March 1934, Fermi wanted to see if he could induce radioactivity with Rasetti's polonium beryllium neutron source. Neutrons had no electric charge, and so would not be deflected by the positively charged nucleus. This meant that they needed much less energy to penetrate the nucleus than charged particles, and so would not require a particle accelerator, which the Via Panisperna boys did not have. Fermi had the idea to resort to replacing the polonium beryllium neutron source with a radon beryllium one, which he created by filling a glass bulb with beryllium powder, evacuating the air, and then adding 50 mCi of radon gas, supplied by it. This created a much stronger neutron source, the effectiveness of which declined with the 3.8 day half life of radon. He knew that this source would also emit gamma rays, but, on the basis of his theory, he believed that this would not affect the results of the experiment. He started by bombarding platinum, an element with a high atomic number that was readily available, without success. He turned to aluminium, which emitted an alpha particle and produced sodium, which then decayed into magnesium by beta particle emission. He tried lead, without success, and then fluorine in the form of calcium fluoride, which emitted an alpha particle and produced nitrogen, decaying into oxygen by beta particle emission. In all, he induced radioactivity in 22 different elements. Fermi rapidly reported the discovery of neutron induced radioactivity in the Italian journal La Ricerca Scientifica on 25 March 1934. The natural radioactivity of thorium and uranium made it hard to determine what was happening when these elements were bombarded with neutrons but, after correctly eliminating the presence of elements lighter than uranium but heavier than lead, Fermi concluded that they had created new elements, which he called ausenium and hesperium. The chemist Ida Noddack suggested that some of the experiments could have produced lighter elements than lead rather than new, heavier elements. Her suggestion was not taken seriously at the time because her team had not carried out any experiments with uranium or built the theoretical basis for this possibility. At that time, fission was thought to be improbable if not impossible on theoretical grounds. While physicists expected elements with higher atomic numbers to form from neutron bombardment of lighter elements, nobody expected neutrons to have enough energy to split a heavier atom into two light element fragments in the manner that Noddack suggested. The Via Panisperna boys also noticed some unexplained effects. The experiment seemed to work better on a wooden table than on a marble tabletop. Fermi remembered that Joliot Curie and Chadwick had noted that paraffin wax was effective at slowing neutrons, so he decided to try that. When neutrons were passed through paraffin wax, they induced a hundred times as much radioactivity in silver compared with when it was bombarded without the paraffin. Fermi guessed that this was due to the hydrogen atoms in the paraffin. Those in wood similarly explained the difference between the wooden and the marble tabletops. This was confirmed by repeating the effect with water. He concluded that collisions with hydrogen atoms slowed the neutrons. The lower the atomic number of the nucleus it collides with, the more energy a neutron loses per collision, and therefore the fewer collisions that are required to slow a neutron down by a given amount. Fermi realised that this induced more radioactivity because slow neutrons were more easily captured than fast ones. He developed a diffusion equation to describe this, which became known as the Fermi age equation. In 1938, Fermi received the Nobel Prize in Physics at the age of 37 for his "demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons". After Fermi received the prize in Stockholm, he did not return home to Italy but rather continued to New York City with his family in December 1938, where they applied for permanent residency. The decision to move to America and become US citizens was due primarily to the racial laws in Italy.

Манхэттенский проект

Ферми прибыл в Нью-Йорк 2 января 1939 года. Ему незамедлительно предложили должности в пяти университетах, и он принял предложение Колумбийского университета, где уже читал летние лекции в 1936 году. Он узнал о том, что в декабре 1938 года немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман обнаружили барий после бомбардировки урана нейтронами, что Лиза Майтнер и её племянник Отто Фриш верно интерпретировали как результат ядерного деления. Фриш экспериментально подтвердил это 13 января 1939 года. Весть об интерпретации открытия Хана и Штрассмана Майтнер и Фришем пересекла Атлантику вместе с Нильсом Бором, который должен был читать лекции в Принстонском университете. Исидор Айзек Раби и Уиллис Лэмб, два физика из Колумбийского университета, работавшие в Принстоне, узнали об этом и привезли новость в Колумбию. Раби утверждал, что он рассказал об этом Энрико Ферми, но Ферми позже отдал приоритет Лэмбу: Ноддак оказался прав. Ферми отверг возможность деления, основываясь на своих расчетах, но не учел энергию связи, высвобождающуюся при поглощении дополнительного нейтрона нуклидом с нечетным числом нейтронов. Для Ферми это стало серьезным ударом, поскольку трансурановые элементы, за открытие которых он частично получил Нобелевскую премию, оказались вовсе не трансурановыми элементами, а продуктами деления. Он добавил соответствующую сноску в свою речь при вручении Нобелевской премии. На следующий день в Вашингтоне, округ Колумбия, под эгидой Университета Джорджа Вашингтона и Института Карнеги в Вашингтоне, началась Пятая Вашингтонская конференция по теоретической физике. Там новость о ядерном делении распространилась еще шире, стимулируя множество экспериментальных демонстраций. Французские ученые Ханс фон Хальбан, Лью Коварски и Фредерик Жолио-Кюри продемонстрировали, что уран, облучаемый нейтронами, испускает больше нейтронов, чем поглощает, что указывало на возможность цепной реакции. Ферми и Андерсон подтвердили это несколько недель спустя. Лео Силард получил оксид урана от канадского производителя радия Eldorado Gold Mines Limited, что позволило Ферми и Андерсону проводить эксперименты с делением в гораздо большем масштабе. Однако их рабочие привычки и характеры различались, и Ферми испытывал трудности в работе с Силардом. Ферми был одним из первых, кто предупредил военных о потенциальном влиянии ядерной энергии, прочитав лекцию на эту тему в Министерстве военно-морского флота 18 марта 1939 года. Ответ не оправдал его ожиданий, хотя ВМС согласились выделить 1500 долларов на дальнейшие исследования в Колумбии. Позже в том же году Силард, Юджин Вигнер и Эдвард Теллер отправили письмо, подписанное Эйнштейном, президенту США Франклину Рузвельту, предупреждая о том, что нацистская Германия, вероятно, разрабатывает атомную бомбу. В ответ Рузвельт сформировал Консультативный комитет по урану для изучения этого вопроса. Консультативный комитет по урану выделил Ферми средства на покупку графита, и он построил кучу из графитовых кирпичей на седьмом этаже лаборатории Пупин-Холл. К августу 1941 года у него было шесть тонн оксида урана и тридцать тонн графита, которые он использовал для создания еще большей кучи в Шермерхорн-Холле в Колумбии. Секция S 1 Управления научных исследований и разработок, как теперь назывался Консультативный комитет по урану, встретилась 18 декабря 1941 года, когда США вступили во Вторую мировую войну, что придало работе срочность. Большая часть усилий, спонсируемых комитетом, была направлена на производство обогащенного урана, но член комитета Артур Комптон определил, что осуществимой альтернативой является плутоний, который можно было бы массово производить в ядерных реакторах к концу 1944 года. Он решил сосредоточить работы по плутонию в Чикагском университете. Ферми неохотно переехал, и его команда стала частью новой Металлургической лаборатории. Возможные результаты самоподдерживающейся ядерной реакции были неизвестны, поэтому строительство первого ядерного реактора на территории Чикагского университета в центре города казалось неразумным. Комптон нашел место в заповеднике Аргонн-Вудс, примерно в Чикаго. Компания Stone & Webster получила контракт на обустройство площадки, но работы были приостановлены из-за трудового спора. Ферми убедил Комптона, что он может построить реактор в зале для сквоша под трибунами Стагг-Филд Чикагского университета. Строительство пилы началось 6 ноября 1942 года, а 2 декабря Чикагская пила-1 достигла критического состояния. Форма пилы должна была быть приблизительно сферической, но по мере продвижения работ Ферми рассчитал, что критическое состояние можно достичь, не завершая пилу в полном объеме, как планировалось. Этот эксперимент стал важной вехой в поисках энергии и был типичным для подхода Ферми. Каждый шаг был тщательно спланирован, и каждый расчет был выполнен скрупулезно. Когда была достигнута первая самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция, Комптон сделал зашифрованный телефонный звонок Джеймсу Б. Конанту, председателю Национального комитета по исследованиям в области обороны. Чтобы продолжить исследования в безопасном для здоровья населения месте, реактор был разобран и перевезен на площадку в Аргонн-Вудс. Там Ферми руководил экспериментами по ядерным реакциям, наслаждаясь возможностями, которые предоставляло обильное производство свободных нейтронов реактором. Вскоре лаборатория расширила свою деятельность за пределы физики и инженерии, начав использовать реактор для биологических и медицинских исследований. Первоначально Аргонном руководил Ферми как часть Чикагского университета, но в мае 1944 года он стал отдельным учреждением, директором которого был Ферми. Когда 4 ноября 1943 года на Ок-Ридже достиг критического состояния воздушно-охлаждаемый графитовый реактор X-10, Ферми был наготове на случай непредвиденных обстоятельств. Техники разбудили его рано, чтобы он мог увидеть это. Запуск X-10 в эксплуатацию стал еще одной вехой в проекте по созданию плутония. Он предоставил данные для проектирования реакторов, обучение персонала DuPont эксплуатации реакторов и произвел первые небольшие количества плутония, полученного в реакторе. Ферми получил гражданство США в июле 1944 года, в самый ранний срок, предусмотренный законом. В сентябре 1944 года Ферми загрузил первую урановую топливную таблетку в реактор B на площадке в Хэнфорде, производственный реактор, предназначенный для наработки плутония в больших количествах. Как и X-10, он был спроектирован командой Ферми в Металлургической лаборатории и построен компанией DuPont, но был намного больше и охлаждался водой. В течение следующих нескольких дней было загружено 838 трубок, и реактор достиг критического состояния. Сразу после полуночи 27 сентября операторы начали извлекать регулирующие стержни для запуска производства. Сначала все казалось в порядке, но около 03:00 уровень мощности начал падать, и к 06:30 реактор полностью остановился. Армия и DuPont обратились к команде Ферми за объяснениями. Охлаждающую воду исследовали на предмет утечек или загрязнений. На следующий день реактор внезапно запустился снова, только чтобы через несколько часов снова остановиться. Проблема была обнаружена в отравлении нейтронами ксеноном-135, продуктом деления с периодом полураспада от 9,1 до 9,4 часов. Ферми и Джон Уилер независимо друг от друга пришли к выводу, что Xe-135 отвечает за поглощение нейтронов в реакторе, тем самым саботируя процесс деления. Коллега Ферми, Эмилио Сегре, порекомендовал ему обратиться к Шиунг Ву, поскольку она готовила к публикации в журнале Physical Review статью на эту тему. Прочитав проект статьи, Ферми и ученые подтвердили свои подозрения: Xe-135 действительно поглощал нейтроны, и у него было огромное сечение взаимодействия с нейтронами. Компания DuPont отклонилась от первоначального проекта Металлургической лаборатории, в котором реактор имел 1500 трубок, расположенных по кругу, и добавила 504 трубки, чтобы заполнить углы. Ученые изначально считали такое усложнение пустой тратой времени и денег, но Ферми понял, что если загрузить все 2004 трубки, реактор сможет достичь необходимого уровня мощности и эффективно производить плутоний. В апреле 1943 года Ферми поднял вопрос о Роберте Оппен...

Fermi arrived in New York City on 2 January 1939. He was immediately offered positions at five universities, and accepted one at Columbia University, where he had already given summer lectures in 1936. He received the news that in December 1938, the German chemists Otto Hahn and Fritz Strassmann had detected the element barium after bombarding uranium with neutrons, which Lise Meitner and her nephew Otto Frisch correctly interpreted as the result of nuclear fission. Frisch confirmed this experimentally on 13 January 1939. The news of Meitner and Frisch's interpretation of Hahn and Strassmann's discovery crossed the Atlantic with Niels Bohr, who was to lecture at Princeton University. Isidor Isaac Rabi and Willis Lamb, two Columbia University physicists working at Princeton, found out about it and carried it back to Columbia. Rabi said he told Enrico Fermi, but Fermi later gave the credit to Lamb:

Noddack was proven right after all. Fermi had dismissed the possibility of fission on the basis of his calculations, but he had not taken into account the binding energy that would appear when a nuclide with an odd number of neutrons absorbed an extra neutron. For Fermi, the news came as a profound embarrassment, as the transuranic elements that he had partly been awarded the Nobel Prize for discovering had not been transuranic elements at all, but fission products. He added a footnote to this effect to his Nobel Prize acceptance speech. The next day, the Fifth Washington Conference on Theoretical Physics began in Washington, D. C. under the joint auspices of George Washington University and the Carnegie Institution of Washington. There, the news on nuclear fission was spread even further, fostering many more experimental demonstrations. French scientists Hans von Halban, Lew Kowarski, and Frédéric Joliot Curie had demonstrated that uranium bombarded by neutrons emitted more neutrons than it absorbed, suggesting the possibility of a chain reaction. Fermi and Anderson did so too a few weeks later. Leó Szilárd obtained of uranium oxide from Canadian radium producer Eldorado Gold Mines Limited, allowing Fermi and Anderson to conduct experiments with fission on a much larger scale. But their work habits and personalities were different, and Fermi had trouble working with Szilárd. Fermi was among the first to warn military leaders about the potential impact of nuclear energy, giving a lecture on the subject at the Navy Department on 18 March 1939. The response fell short of what he had hoped for, although the Navy agreed to provide $1,500 towards further research at Columbia. Later that year, Szilárd, Eugene Wigner, and Edward Teller sent the letter signed by Einstein to US president Franklin D. Roosevelt, warning that Nazi Germany was likely to build an atomic bomb. In response, Roosevelt formed the Advisory Committee on Uranium to investigate the matter. The Advisory Committee on Uranium provided money for Fermi to buy graphite, and he built a pile of graphite bricks on the seventh floor of the Pupin Hall laboratory. By August 1941, he had six tons of uranium oxide and thirty tons of graphite, which he used to build a still larger pile in Schermerhorn Hall at Columbia. The S 1 Section of the Office of Scientific Research and Development, as the Advisory Committee on Uranium was now known, met on 18 December 1941, with the US now engaged in World War II, making its work urgent. Most of the effort sponsored by the committee had been directed at producing enriched uranium, but Committee member Arthur Compton determined that a feasible alternative was plutonium, which could be mass produced in nuclear reactors by the end of 1944. He decided to concentrate the plutonium work at the University of Chicago. Fermi reluctantly moved, and his team became part of the new Metallurgical Laboratory there. The possible results of a self sustaining nuclear reaction were unknown, so it seemed inadvisable to build the first nuclear reactor on the University of Chicago campus in the middle of the city. Compton found a location in the Argonne Woods Forest Preserve, about from Chicago. Stone & Webster was contracted to develop the site, but the work was halted by an industrial dispute. Fermi then persuaded Compton that he could build the reactor in the squash court under the stands of the University of Chicago's Stagg Field. Construction of the pile began on 6 November 1942, and Chicago Pile 1 went critical on 2 December. The shape of the pile was intended to be roughly spherical, but as work proceeded Fermi calculated that criticality could be achieved without finishing the entire pile as planned. This experiment was a landmark in the quest for energy, and it was typical of Fermi's approach. Every step was carefully planned, and every calculation was meticulously done. When the first self sustained nuclear chain reaction was achieved, Compton made a coded phone call to James B. Conant, the chairman of the National Defense Research Committee. To continue the research where it would not pose a public health hazard, the reactor was disassembled and moved to the Argonne Woods site. There Fermi directed experiments on nuclear reactions, reveling in the opportunities provided by the reactor's abundant production of free neutrons. The laboratory soon branched out from physics and engineering into using the reactor for biological and medical research. Initially, Argonne was run by Fermi as part of the University of Chicago, but it became a separate entity with Fermi as its director in May 1944. When the air cooled X 10 Graphite Reactor at Oak Ridge went critical on 4 November 1943, Fermi was on hand just in case something went wrong. The technicians woke him early so that he could see it happen. Getting X 10 operational was another milestone in the plutonium project. It provided data on reactor design, training for DuPont staff in reactor operation, and produced the first small quantities of reactor bred plutonium. Fermi became an American citizen in July 1944, the earliest date the law allowed. In September 1944, Fermi inserted the first uranium fuel slug into the B Reactor at the Hanford Site, the production reactor designed to breed plutonium in large quantities. Like X 10, it had been designed by Fermi's team at the Metallurgical Laboratory and built by DuPont, but it was much larger and was water cooled. Over the next few days, 838 tubes were loaded, and the reactor went critical. Shortly after midnight on 27 September, the operators began to withdraw the control rods to initiate production. At first, all appeared to be well, but around 03:00, the power level started to drop and by 06:30 the reactor had shut down completely. The Army and DuPont turned to Fermi's team for answers. The cooling water was investigated to see if there was a leak or contamination. The next day the reactor suddenly started up again, only to shut down once more a few hours later. The problem was traced to neutron poisoning from xenon 135 or Xe 135, a fission product with a half life of 9.1 to 9.4 hours. Fermi and John Wheeler both deduced that Xe 135 was responsible for absorbing neutrons in the reactor, thereby sabotaging the fission process. Fermi was recommended by colleague Emilio Segrè to ask Chien Shiung Wu, as she prepared a printed draft on this topic to be published by the Physical Review. Upon reading the draft, Fermi and the scientists confirmed their suspicions: Xe 135 indeed absorbed neutrons, in fact it had a huge neutron cross section. DuPont had deviated from the Metallurgical Laboratory's original design in which the reactor had 1,500 tubes arranged in a circle, and had added 504 tubes to fill in the corners. The scientists had originally considered this over engineering a waste of time and money, but Fermi realized that if all 2,004 tubes were loaded, the reactor could reach the required power level and efficiently produce plutonium. In April 1943, Fermi raised with Robert Oppenheimer the possibility of using the radioactive byproducts from enrichment to contaminate the German food supply. The background was fear that the German atomic bomb project was already at an advanced stage, and Fermi was also skeptical at the time that an atomic bomb could be developed quickly enough. Oppenheimer discussed the "promising" proposal with Edward Teller, who suggested the use of strontium 90. James B. Conant and Leslie Groves were also briefed, but Oppenheimer wanted to proceed with the plan only if enough food could be contaminated with the weapon to kill half a million people. In mid 1944, Oppenheimer persuaded Fermi to join his Project Y at Los Alamos, New Mexico. Arriving in September, Fermi was appointed an associate director of the laboratory, with broad responsibility for nuclear and theoretical physics, and was placed in charge of F Division, which was named after him. F Division had four branches: F 1 Super and General Theory under Teller, which investigated the "Super" (thermonuclear) bomb; F 2 Water Boiler under L. D. P. King, which looked after the "water boiler" aqueous homogeneous research reactor; F 3 Super Experimentation under Egon Bretscher; and F 4 Fission Studies under Anderson. Fermi observed the Trinity test on 16 July 1945 and conducted an experiment to estimate the bomb's yield by dropping strips of paper into the blast wave. He paced off the distance they were blown by the explosion, and calculated the yield as ten kilotons of TNT; the actual yield was about 18.6 kilotons. Along with Oppenheimer, Compton, and Ernest Lawrence, Fermi was part of the scientific panel that advised the Interim Committee on target selection. The panel agreed with the committee that atomic bombs would be used without warning against an industrial target. Like others at the Los Alamos Laboratory, Fermi found out about the atomic bombings of Hiroshima and Nagasaki from the public address system in the technical area. Fermi did not believe that atomic bombs would deter nations from starting wars, nor did he think that the time was ripe for world government. He therefore did not join the Association of Los Alamos Scientists.

Послевоенная работа

Ферми стал профессором физики имени Чарльза Х. Свифта в Чикагском университете 1 июля 1945 года, хотя он покинул Лос-Аламосскую лабораторию с семьей только 31 декабря 1945 года. В 1945 году он был избран членом Национальной академии наук США. Металлургическая лаборатория 1 июля 1946 года стала Аргоннской национальной лабораторией – первой из национальных лабораторий, созданных в рамках Манхэттенского проекта. Небольшое расстояние между Чикаго и Аргонном позволяло Ферми работать в обоих местах. В Аргонне он продолжил заниматься экспериментальной физикой, исследуя рассеяние нейтронов вместе с Леоной Маршалл. Он также обсуждал вопросы теоретической физики с Марией Майер, помогая ей развить понимание спин-орбитального взаимодействия, что впоследствии привело к присуждению ей Нобелевской премии. 1 января 1947 года Манхэттенский проект был заменен Комиссией по атомной энергии (AEC). Ферми входил в состав Генерального консультативного комитета AEC – влиятельной научной комиссии, председателем которой был Роберт Оппенгеймер. Он также любил проводить несколько недель в году в Лос-Аламосской национальной лаборатории, где сотрудничал с Николасом Метрополисом и Джоном фон Нейманом в изучении неустойчивости Рэлея — Тейлора, науки о процессах, происходящих на границе между двумя жидкостями с разной плотностью. После испытания первой советской атомной бомбы в августе 1949 года Ферми вместе с Исидором Раби подготовил для комитета резкий доклад, в котором выступал против разработки водородной бомбы по моральным и техническим причинам. Тем не менее, Ферми продолжал участвовать в работе над водородной бомбой в Лос-Аламосе в качестве консультанта. Вместе со Станиславом Уламом он рассчитал, что количество трития, необходимое для термоядерного оружия по модели Теллера, будет непомерно большим, и даже при таком количестве трития нельзя будет гарантировать протекание реакции синтеза. Ферми был одним из ученых, выступивших в защиту Оппенгеймера на слушаниях по его безопасности в 1954 году, которые привели к отказу в допуске Оппенгеймера к секретной информации. В последние годы жизни Ферми продолжал преподавать в Чикагском университете, где он был одним из основателей Института Энрико Ферми. Среди его аспирантов в послевоенный период были Оуэн Чемберлен, Джеффри Чу, Джером Фридман, Марвин Голдбергер, Цун-Дао Ли, Артур Розенфельд и Сэм Трейман. Джек Штейнбергер был аспирантом, а Милдред Дрессельхаус испытала сильное влияние Ферми в течение года, когда они вместе учились в аспирантуре. Ферми проводил важные исследования в области физики частиц, особенно в отношении пионов и мюонов. Он сделал первые предсказания пион-нуклонного резонанса, опираясь на статистические методы, поскольку считал, что точные ответы не нужны, если теория в любом случае неверна. В статье, написанной совместно с Чен Нином Яном, он предположил, что пионы могут быть составными частицами. Эта идея была развита Шоичи Сакатой. Впоследствии она была заменена кварковой моделью, в которой пион состоит из кварков, что дополнило модель Ферми и подтвердило его подход. Ферми написал статью «О происхождении космического излучения», в которой предположил, что космические лучи возникают в результате ускорения вещества магнитными полями в межзвездном пространстве, что привело к разногласиям с Теллером. Ферми исследовал проблемы, связанные с магнитными полями в спиральных рукавах галактики. Он размышлял о том, что сейчас известно как «парадокс Ферми» – противоречии между предполагаемой вероятностью существования внеземной жизни и отсутствием каких-либо контактов. К концу жизни Ферми стал сомневаться в способности общества в целом принимать мудрые решения в отношении ядерных технологий. Он сказал:

Fermi became the Charles H. Swift Distinguished Professor of Physics at the University of Chicago on 1 July 1945, although he did not depart the Los Alamos Laboratory with his family until 31 December 1945. He was elected a member of the US National Academy of Sciences in 1945. The Metallurgical Laboratory became the Argonne National Laboratory on 1 July 1946, the first of the national laboratories established by the Manhattan Project. The short distance between Chicago and Argonne allowed Fermi to work at both places. At Argonne he continued experimental physics, investigating neutron scattering with Leona Marshall. He also discussed theoretical physics with Maria Mayer, helping her develop insights into spin–orbit coupling that would lead to her receiving the Nobel Prize. The Manhattan Project was replaced by the Atomic Energy Commission (AEC) on 1 January 1947. Fermi served on the AEC General Advisory Committee, an influential scientific committee chaired by Robert Oppenheimer. He also liked to spend a few weeks each year at the Los Alamos National Laboratory, where he collaborated with Nicholas Metropolis, and with John von Neumann on Rayleigh–Taylor instability, the science of what occurs at the border between two fluids of different densities. After the detonation of the first Soviet fission bomb in August 1949, Fermi, along with Isidor Rabi, wrote a strongly worded report for the committee, opposing the development of a hydrogen bomb on moral and technical grounds. Nonetheless, Fermi continued to participate in work on the hydrogen bomb at Los Alamos as a consultant. Along with Stanislaw Ulam, he calculated that not only would the amount of tritium needed for Teller's model of a thermonuclear weapon be prohibitive, but a fusion reaction could still not be assured to propagate even with this large quantity of tritium. Fermi was among the scientists who testified on Oppenheimer's behalf at the Oppenheimer security hearing in 1954 that resulted in the denial of Oppenheimer's security clearance. In his later years, Fermi continued teaching at the University of Chicago, where he was a founder of what later became the Enrico Fermi Institute. His PhD students in the postwar period included Owen Chamberlain, Geoffrey Chew, Jerome Friedman, Marvin Goldberger, Tsung Dao Lee, Arthur Rosenfeld and Sam Treiman. Jack Steinberger was a graduate student, and Mildred Dresselhaus was highly influenced by Fermi during the year she overlapped with him as a PhD student. Fermi conducted important research in particle physics, especially related to pions and muons. He made the first predictions of pion nucleon resonance, relying on statistical methods, since he reasoned that exact answers were not required when the theory was wrong anyway. In a paper coauthored with Chen Ning Yang, he speculated that pions might actually be composite particles. The idea was elaborated by Shoichi Sakata. It has since been supplanted by the quark model, in which the pion is made up of quarks, which completed Fermi's model, and vindicated his approach. Fermi wrote a paper "On the Origin of Cosmic Radiation" in which he proposed that cosmic rays arose through material being accelerated by magnetic fields in interstellar space, which led to a difference of opinion with Teller. Fermi examined the issues surrounding magnetic fields in the arms of a spiral galaxy. He mused about what is now referred to as the "Fermi paradox": the contradiction between the presumed probability of the existence of extraterrestrial life and the fact that contact has not been made. Toward the end of his life, Fermi questioned his faith in society at large to make wise choices about nuclear technology. He said:

Смерть

Ферми перенес так называемую "исследовательскую" операцию в больнице Billings Memorial в октябре 1954 года, после чего вернулся домой. Через пятьдесят дней он умер от неоперабельного рака желудка в своем доме в Чикаго в возрасте 53 лет. Ферми подозревал, что работа вблизи ядерного реактора связана с большим риском, но продолжал работу, поскольку считал, что польза перевешивает риски для его личной безопасности. Двое его аспирантов, работавших рядом с реактором, также умерли от рака. В часовне Чикагского университета состоялась церемония памяти, на которой его коллеги Сэмюэл К. Эллисон, Эмилио Сегре и Герберт Л. Андерсон выразили скорбь по поводу утраты одного из "самых выдающихся и продуктивных физиков" мира. Его тело было похоронено на кладбище Оук-Вудс, где лютеранский священник провел частную церемонию у могилы в кругу семьи.

Наследие

Ферми получил многочисленные награды в знак признания его достижений, в том числе медаль Маттеуччи в 1926 году, Нобелевскую премию по физике в 1938 году, медаль Хьюза в 1942 году, медаль Франклина в 1947 году и премию Рамфорда в 1953 году. Он был награжден Медалью за заслуги в 1946 году за вклад в Манхэттенский проект. Ферми был избран членом Американского философского общества в 1939 году и иностранным членом Королевского общества (FRS) в 1950 году. В 1999 году журнал Time включил Ферми в список 100 самых влиятельных людей XX века. Ферми был широко признан выдающимся физиком XX века, одинаково успешно работавшим как в теоретической, так и в экспериментальной физике. Химик и писатель Ч. П. Сноу писал: «Если бы Ферми родился на несколько лет раньше, вполне можно было бы представить, что он открыл атомное ядро Резерфорда, а затем разработал теорию атома водорода Бора. Если это звучит как преувеличение, то всё, что связано с Ферми, скорее всего, будет казаться преувеличением». Ферми был известен как вдохновляющий преподаватель, отличавшийся вниманием к деталям, простотой изложения и тщательной подготовкой лекций. Позднее его лекции были переписаны в виде книг. Его научные работы и записи сегодня хранятся в Чикагском университете. Виктор Вайскопф отмечал, что Ферми «всегда находил самый простой и прямой подход, с минимальным количеством усложнений и изысков». Он не любил сложные теории, и хотя обладал выдающимися математическими способностями, не использовал их, когда задачу можно было решить более простым способом. Он был известен тем, что быстро и точно находил решения проблем, которые ставили в тупик других ученых. Позже его метод получения приблизительных и быстрых ответов с помощью расчетов на полях (на обороте конверта) неофициально получил название «метод Ферми» и широко используется в обучении. Ферми любил напоминать, что когда Алессандро Вольта работал в своей лаборатории, он не имел представления о том, к чему приведет изучение электричества. Ферми в основном известен своими работами в области ядерной энергии и ядерного оружия, особенно созданием первого ядерного реактора и разработкой первых атомных и водородных бомб. Его научные труды выдержали испытание временем, включая теорию бета-распада, работы с нелинейными системами, открытие эффектов медленных нейтронов, исследование столкновений пионов с нуклонами и статистику Ферми — Дирака. Его предположение о том, что пион не является фундаментальной частицей, указало путь к изучению кварков и лептонов.

Fermi received numerous awards in recognition of his achievements, including the Matteucci Medal in 1926, the Nobel Prize for Physics in 1938, the Hughes Medal in 1942, the Franklin Medal in 1947, and the Rumford Prize in 1953. He was awarded the Medal for Merit in 1946 for his contribution to the Manhattan Project. Fermi was elected member of the American Philosophical Society in 1939 and a Foreign Member of the Royal Society (FRS) in 1950. In 1999, Time named Fermi on its list of the top 100 persons of the twentieth century. Fermi was widely regarded as an unusual case of a 20th century physicist who excelled both theoretically and experimentally. Chemist and novelist C. P. Snow wrote, "if Fermi had been born a few years earlier, one could well imagine him discovering Rutherford's atomic nucleus, and then developing Bohr's theory of the hydrogen atom. If this sounds like hyperbole, anything about Fermi is likely to sound like hyperbole". Fermi was known as an inspiring teacher and was noted for his attention to detail, simplicity, and careful preparation of his lectures. Later, his lecture notes were transcribed into books. His papers and notebooks are today in the University of Chicago. Victor Weisskopf noted how Fermi "always managed to find the simplest and most direct approach, with the minimum of complication and sophistication." He disliked complicated theories, and while he had great mathematical ability, he would never use it when the job could be done much more simply. He was famous for getting quick and accurate answers to problems that would stump other people. Later on, his method of getting approximate and quick answers through back of the envelope calculations became informally known as the "Fermi method", and is widely taught. Fermi was fond of pointing out that when Alessandro Volta was working in his laboratory, Volta had no idea where the study of electricity would lead. Fermi is generally remembered for his work on nuclear power and nuclear weapons, especially the creation of the first nuclear reactor, and the development of the first atomic and hydrogen bombs. His scientific work has stood the test of time. This includes his theory of beta decay, his work with non linear systems, his discovery of the effects of slow neutrons, his study of pion nucleon collisions, and his Fermi–Dirac statistics. His speculation that a pion was not a fundamental particle pointed the way towards the study of quarks and leptons.

Вещи, названные в честь Ферми

Многое носит имя Ферми. К ним относятся ускоритель частиц Fermilab и физическая лаборатория в Батавии, штат Иллинойс, переименованная в его честь в 1974 году, и космический гамма-телескоп Fermi, названный в его честь в 2008 году в знак признания его работы над космическими лучами. Три ядерных реактора носят его имя: атомные электростанции Fermi 1 и Fermi 2 в Ньюпорте, штат Мичиган, атомная электростанция имени Энрико Ферми в Трино-Верчелли, Италия, и исследовательский реактор RA-1 имени Энрико Ферми в Аргентине. Синтетический элемент, выделенный из продуктов ядерного взрыва Ivy Mike в 1952 году, был назван фермием в честь вклада Ферми в науку. Это делает его одним из 16 ученых, в честь которых названы химические элементы. С 1956 года Комиссия по атомной энергии США назвала свою высшую награду – премию Ферми – в его честь. Среди лауреатов премии – Отто Ган, Роберт Оппенгеймер, Эдвард Теллер и Ганс Бете.