Bevor ich hierher kam, war ich über dieses Thema verwirrt. Nachdem ich Ihrem Vortrag zugehört habe, bin ich immer noch verwirrt. Aber auf einem höheren Niveau.
Enrico Fermi war ein italienischer, später amerikanisch eingebürgerter Physiker und der Schöpfer des weltweit ersten Kernreaktors, der Chicago Pile-1. Er wird als der „Architekt des Atomzeitalters" und der „Architekt der Atombombe" bezeichnet. Er war einer von nur wenigen Physikern, die sowohl in theoretischer Physik als auch in experimenteller Physik hervorragend waren. Fermi erhielt 1938 den Nobelpreis für Physik für seine Arbeiten zur induzierten Radioaktivität durch Neutronenbeschuss und für die Entdeckung von Transuranelementen. Mit seinen Kollegen reichte Fermi mehrere Patente im Zusammenhang mit der Nutzung von Kernenergie ein, die alle von der US-Regierung übernommen wurden. Er leistete bedeutende Beiträge zur Entwicklung der statistischen Mechanik, der Quantentheorie sowie der Kern- und Teilchenphysik.
Fermis erster großer Beitrag bezog sich auf das Gebiet der statistischen Mechanik. Nachdem Wolfgang Pauli 1925 sein Ausschließungsprinzip formulierte, folgte Fermi mit einer Arbeit, in der er das Prinzip auf ein ideales Gas anwendete und eine statistische Formulierung verwendete, die heute als Fermi-Dirac-Statistik bekannt ist. Heute werden Teilchen, die das Ausschließungsprinzip erfüllen, „Fermionen" genannt. Pauli postulierte später die Existenz eines ungeladenen unsichtbaren Teilchens, das zusammen mit einem Elektron beim Beta-Zerfall emittiert wird, um das Energieerhaltungsgesetz zu erfüllen. Fermi übernahm diese Idee und entwickelte ein Modell, das das postulierte Teilchen einbezog, das er „Neutrino" nannte. Seine Theorie, später als Fermis Wechselwirkung bezeichnet und jetzt schwache Wechselwirkung genannt, beschrieb eine der vier fundamentalen Wechselwirkungen in der Natur. Durch Experimente, die Radioaktivität mit dem kürzlich entdeckten Neutron induzierten, entdeckte Fermi, dass langsame Neutronen leichter von Atomkernen eingefangen wurden als schnelle, und er entwickelte die Fermi-Altersgleichung, um dies zu beschreiben. Nach der Bestrahlung von Thorium und Uran mit langsamen Neutronen kam er zu dem Schluss, dass er neue Elemente geschaffen hatte. Obwohl er für diese Entdeckung den Nobelpreis erhielt, stellte sich später heraus, dass die neuen Elemente Kernspaltungsprodukte waren.
Fermi verließ 1938 Italien, um neuen italienischen Rassengesetzen zu entgehen, die seine jüdische Frau Laura Capon betrafen. Er wanderte in die Vereinigten Staaten aus, wo er während des Zweiten Weltkriegs am Manhattan-Projekt arbeitete. Fermi führte das Team, das Chicago Pile-1 entwarf und baute, das am 2. Dezember 1942 kritisch wurde und die erste von Menschen geschaffene, selbsterhaltende Kernkettenreaktion demonstrierte. Er war anwesend, als der X-10 Graphite Reactor in Oak Ridge, Tennessee, 1943 kritisch wurde, und als der B Reactor auf der Hanford Site dies im folgenden Jahr tat. In Los Alamos leitete er die F Division, deren Teil an Edward Tellers thermokernwaffe „Super" arbeitete. Er war beim Trinity-Test am 16. Juli 1945 anwesend, wo er seine Fermi-Methode verwendete, um die Sprengkraft der Bombe zu schätzen.
Nach dem Krieg diente Fermi unter J. Robert Oppenheimer im General Advisory Committee, das die Atomic Energy Commission in Kernfragen beriet. Nach der Detonation der ersten sowjetischen Kernspaltungsbombe im August 1949 widersetzte er sich stark der Entwicklung einer Wasserstoffbombe aus moralischen und technischen Gründen. Er gehörte zu den Wissenschaftlern, die bei der Anhörung von 1954 zugunsten von Oppenheimer aussagten, die zum Entzug von Oppenheimers Sicherheitsfreigabe führte. Fermi leistete wichtige Arbeiten in der Teilchenphysik, besonders im Zusammenhang mit Pionen und Myonen, und spekulierte, dass kosmische Strahlung entstand, wenn Material durch Magnetfelder im interstellaren Raum beschleunigt wurde. Viele Auszeichnungen, Konzepte und Institutionen sind nach Fermi benannt, darunter der Enrico Fermi Award, das Enrico Fermi Institute, das Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab, das Fermi Gamma-ray Space Telescope, die Enrico Fermi Nuclear Generating Station und das synthetische Element Fermium, was ihn zu einem der 16 Wissenschaftler macht, denen Elemente benannt sind.
Ein großer und beliebter Lehrer, Fermi betreute oder beeinflusste direkt nicht weniger als 8 junge Forscher, die später Nobelpreise gewannen.
Frühes Leben
Enrico Fermi wurde am 29. September 1901 in Rom, Italien, geboren. Er war das dritte Kind von Alberto Fermi, einem Leiter einer Abteilung im Ministerium für Eisenbahnen, und Ida de Gattis, einer Grundschullehrerin. Seine Schwester Maria war zwei Jahre älter, sein Bruder Giulio ein Jahr älter. Nachdem die beiden Jungen zur Pflege in eine ländliche Gemeinde geschickt wurden, vereinigte sich Enrico mit seiner Familie in Rom, als er zweieinhalb Jahre alt war. Obwohl er im Einklang mit den Wünschen seiner Großeltern als römisch-katholisch getauft wurde, war seine Familie nicht besonders religiös; Enrico war sein ganzes Erwachsenenleben lang Agnostiker. Als kleiner Junge teilte er die gleichen Interessen wie sein Bruder Giulio und baute Elektromotoren und spielte mit elektrischen und mechanischen Spielzeugen. Giulio starb 1915 während einer Operation eines Halsabszesses und Maria starb 1959 bei einem Flugzeugabsturz in der Nähe von Mailand.
Auf einem lokalen Markt fand Fermi ein Physikbuch, das 900-seitige Elementorum physicae mathematicae. Geschrieben auf Lateinisch von Jesuit Pater Andrea Caraffa, einem Professor am Collegio Romano, präsentierte es Mathematik, klassische Mechanik, Astronomie, Optik und Akustik, wie sie zur Zeit seiner Veröffentlichung 1840 verstanden wurden. Mit seinem wissenschaftlich veranlagten Freund Enrico Persico verfolgte Fermi Projekte wie den Bau von Kreiseln und die Messung der Erdbeschleunigung. Ein Kollege von Fermis Vater gab ihm Bücher über Physik und Mathematik, die er schnell aufnahm.
Scuola Normale Superiore in Pisa
Fermi machte 1918 sein Abitur und bewarb sich auf Amideis Drängen hin an der Scuola Normale Superiore in Pisa. Nachdem er einen Sohn verloren hatten, erlaubten seine Eltern ihm nur widerstrebend, vier Jahre lang im Internat der Schule zu wohnen. Fermi belegte den ersten Platz in der schwierigen Aufnahmeprüfung, die einen Aufsatz zum Thema „Spezifische Merkmale von Tönen" umfasste; der 17-jährige Fermi entschied sich dafür, Fourier-Analyse zu verwenden, um die partielle Differentialgleichung für einen vibrierten Stab abzuleiten und zu lösen, und nach einem Interview mit Fermi erklärte der Prüfer, dass er ein hervorragender Physiker werden würde.
In der Scuola Normale Superiore spielte Fermi Streiche mit Kommilitone Franco Rasetti; die beiden wurden enge Freunde und Mitarbeiter. Fermi wurde von Luigi Puccianti beraten, dem Leiter des Physiklabors, der sagte, dass er Fermi wenig beibringen könne, und der Fermi oft bat, ihn stattdessen etwas zu lehren. Fermis Kenntnisse der Quantenphysik waren so groß, dass Puccianti ihn bat, Seminare zu diesem Thema zu organisieren. Während dieser Zeit erlernte Fermi Tensorrechnung, eine Technik, die für die allgemeine Relativitätstheorie von Bedeutung ist. Fermi wählte zunächst Mathematik als Hauptfach, wechselte aber bald zur Physik. Er blieb weitgehend Autodidakt und studierte allgemeine Relativitätstheorie, Quantenmechanik und Atomphysik.
Im September 1920 wurde Fermi zur Fakultät für Physik zugelassen. Da es in der Abteilung nur drei Studenten gab – Fermi, Rasetti und Nello Carrara – ließ Puccianti sie das Labor frei für beliebige Zwecke nutzen. Fermi beschloss, dass sie Röntgenkristallographie erforschen sollten, und die drei arbeiteten daran, eine Laue-Fotografie – eine Röntgenaufnahme eines Kristalls – zu erstellen. Während 1921, seinem dritten Jahr an der Universität, veröffentlichte Fermi seine ersten wissenschaftlichen Arbeiten in der italienischen Zeitschrift Nuovo Cimento. Die erste trug den Titel „Zur Dynamik eines starren Systems von Elektrizitätsladungen in translatorischer Bewegung" Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio. Ein Zeichen der kommenden Entwicklungen war, dass die Masse als Tensor ausgedrückt wurde – ein mathematisches Konstrukt, das häufig verwendet wird, um etwas Bewegliches und Sich-Veränderndes im dreidimensionalen Raum zu beschreiben. In der klassischen Mechanik ist Masse eine skalare Größe, aber in der Relativitätstheorie ändert sie sich mit der Geschwindigkeit. Das zweite Papier war „Zur Elektrostatik eines homogenen Gravitationsfeldes von elektromagnetischen Ladungen und zum Gewicht elektromagnetischer Ladungen" Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche. Mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie zeigte Fermi, dass eine Ladung ein Gewicht gleich U/c2 hat, wobei U die elektrostatische Energie des Systems ist und c die Lichtgeschwindigkeit.
Das erste Papier schien auf einen Widerspruch zwischen der elektrodynamischen Theorie und der relativistischen Theorie bezüglich der Berechnung der elektromagnetischen Massen hinzuweisen, da die erstere einen Wert von 4/3 U/c2 vorhersagte. Fermi befasste sich damit im folgenden Jahr in einem Papier „Über einen Widerspruch zwischen Elektrodynamik und relativistischer Theorie der elektromagnetischen Masse", in dem er zeigte, dass der scheinbare Widerspruch eine Folge der Relativitätstheorie war. Dieses Papier war so gut angesehen, dass es ins Deutsche übersetzt und 1922 in der deutschen wissenschaftlichen Zeitschrift Physikalische Zeitschrift veröffentlicht wurde. In diesem Jahr reichte Fermi seinen Artikel „Zu den Phänomenen in der Nähe einer Weltlinie" Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria bei der italienischen Zeitschrift I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei ein. In diesem Artikel untersuchte er das Äquivalenzprinzip und führte die sogenannten „Fermi-Koordinaten" ein. Er bewies, dass sich der Raum auf einer Weltlinie nahe der Zeitlinie wie ein euklidischer Raum verhält.
Fermi reichte seine Thesis „Ein Theorem zur Wahrscheinlichkeitsrechnung und einige ihrer Anwendungen" Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni im Juli 1922 bei der Scuola Normale Superiore ein und erhielt seine Laurea im ungewöhnlich jungen Alter von 20 Jahren. Die These befasste sich mit Röntgendiffraktionsbildern. Theoretische Physik war in Italien noch nicht als Disziplin anerkannt, und die einzige These, die angenommen worden wäre, war eine über experimentelle Physik. Aus diesem Grund waren italienische Physiker langsam bei der Annahme neuer Ideen wie der Relativitätstheorie aus Deutschland. Da Fermi sich im Labor bei experimenteller Arbeit sehr wohlfühlte, stellte dies für ihn kein unüberwindliches Problem dar.
Beim Schreiben des Anhangs für die italienische Ausgabe des Buches Grundlagen der Einstein-Relativität von August Kopff im Jahr 1923 war Fermi der erste, der darauf hinwies, dass in der berühmten Einstein-Gleichung E = mc2 eine enorme Menge an nuklearem Potenzialenergie verborgen war, die genutzt werden konnte. „Es scheint nicht möglich zu sein, zumindest in der nahen Zukunft", schrieb er, „einen Weg zu finden, um diese schrecklichen Energiemengen freizusetzen – was auch gut ist, da die erste Auswirkung einer Explosion einer solchen schrecklichen Energiemenge darin bestünde, den Physiker, der das Unglück hatte, einen Weg zu finden, es zu tun, in Stücke zu schlagen."
1924 wurde Fermi in die Freimaurerloge „Adriano Lemmi" der Großorient Italiens aufgenommen.
Fermi verbrachte ein Semester mit dem Studium bei Max Born an der Universität Göttingen, wo er Werner Heisenberg und Pascual Jordan traf. Fermi studierte dann von September bis Dezember 1924 in Leiden bei Paul Ehrenfest auf ein Stipendium der Rockefeller Foundation, das durch die Vermittlung des Mathematikers Vito Volterra erhalten wurde. Hier traf Fermi Hendrik Lorentz und Albert Einstein und wurde Freund von Samuel Goudsmit und Jan Tinbergen. Von Januar 1925 bis Ende 1926 unterrichtete Fermi mathematische Physik und theoretische Mechanik an der Universität Florenz, wo er sich mit Rasetti zusammentat, um eine Reihe von Experimenten zu den Auswirkungen von Magnetfeldern auf Quecksilberdämpfe durchzuführen. Er nahm auch an Seminaren an der Sapienza-Universität Rom teil und hielt Vorlesungen zur Quantenmechanik und Festkörperphysik. Bei Vorträgen zur neuen Quantenmechanik, die auf der bemerkenswerten Genauigkeit der Vorhersagen der Schrödinger-Gleichung basierten, würde Fermi oft sagen: „Es hat keinen Grund, so gut zu passen!"
Nachdem Wolfgang Pauli 1925 sein Ausschließungsprinzip ankündigte, antwortete Fermi mit einem Papier „Zur Quantisierung des perfekten monoatomaren Gases" Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, in dem er das Ausschließungsprinzip auf ein ideales Gas anwendete. Das Papier war besonders bemerkenswert für Fermis statistische Formulierung, die die Verteilung von Teilchen in Systemen mit vielen identischen Teilchen beschreibt, die das Ausschließungsprinzip erfüllen. Dies wurde bald nach Fermi unabhängig von dem britischen Physiker Paul Dirac entwickelt, der auch zeigte, wie es mit der Bose-Einstein-Statistik verbunden war. Daher wird es jetzt als Fermi-Dirac-Statistik bezeichnet. Nach Dirac werden Teilchen, die das Ausschließungsprinzip erfüllen, heute „Fermionen" genannt, während diejenigen, die dies nicht tun, „Bosonen" genannt werden.
Professor in Rom
Professuren in Italien wurden durch Wettbewerb concorso um einen freien Lehrstuhl vergeben, wobei die Bewerber nach ihren Veröffentlichungen von einem Ausschuss von Professoren bewertet wurden. Fermi bewarb sich um einen Lehrstuhl für mathematische Physik an der Universität Cagliari auf Sardinien, wurde aber knapp zugunsten von Giovanni Giorgi übergangen. 1926 bewarb er sich im Alter von 24 Jahren um eine Professur an der Sapienza-Universität Rom. Dies war ein neuer Lehrstuhl, einer der ersten drei in theoretischer Physik in Italien, der auf Drängen des Bildungsministers geschaffen worden war.
