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Enrico Fermi era un fisico italiano in seguito naturalizzato americano e il creatore del primo reattore nucleare del mondo, il Chicago Pile-1. È stato chiamato l'"architetto dell'era nucleare" e l'"architetto della bomba atomica". È stato uno dei pochissimi fisici a eccellere sia in fisica teorica che in fisica sperimentale. Fermi ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1938 per il suo lavoro sulla radioattività indotta dal bombardamento di neutroni e per la scoperta degli elementi transurani. Con i suoi colleghi, Fermi ha depositato diversi brevetti relativi all'uso dell'energia nucleare, tutti i quali sono stati requisiti dal governo degli Stati Uniti. Ha dato contributi significativi allo sviluppo della meccanica statistica, della teoria quantistica e della fisica nucleare e delle particelle.
Il primo grande contributo di Fermi riguardava il campo della meccanica statistica. Dopo che Wolfgang Pauli formulò il suo principio di esclusione nel 1925, Fermi seguì con un articolo in cui applicò il principio a un gas ideale, utilizzando una formulazione statistica oggi nota come statistica di Fermi-Dirac. Oggi, le particelle che obbediscono al principio di esclusione sono chiamate "fermioni". Pauli in seguito postulò l'esistenza di una particella invisibile non carica emessa insieme a un elettrone durante il decadimento beta, per soddisfare la legge di conservazione dell'energia. Fermi riprese questa idea, sviluppando un modello che incorporava la particella postulata, che chiamò il "neutrino". La sua teoria, successivamente denominata interazione di Fermi e ora chiamata interazione debole, ha descritto una delle quattro interazioni fondamentali in natura. Attraverso esperimenti che inducono radioattività con il neutrone recentemente scoperto, Fermi ha scoperto che i neutroni lenti venivano più facilmente catturati dai nuclei atomici rispetto a quelli veloci, e ha sviluppato l'equazione dell'età di Fermi per descrivere questo. Dopo aver bombardato il torio e l'uranio con neutroni lenti, ha concluso di aver creato nuovi elementi. Sebbene sia stato premiato con il Premio Nobel per questa scoperta, i nuovi elementi si sono in seguito rivelati essere prodotti della fissione nucleare.
Fermi lasciò l'Italia nel 1938 per sfuggire alle nuove leggi razziali italiane che colpivano sua moglie ebrea, Laura Capon. Emigrò negli Stati Uniti, dove lavorò al Progetto Manhattan durante la seconda guerra mondiale. Fermi guidò il team che progettò e costruì Chicago Pile-1, che raggiunse la criticità il 2 dicembre 1942, dimostrando la prima reazione a catena nucleare auto-sostenente creata dall'uomo. Era presente quando l'X-10 Graphite Reactor a Oak Ridge, Tennessee, raggiunse la criticità nel 1943, e quando il B Reactor al Hanford Site lo fece l'anno successivo. A Los Alamos, guidò la F Division, parte della quale lavorò sulla bomba termonucleare "Super" di Edward Teller. Era presente al test Trinity il 16 luglio 1945, dove utilizzò il suo metodo di Fermi per stimare la resa della bomba.
Dopo la guerra, Fermi prestò servizio sotto J. Robert Oppenheimer nella Commissione Consultiva Generale, che consigliava la Commissione per l'Energia Atomica su questioni nucleari. Dopo la detonazione della prima bomba a fissione sovietica nell'agosto 1949, si oppose fortemente allo sviluppo di una bomba all'idrogeno su basi morali e tecniche. Era tra gli scienziati che testimoniarono a favore di Oppenheimer all'audizione del 1954 che ha portato al diniego della clearance di sicurezza di Oppenheimer. Fermi ha fatto un lavoro importante in fisica delle particelle, soprattutto in relazione ai pioni e ai muoni, e ha speculato che i raggi cosmici sorgessero quando il materiale veniva accelerato da campi magnetici nello spazio interstellare. Molti premi, concetti e istituzioni sono intitolati a Fermi, incluso l'Enrico Fermi Award, l'Enrico Fermi Institute, il Fermi National Accelerator Laboratory Fermilab, il Fermi Gamma-ray Space Telescope, la Enrico Fermi Nuclear Generating Station, e l'elemento sintetico fermio, rendendolo uno dei 16 scienziati che hanno elementi nominati dopo di loro.
Un grande e amato insegnante, Fermi ha istruito o influenzato direttamente non meno di 8 giovani ricercatori che hanno poi vinto Premi Nobel.
Primi anni di vita
Enrico Fermi è nato a Roma, Italia, il 29 settembre 1901. Era il terzo figlio di Alberto Fermi, un capo divisione nel Ministero delle Ferrovie, e Ida de Gattis, un'insegnante di scuola elementare. Sua sorella, Maria, era due anni più grande, suo fratello Giulio un anno più grande. Dopo che i due ragazzi furono mandati in una comunità rurale per essere allattati, Enrico si riunì alla sua famiglia a Roma quando aveva due anni e mezzo. Anche se è stato battezzato cattolico romano secondo i desideri dei nonni, la sua famiglia non era particolarmente religiosa; Enrico è stato un agnostico per tutta la sua vita adulta. Da bambino condivideva gli stessi interessi di suo fratello Giulio, costruendo motori elettrici e giocando con giocattoli elettrici e meccanici. Giulio morì durante un intervento per un ascesso in gola nel 1915 e Maria morì in un incidente aereo vicino a Milano nel 1959.
In un mercato locale Fermi trovò un libro di fisica, l'Elementorum physicae mathematicae di 900 pagine. Scritto in latino dal Padre Gesuita Andrea Caraffa, professore al Collegio Romano, presentava matematica, meccanica classica, astronomia, ottica e acustica come erano comprese al momento della sua pubblicazione nel 1840. Con l'amico orientato scientificamente, Enrico Persico, Fermi perseguì progetti come la costruzione di giroscopi e la misurazione dell'accelerazione della gravità terrestre. Un collega del padre di Fermi gli diede libri di fisica e matematica che assimilò rapidamente.
Scuola Normale Superiore in Pisa
Fermi si è diplomato al liceo nel luglio 1918, e su insistenza di Amidei ha presentato domanda alla Scuola Normale Superiore in Pisa. Avendo perso un figlio, i suoi genitori gli hanno permesso solo a malincuore di vivere negli alloggi della scuola per quattro anni. Fermi ha ottenuto il primo posto nel difficile esame di ammissione, che includeva un saggio sul tema delle "Caratteristiche specifiche dei Suoni"; il diciassettenne Fermi scelse di usare l'analisi di Fourier per derivare e risolvere l'equazione differenziale parziale per un'asta vibrante, e dopo aver intervistato Fermi l'esaminatore dichiarò che sarebbe diventato un fisico straordinario.
Alla Scuola Normale Superiore Fermi ha giocato scherzi con il collega studente Franco Rasetti; i due diventarono stretti amici e collaboratori. Fermi è stato consigliato da Luigi Puccianti, direttore del laboratorio di fisica, che ha detto che c'era poco che poteva insegnare a Fermi e spesso chiedeva a Fermi di insegnargli qualcosa invece. La conoscenza di Fermi della fisica quantistica era tale che Puccianti gli chiese di organizzare seminari sull'argomento. Durante questo periodo Fermi imparò il calcolo tensoriale, una tecnica chiave per la relatività generale. Fermi inizialmente scelse la matematica come specializzazione principale, ma presto passò alla fisica. È rimasto in gran parte autodidatta, studiando relatività generale, meccanica quantistica e fisica atomica.
Nel settembre 1920, Fermi è stato ammesso al dipartimento di Fisica. Poiché c'erano solo tre studenti nel dipartimento—Fermi, Rasetti e Nello Carrara—Puccianti li lasciò liberi di usare il laboratorio per qualsiasi scopo scelgono. Fermi decise che dovrebbero ricercare la cristallografia a raggi X, e i tre hanno lavorato per produrre una fotografia di Laue, una fotografia a raggi X di un cristallo. Durante il 1921, il suo terzo anno all'università, Fermi pubblicò i suoi primi lavori scientifici nella rivista italiana Nuovo Cimento. Il primo era intitolato "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. Un segno di ciò che sarebbe venuto è stato che la massa è stata espressa come un tensore, un costrutto matematico comunemente usato per descrivere qualcosa che si muove e cambia nello spazio tridimensionale. Nella meccanica classica, la massa è una quantità scalare, ma nella relatività cambia con la velocità. Il secondo articolo era "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. Usando la relatività generale, Fermi ha mostrato che una carica ha un peso pari a U/c2, dove U era l'energia elettrostatica del sistema, e c è la velocità della luce.
Il primo articolo sembrava evidenziare una contraddizione tra la teoria elettrodinamica e quella relativistica riguardante il calcolo delle masse elettromagnetiche, poiché la prima prediceva un valore di 4/3 U/c2. Fermi ha affrontato questo l'anno successivo in un articolo "Concerning a contradiction between electrodynamic and the relativistic theory of electromagnetic mass" nel quale ha mostrato che la contraddizione apparente era una conseguenza della relatività. Questo articolo è stato sufficientemente ben considerato che è stato tradotto in tedesco e pubblicato nella rivista scientifica tedesca Physikalische Zeitschrift nel 1922. Quell'anno, Fermi ha presentato il suo articolo "On the phenomena occurring near a world line" Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria alla rivista italiana I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei. In questo articolo ha esaminato il Principio di Equivalenza e ha introdotto le cosiddette "coordinate di Fermi". Ha provato che su una linea mondiale vicina alla linea temporale, lo spazio si comporta come se fosse uno spazio euclideo.
Fermi ha presentato la sua tesi, "A theorem on probability and some of its applications" Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni, alla Scuola Normale Superiore nel luglio 1922, e ha ricevuto la sua laurea all'età insolitamente giovane di 20 anni. La tesi verteva sulle immagini di diffrazione dei raggi X. La fisica teorica non era ancora considerata una disciplina in Italia, e l'unica tesi che sarebbe stata accettata era una sulla fisica sperimentale. Per questo motivo, i fisici italiani erano lenti nell'abbracciare le nuove idee come la relatività provenienti dalla Germania. Poiché Fermi era abbastanza a suo agio in laboratorio nel fare lavori sperimentali, questo non gli pose problemi insormontabili.
Mentre scriveva l'appendice per l'edizione italiana del libro Fundamentals of Einstein Relativity di August Kopff nel 1923, Fermi fu il primo a sottolineare che nascosto dentro la famosa equazione di Einstein E = mc2 c'era un'enorme quantità di energia potenziale nucleare da sfruttare. "Non sembra possibile, almeno nel prossimo futuro", ha scritto, "trovare un modo per rilasciare questi terribili importi di energia, il che è tutto a favore perché il primo effetto di un'esplosione di una tale terribile quantità di energia sarebbe di distruggere in mille pezzi il fisico che aveva la sfortuna di trovare un modo per farlo."
Nel 1924 Fermi fu iniziato nella Loggia massonica "Adriano Lemmi" del Grande Oriente d'Italia.
Fermi trascorse un semestre studiando sotto Max Born all'Università di Göttingen, dove incontrò Werner Heisenberg e Pascual Jordan. Fermi poi studiò a Leiden con Paul Ehrenfest da settembre a dicembre 1924 grazie a una borsa di studio della Fondazione Rockefeller ottenuta attraverso l'intercessione del matematico Vito Volterra. Qui Fermi incontrò Hendrik Lorentz e Albert Einstein, e divenne amico di Samuel Goudsmit e Jan Tinbergen. Da gennaio 1925 a fine 1926, Fermi insegnò fisica matematica e meccanica teorica all'Università di Firenze, dove collaborò con Rasetti per condurre una serie di esperimenti sugli effetti dei campi magnetici sul vapore di mercurio. Ha anche partecipato a seminari presso l'Università Sapienza di Roma, tenendo lezioni sulla meccanica quantistica e la fisica dello stato solido. Mentre teneva lezioni sulla nuova meccanica quantistica basata sulla notevole precisione delle previsioni dell'equazione di Schrödinger, Fermi spesso diceva, "Non ha ragione di adattarsi così bene!"
Dopo che Wolfgang Pauli annunciò il suo principio di esclusione nel 1925, Fermi rispose con un articolo "On the quantization of the perfect monoatomic gas" Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, nel quale applicò il principio di esclusione a un gas ideale. L'articolo era particolarmente notevole per la formulazione statistica di Fermi, che descrive la distribuzione delle particelle in sistemi di molte particelle identiche che obbediscono al principio di esclusione. È stato sviluppato indipendentemente poco dopo dal fisico britannico Paul Dirac, che ha anche mostrato come era correlato alla statistica di Bose-Einstein. Di conseguenza, è ora noto come statistica di Fermi-Dirac. Dopo Dirac, le particelle che obbediscono al principio di esclusione sono oggi chiamate "fermioni", mentre quelle che non lo fanno sono chiamate "bosoni".
Professore a Roma
I professorati in Italia sono stati concessi per concorso per una cattedra vacante, i candidati sono stati valutati dalle loro pubblicazioni da una commissione di professori. Fermi ha presentato domanda per una cattedra di fisica matematica all'Università di Cagliari in Sardegna, ma è stato stretto superato a favore di Giovanni Giorgi. Nel 1926, all'età di 24 anni, ha presentato domanda per un posto di docente presso l'Università Sapienza di Roma. Questa era una nuova cattedra, una delle prime tre di fisica teorica in Italia, che era stata creata dal Ministro dell'Istruzione su insistenza di Profe
