Carrière européenne
Fermi est rentré en Italie en 1924 pour un poste de maître de conférences en physique mathématique à l’université de Florence. Ses premières recherches portent sur la relativité générale, la mécanique statistique et la mécanique quantique. Des exemples de dégénérescence des gaz (apparition de phénomènes inattendus) étaient connus, et certains cas étaient expliqués par la statistique de Bose-Einstein, qui décrit le comportement de particules subatomiques appelées bosons. Entre 1926 et 1927, Fermi et le physicien anglais P.A.M. Dirac ont développé indépendamment de nouvelles statistiques, connues aujourd’hui sous le nom de statistiques de Fermi-Dirac, pour traiter les particules subatomiques qui obéissent au principe d’exclusion de Pauli ; ces particules, qui comprennent les électrons, les protons, les neutrons (non encore découverts) et d’autres particules ayant un spin demi-entier, sont maintenant connues sous le nom de fermions. Il s’agit d’une contribution d’une importance exceptionnelle pour la physique atomique et nucléaire, en particulier en cette période où la mécanique quantique était appliquée pour la première fois.
Ces travaux fondateurs ont valu à Fermi d’être invité en 1926 à devenir professeur titulaire à l’Université de Rome. Peu après que Fermi ait pris ses nouvelles fonctions en 1927, Franco Rasetti, un ami de Pise et un autre superbe expérimentateur, a rejoint Fermi à Rome, et ils ont commencé à rassembler un groupe d’étudiants talentueux autour d’eux. Parmi eux, Emilio Segrè, Ettore Majorana, Edoardo Amaldi et Bruno Pontecorvo, qui ont tous fait une brillante carrière. Fermi, une figure charismatique, énergique et apparemment infaillible, était clairement le leader – à tel point que ses collègues l’appelaient « le pape ».
En 1929, Fermi, en tant que premier professeur de physique théorique en Italie et étoile montante de la science européenne, a été nommé par le Premier ministre italien Benito Mussolini à sa nouvelle Accademia d’Italia, un poste qui comprenait un salaire substantiel (bien plus important que celui de n’importe quel poste universitaire ordinaire), un uniforme et un titre (« Excellence »).
À la fin des années 1920, la mécanique quantique a résolu problème après problème en physique atomique. Fermi, plus tôt que la plupart des autres, a cependant reconnu que ce domaine s’épuisait, et il a délibérément changé d’orientation pour se tourner vers le domaine plus primitivement développé de la physique nucléaire. À cette époque, la radioactivité était reconnue comme un phénomène nucléaire depuis près de deux décennies, mais les énigmes abondaient toujours. Dans la désintégration bêta, ou l’expulsion d’un électron négatif du noyau, l’énergie et la quantité de mouvement semblent ne pas être conservées. Fermi a utilisé le neutrino, une particule presque indétectable qui avait été postulée quelques années auparavant par le physicien d’origine autrichienne Wolfgang Pauli, pour élaborer une théorie de la désintégration bêta dans laquelle l’équilibre était rétabli. Cela a conduit à reconnaître que la désintégration bêta était une manifestation de la force faible, l’une des quatre forces universelles connues (les autres étant la gravitation, l’électromagnétisme et la force forte).
En 1933, l’équipe française composée d’un mari et d’une femme, Frédéric et Irène Joliot-Curie, a découvert une radioactivité artificielle causée par des particules alpha (noyaux d’hélium). Fermi se dit rapidement que le neutron neutre, découvert un an plus tôt par le physicien anglais James Chadwick, serait un projectile encore meilleur pour bombarder des noyaux chargés afin d’initier de telles réactions. Avec ses collègues, Fermi soumet plus de 60 éléments au bombardement neutronique, utilisant un compteur Geiger-Müller pour détecter les émissions et effectuant des analyses chimiques pour déterminer les nouveaux isotopes radioactifs produits. En cours de route, ils ont découvert par hasard que les neutrons dont la vitesse avait été ralentie étaient souvent plus efficaces. En testant l’uranium, ils ont observé plusieurs activités, mais ils ne pouvaient pas interpréter ce qui se passait. Certains scientifiques pensaient qu’ils avaient produit des éléments transuraniens, à savoir des éléments supérieurs à l’uranium au numéro atomique 92. La question ne fut résolue qu’en 1938, lorsque les chimistes allemands Otto Hahn et Fritz Strassmann, sur le plan expérimental, et les physiciens autrichiens Lise Meitner et Otto Frisch, sur le plan théorique, dissipèrent la confusion en révélant que l’uranium s’était fendu et que les plusieurs radioactivités détectées provenaient de fragments de fission.
Fermi s’intéressait peu à la politique, mais il était de plus en plus mal à l’aise avec la politique fasciste de sa patrie. Lorsque l’Italie adopte la politique antisémite de son alliée, l’Allemagne nazie, une crise se produit, car la femme de Fermi, Laura, est juive. L’attribution du prix Nobel de physique de 1938 fournit fortuitement l’excuse pour la famille de voyager à l’étranger, et l’argent du prix a contribué à les établir aux États-Unis.
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