Enrico Fermi

Enrico Fermi, nado o 29 de setembro de 1901 en Roma (Italia) e finado o 28 de novembro de 1954 en Chicago, Illinois (USA), foi un físico italiano naturalizado estadounidense, coñecido polo desenvolvemento do primeiro reactor nuclear e as súas contribucións ao desenvolvemento da teoría cuántica, a física nuclear, a física de partículas e a mecánica estatística. Gañou o Premio Nobel de Física no ano 1938 polos seus traballos sobre a radioactividade inducida, e é considerado un dos científicos máis importantes do século XX. Desde 1939 foi profesor de física na Columbia University.
Foi definido como o arquitecto da era nuclear e da bomba atómica, tendo colaborado nos primeiros ensaios e investigacións da bomba nuclear (proxecto Manhattan). Descubriu as reaccións no núcleo producidas por neutróns con movemento lento, e observou que estes eran absorbidos máis facilmente polo núcleo atómico que as partículas aceleradas. Investigou a teoría da estrutura fina dos espectros e a formación dos raios cósmicos. Entre as súas obras destácase Elementary Particles (1951).
Foi un dos poucos físicos da era moderna a combinar a teoría coa experiencia. Recoñeceselle como un físico con grandes capacidades tanto no plano teórico como experimental. O elemento Fermio, que foi producido de forma sintética en 1952, foi nomeado no seu honor.
A medicina moderna, que usa isótopos radioactivos para o diagnóstico e o tratamento de enfermidades, é debedora do seu traballo. Traxectoria académica e profesional
Educación secundaria
Comezouse a interesar pola física aos 14 anos trala lectura dun vello texto escrito en latín: Elementorum physicae mathematicae, un libro de 900 páxinas publicado en 1840 polo xesuíta Andrea Caraffa do Colexio Romano. Cubría todo o saber da época en matemáticas, mecánica clásica, astronomía, óptica e acústica. O seu expediente académico foi excelente, mostrando unha gran facilidade para memorizar, o que lle permitía recitar a divina comedia de Dante e gran parte da obra de Aristóteles. Gozaba dunha gran facilidade para resolver problemas teóricos de física e unha gran capacidade de síntese. Desfrutaba aprendendo física e matemáticas e compartindo os seus intereses co seu irmán, Giulio. A morte repentina deste, debido a un absceso na gorxa en 1915, perturbou a Enrico e acrecentou a súa dedicación aos estudos da ciencia para distraerse. Segundo o seu propio relato, todos os días pasaba diante do hospital onde falecera seu irmán ata que se fixo insensible á pena.
Posteriormente, Enrico trabou amizade con outro estudante interesado na ciencia chamado Enrico Persico, e os dous colaboraron en proxectos científicos tales como a construción de xiróscopios, e a medición do campo gravitatorio da Terra. O interese de Fermi pola física foi en aumento cando un amigo do seu pai, Adolfo Amidei, regaloulle varios libros sobre física e matemáticas, que leu con grande avidez.
Formación universitaria na Scuola Normale Superiore de Pisa
Fermi terminou a educación secundaria en xullo de 1918 e, aconsellado por Amidei, solicitou matricularse na Scuola Normale Superiore de Pisa.
Como perderan un fillo, seus pais eran remisos a mandalo lonxe da casa durante catro anos. A escola daba aloxamento gratuíto aos seus estudantes, pero os candidatos tiñan que aprobar un difícil exame de acceso que incluía un ensaio. O tema era Características específicas dos sons. O mozo de 17 anos Enrico Fermi derivou e resolveu a ecuación en derivadas parciais para unha barra vibrante aplicando a análise de Fourier. O examinador, Giulio Pittarelli da Universidade de Roma La Sapienza, entrevistouno e loubouno dicindo que no futuro chegaría a ser un físico destacado. Fermi foi o primeiro no exame de acceso.
Durante a súa estadía na Scuola Normale Superiore, Fermi xuntouse co compañeiro Franco Rasetti co que adoitaba facer bromas. Chegaron a seren amigos e colaboradores.
Luigi Puccianti, director do laboratorio de física, recoñeceu que pouco tiña que lle ensinar, e con frecuencia pedíalle a Fermi que lle aprendera algo a el. O coñecemento de Fermi sobre a mecánica cuántica alcanzou tal nivel que Puccianti pediulle que organizara seminarios sobre o tema. Daquela Fermi aprendeu cálculo tensorial, unha técnica matemática inventada por Gregorio Ricci e Tullio Levi-Civita que era necesaria para demostrar os principios da relatividade xeral. Nun primeiro momento escolleu estudar matemáticas, pero pronto cambiou á física. Foi autodidacta no estudo da relatividade xeral, mecánica cuántica e física atómica.
En setembro de 1920 Fermi foi admitido no departamento de Física. Como só había tres estudantes no departamento, Fermi, Rasetti, e Nello Carrara, Puccianti deixáballes usar o laboratorio con plena liberdade. Fermi decidiu que deberían investigar a cristalografía de raios X e os tres traballaron para conseguir unha fotografía Laue, que é a fotografía con raios X dun cristal. . En 1921, durante o seu terceiro ano universitario, Fermi publicou os seus dous primeiros traballos na revista científica Nuovo Cimento. Titulábanse Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio e Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche. O primeiro destes traballos levou a unha conclusión que contradí o cálculo de masas realizado dentro da teoría de Lorentz co principio de equivalencia enerxética de Einstein. Esta aparente contradición foi aclarada ao ano seguinte polo propio Fermi no artigo Correzione di una grave discrepanza fra la teoria elettrodinamica e quella relativistica delle masse elettromagnetiche. Inerzia e peso dell'elettricità, onde explica que a masa electromagnética é a contribución do campo electromagnético á masa, que apareceu primeiro na revista I rendiconti e máis tarde na prestixiosa revista alemá Physikalische Zeitschrift.
En 1922 Fermi publicou seu primeiro artigo importante na revista I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei de título Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria, onde introduciu por primeira vez o que máis tarde se chamaron coordenadas de Fermi, e demostrou que nas proximidades dunha liña de universo, o espazo compórtase coma se fose euclidiano.
Tamén en 1922 comezou a súa tese experimental sobre imaxes de difracción de raios X producidas por cristais curvos, para o cal aproveitou o traballo que fixera con Rasetti e Carrara. O 4 de xullo do mesmo ano licenciouse na Universidade de Pisa con Luigi Puccianti e o 7 de xullo seguinte tamén se licenciou na Scuola Normale Superiore; en ambos os casos, obtivo magna cum laude, aínda que, nesta última ocasión, os examinadores negáronse a estreitarlle a man e publicar a súa tese, como acontecía habitualmente.
En 1923, trala redacción do apéndice do libro Fondamenti della relatività einsteiniana de August Kopff, Fermi especializouse aínda máis no estudo da relatividade xeral grazas a Giuseppe Armellini e Tullio Levi- Civita. Fixo fincapé por primeira vez na enorme cantidade de enerxía inherente á famosa ecuación E mc², unha observación que pode verse como o primeiro paso real na dirección da xeración de enerxía atómica.
Investigación en Europa
Inmediatamente despois de graduarse, o mozo Fermi presentouse a Orso Mario Corbino, profesor de física experimental e, en 1923, grazas a unha bolsa, marchou a Alemaña durante seis meses para traballar no grupo de Max Born na Universidade de Gotinga. Este período non resultou moi fructífero por problemas de adaptación, mais, a pesar disto, a produción científica de Fermi en Gotinga foi intensa. Un mes despois de chegar, publicou un artigo titulado Il principio delle adiabatiche ed i sistemi che non ammettono coordinate angolari, e, dous meses máis tarde, outro de título Dimostrazione che in generale un sistema meccanico normale è quasi ergodico, nos que se propoñía determinar o límite da velidez do Principio de Ehrenfest.
De volta en Italia, segue publicando artigos científicos sobre a probabilidade dos estados cuánticos, a resonancia óptica e o titulado Considerazioni sulla quantizzazione di sistemi che contengono elementi identici. Este último será o primeiro paso para o descubrimento do que dous anos despois será a Estatística de Fermi-Dirac.
Grazas ao interese do famoso matemático Vito Volterra, Fermi gañou unha bolsa da Fundación Rockefeller para un período de estudos no outono de 1924 no instituto dirixido por Paul Ehrenfest na Universidade de Leiden nos Países Baixos. Esta elección deriva en parte da escasa presenza nesa época en Italia de personalidades implicadas na investigación sobre mecánica cuántica. O período en Leiden foi especialmente fructífero. Na correspondencia entre Fermi e Persico falan dos numerosos descubrimentos feitos por Fermi en Leiden. Un sobre todo foi descrito nun traballo publicado co título Sopra l'intensità delle righe multiple, onde Fermi deriva as expresións da intensidade de varias compoñentes das múltiples liñas dos espectros atómicos dos distintos elementos. O acordo atopado cos datos experimentais foi mellor que o de Heisenberg e Sommerfeld no tratamento teórico do problema.
Desde o outono de 1924 a os primeiros meses de 1926, Fermi ensinou física matemática e mecánica teórica na Universidade de Florencia, onde se uniu a Rasetti para levar a cabo unha serie de experimentos sobre os efectos dos campos magnéticos no vapor de mercurio. Tamén participou en seminarios na Universidade La Sapienza de Roma, onde impartiu conferencias sobre mecánica cuántica e física do estado sólido.
Despois de que Wolfgang Pauli anunciara o seu principio de exclusión en 1925, Fermi respondeu co artigo Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico, no que aplicaba o principio de exclusión a un gas ideal. O traballo foi especialmente notable pola formulación estatística de Fermi, que describe a distribución de partículas nun sistema físico con moitas partículas idénticas que obedecen ao principio de exclusión. Isto foi desenvolvido de forma independente pouco despois polo físico británico Paul Dirac, quen tamén mostrou como estaba relacionado coas estatísticas de Bose-Einstein. En consecuencia, agora coñécense como Estatísticas de Fermi–Dirac. Despois de Dirac, as partículas que obedecen ao principio de exclusión chámanse hoxe "fermións ", mentres que as que non o fan son chamadas "bosóns".
Os mozos da rúa Panisperna
Os catedráticos en Italia accedían ás prazas vacantes por concurso no que un comité de profesores avaliaban aos candidatos polas súas publicacións. Fermi presentose a unha vacante de física matemática na Universidade de Cagliari en Sardeña, pero foi superado por pouco por Giovanni Giorgi.
En 1926, con 24 anos de idade, postulouse para a cátedra de física da Universidade La Sapienza de Roma. Era un posto novo, un dos primeiros tres en física teórica en Italia que foran creados polo Ministerio de Educación a petición de Orso Mario Corbino, profesor universitario de física experimental, director do Instituto de Física e senador. Corbino presidiu o comité de selección e agardaba que o novo posto elevaría o nivel e a reputación da Física en Italia. O comité elixiu a Fermi por diante de Enrico Persico e Aldo Pontremoli. Corbino axudou a Fermi a recrutar un equipo, que pronto contou con prometedores estudantes da física teórica (Ettore Majorana), da física experimental (Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Emilio Segrè, Franco Rasetti) ou da química (Oscar D'Agostino). Pronto recibiron o apelativo de Os mozos da rúa Panisperna, en alusión á rúa na que estaba o Instituto de Física.
No tempo que permaneceu en Roma, Fermi e o seu grupo realizaron contribucións importantes a moitos aspectos teóricos e prácticos da Física. En 1928 publicou Introduzione alla fisica atomica, que proporcionou aos estudantes universitarios italianos un texto actualizado e accesible. Fermi impartiu conferencias e escribiu artigos para profesores e científicos co fin de estender o coñecemento da nova física tanto coma fose posible. Parte do seu método de ensino consistía en xuntar aos seus colegas e estudantes graduados ao final do día e formular un problema, que con frecuencia era da súa propia investigación. Unha mostra do seu éxito foi que estudantes estranxeiros comezaron a acudir a Italia. O máis notable deles foi o físico alemán Hans Bethe, , que acudiu a Roma cunha bolsa de estudos da Fundación Rockefeller e colaborou con Fermi en 1932 no artigo Über die Wechselwirkung von Zwei Elektronen (Sobre a interacción entre dous electróns).
Naquel tempo os físicos estaban perplexos coa desintegración beta ou decaemento beta, un proceso mediante o cal un núclido ou nucleido inestable emite unha partícula beta (electrón ou positrón) para compensar a relación de neutróns e protóns do núcleo atómico. Para satisfacer a conservación de enerxía, Wolfgang Pauli postulou a existencia dunha partícula invisible sen carga e pouca ou nula masa, que era emitida ao mesmo tempo. Fermi tomou esa idea e desenvolveuna nun artigo tentativo en 1933 e noutro máis amplo en 1934 no que incorporou a partícula postulada á que lle chamou "neutrino". A súa teoría chamouse interacción de Fermi e, máis tarde, interacción débil. Describe unha das catro forzas fundamentais da natureza. O neutrino descubriuse trala súa morte e a súa teoría mostraba por que era tan difícil de detectar.
Cando mandou o artigo á revista británica Nature, o editor rexeitouna porque contiña especulacións demasiado afastadas da realidade física como para ser do interese dos lectores. Deste modo Fermi viu a súa teoría publicada en italiano e alemán antes que en inglés.
En 1930 foi convidado pola Universidade de Míchigan para impartir cursos de verán. Isto converteríase nun costume, pasando a maior parte dos veráns no país americano, tanto realizando investigacións como impartindo conferencias. Tamén ensinou nas Universidades de Columbia, Stanford e Chicago.
Durante os primeiros meses de 1934, induciu radioactividade en 22 elementos diferentes. Fermi publicou o descubrimento da radioactividade inducida por neutróns na revista italiana La Ricerca Scientifica o 25 de marzo de 1934 e presentou publicamente os resultados en Buenos Aires en xullo de 1934. Xunto aos seus colaboradores bombardeou con neutróns un total de 60 elementos, obtendo isótopos de 40 e a transmutación de atómos do elemento 92, o uranio, en átomos dun elemento 93, o neptunio, que non existe na natureza.
O Premio Nobel e a partida aos Estados Unidos
O 10 de novembro de 1938, Fermi recibe, á idade de só trinta e sete anos, o anuncio oficial do outorgamento do Premio Nobel de Física. O 6 de decembro Fermi parte en tren desde a estación Términi, con destino a Estocolmo; e o día 10 a Real Academia das Ciencias de Suecia entrégalle o Premio Nobel polas súas demostracións sobre a existencia de novos elementos radioactivos producidos por procesos de irradiación con neutróns e polos seus descubrimentos sobre as reaccións nucleares debidas aos neutróns lentos. O ilustre científico italiano decidira que, tras recibir o premio en Estocolmo, se dirixiría coa súa familia aos Estados Unidos. Esta emigración responde ás leis antisemitas do réxime fascista de Benito Mussolini que ameazaba á súa muller Laura, xudía ela. A nova lei tamén significaba que aqueles axudantes de investigación de Fermi que eran xudeus, perdían os seus traballos.
Despois de recibir o Premio Nobel, Fermi viaxou a Copenhague onda Bohr para embarcar xunto coa súa familia o 24 de decembro de 1938 no transatlántico Franconia con destino a Nova York, onde chegou o 2 de xaneiro de 1939.
Proxecto Manhattan
Inicialmente permaneceu en Nova York na Universidade de Columbia, onde nada máis chegar, o 25 de xaneiro, entrou a formar parte dun equipo experimental que, no soto do edificio da universidade, realizaría o primeiro experimento de fisión nuclear nos Estados Unidos. Fermi comprobou os experimentos iniciais de Hahn e Strassmann sobre fisión nuclear coa axuda de Dunning e Booth.
Fermi estivo entre os primeiros en avisar aos mandos militares acerca do potencial impacto da enerxía nuclear e impartiu unha conferencia sobre a materia á Mariña de guerra (en inglés: Navy) o 18 de marzo de 1939. A resposta quedouse curta e a Mariña aprobou un orzamento de 40000 dólares para a investigación en Columbia.
Máis adiante, o 2 de agosto de 1939, poucos días antes do inicio da Segunda Guerra Mundial, Szilárd, Eugene Wigner e Edward Teller enviaron a famosa carta, asinada por Einstein, a Franklin D. Roosevelt, advertindo que a Alemaña nazi probablemente construiría unha bomba atómica. En resposta, Roosevelt formou o Comité Consultivo sobre Uranio (en inglés: Advisory Committee on Uranium) para investigar a materia.
Tras mudarse a Chicago, Fermi formou parte do equipo que comezou a construción baixo as bancadas dun estadio abandonado da Universidade de Chicago, da primeira pila nuclear, a Chicago Pile-1, coa que lograron en decembro de 1942 a primeira reacción en cadea controlada de fisión nuclear.
A mediados de 1944 Robert Oppenheimer persuadiu a Fermi para que se unira ao Proxecto Manhattan no Laboratorio Nacional de Los Alamos, Novo México, para a construción da bomba atómica. Fermi chegou a Los Álamos en setembro de 1944 e foi nomeado Director Asociado do laboratorio, con amplas responsabilidades para física teórica e nuclear. Foi posto a cargo da División F, cuxa letra aludía ao seu apelido.
Fermi observou a proba Trinity o 16 de xullo de 1945, e levou a cabo un experimento para calcular a potencia da bomba arroxando tiras de papel á onda de choque da explosión. Mediu o desprazamento das tiras e calculou unha potencia de 10 quilotóns de TNT. A potencia real foi de 18, 6 quilotóns.
Xunto a Oppenheimer, Compton e Ernest Lawrence, Fermi formou parte do panel científico que aconsellou sobre a selección de obxectivos. O panel acordou co comité que as bombas atómicas serían usadas sen aviso previo contra un obxectivo industrial.
Como outros no Laboratorio de Los Álamos, Fermi soubo dos lanzamentos das bombas atómicas sobre Hiroshima e Nagasaki polos altofalantes da zona técnica. Fermi non cría que as bombas atómicas disuadirían ás nacións de iniciar guerras, polo cal non se uniu á Asociación de Científicos de los Álamos (en inglés: Association of Los Alamos Scientists). Posteriormente oporíase ao resultado deste proxecto por razóns éticas.
Trala Segunda Guerra Mundial
O 1 de xullo de 1945 Fermi foi nomeado Profesor de Física na Universidade de Chicago, aínda que non abandonou o Laboratorio de Los Álamos coa súa familia ata o 31 de decembro de 1945.
En 1945 foi elixido membro da Academia Nacional de Ciencias (en inglés: U. S. National Academy of Sciences)
O 1 de xullo de 1946 o Laboratorio de Metalurxia (en inglés: Metallurgical Laboratory) pasou a ser o Laboratorio Nacional Argonne (en inglés: Argonne National Laboratory), o primeiro dos Laboratorios Nacionais do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos establecido polo Proxecto Manhattan.
a pouca distancia entre Chicago e Argonne permitiulle a Fermi traballar en ambos lugares. En Argonne continuou coa física experimental investigando a dispersión de neutróns con Leona Woods.
Tamén discutía física teórica con Maria Mayer, á que axudou no descubrimento da interacción spin-órbita (en inglés: Spin–orbit interaction), que a levaría a recibir o Premio Nobel.
O 1 de xaneiro de 1947 o Proxecto Manhattan foi substituído pola Comisión da Enerxía Atómica (AEC) (en inglés: United States Atomic Energy Commission).
Fermi serviu no Comité Xeral Consultivo da AEC, un influente comité presidido por Robert Oppenheimer.
Gustáballe pasar unhas semanas cada ano en Los Álamos National Laboratory, onde colaborou con Nicholas Metropolis, e con John von Neumann sobre a inestabilidade Rayleigh-Taylor (en inglés: Rayleigh–Taylor instability), a ciencia que estuda o que ocorre no bordo entre dous fluídos de densidades diferentes. Trala detonación da primeira bomba de fisión soviética en agosto de 1949, Fermi e Isidor Isaac Rabi redactaron un informe moi duro para o Comité, opoñéndose ao desenvolvemento dunha bomba de hidróxeno baseándose en razóns morais e técnicas. Porén, Fermi continuou participando no traballo da bomba de hidróxeno en Los Álamos como consultor. Xunto con Stanislaw Ulam, calculou que a cantidade de tricio necesaria para o modelo de Teller para un arma termonuclear sería prohibitiva, pero a propagación dunha reacción de fusión nuclear non podería estar asegurada incluso cunha gran cantidade de tricio.
En 1954 Fermi estivo entre os científicos que testificaron a favor de Oppenheimer no proceso que terminou retirando a Oppenheimer o acceso aos secretos nacionais.
Fermi continuou ensinando na Universidade de Chicago. Entre os seus estudantes posdoctorais estaban Owen Chamberlain, Geoffrey Chew, Jerome Friedman, Marvin Goldberger, Tsung-Dao Lee, Arthur Rosenfeld e Sam Treiman. Jack Steinberger foi un dos seus estudantes graduados.
Fermi levou a cabo investigacións importantes na física de partículas, especialmente relacionadas cos pións e muóns. Fixo as primeiras predicións da resonancia do pión nucleón baseándose en métodos estatísticos, xa que razoou que as respostas exactas non eran necesarias cando a teoría estaba equivocada de entrada.
Nun artigo que escribiu con Chen Ning Yang, especulou que os pións poderían ser partículas compostas.
A idea foi elaborada por Shoichi Sakata. Desde entón se substituíu polo modelo quark, no que o pión está composto de quarks, completando o modelo de Fermi.
Fermi escribiu o artigo "Sobre a orixe da radiación cósmica" (en inglés: On the Origin of cosmic radiation) no que propuxo que os raios cósmicos xurdían do material acelerado por campos magnéticos no espazo interestelar. Isto supuxo unha diferenza de opinión con Teller.
Fermi examinou os problemas que rodeaban os campos magnéticos nos brazos dunha galaxia espiral.
Reflexionou sobre o que agora se coñece como o paradoxo de Fermi, no que hai unha contradición entre a probabilidade da existencia de vida extraterrestre e o feito de que non tivéramos ningún contacto con ela.
O elemento de número atómico 100, descuberto un ano após a súa morte, recibiu o nome de Fermio na súa honra. Vida persoal
Nado o 29 de setembro de 1901 no número 19 da Via Gaeta de Roma, non lonxe de estación Termini, era fillo de Alberto Fermi, un empregado do Ministerio de Comunicacións, e Ida de Gattis, mestra de escola. Terceiro fillo do matrimonio, a súa irmá María era dous anos maior e o seu irmán Giulio leváballe un ano. Despois de que fose enviado xunto co seu irmán a unha comunidade rural para a súa lactación por unha ama de leite, Enrico reincorporouse á súa familia en Roma cando tiña dous anos e medio de idade.
Aínda que foi bautizado como católico segundo os desexos dos seus avós, a súa familia non era especialmente relixiosa. Enrico foi agnóstico durante toda a súa vida adulta. De neno compartiu os mesmos intereses que seu irmán Giulio, construíndo motores eléctricos e xogando con xoguetes mecánicos e eléctricos.
Giulio morreu en 1915 durante a anestesia para unha operación dun absceso na gorxa. Súa irmá Maria morreu en 1959 nun accidente de aviación preto de Milán.
En 1924 Fermi foi iniciado na masonaría dentro da loxa "Adriano Lemmi" do Gran Oriente de Italia.
Casou o 19 de xullo de 1928 con Laura Capon, unha estudante de ciencias na universidade romana. Tiveron dous fillos: Nella, nada en xaneiro de 1931, e Giulio, nado en febreiro de 1936.
O 18 de marzo de 1929, Fermi foi nomeado membro da Real Academia de Italia por Mussolini e o 27 de abril dese mesmo ano afiliouse ao Partido fascista. En 1938 opúxose ao fascismo cando se promulgaron as leis racistas italianas para achegarse ao nacionalsocialismo alemán. Estas leis ameazaban a Laura, que era xudía, e deixaron sen traballo a moitos dos investigadores de Fermi.
O 9 de outubro de 1954 sometérase a unha operación exploratoria no Billings Memorial Hospital e, mes e medio despois, o 28 de novembro de 1954 Fermi falecía na súa casa de Chicago aos 53 anos de idade a causa dun cancro de estómago. Foi soterrado no cemiterio Oak Woods de Chicago.