’nin fiziğe olan ilgisi kendisine hızlı bir şekilde okuduğu
fizik ve matematikle ilgili çeşitli kitaplar veren babasının meslektaşı Adolfo
Amidei tarafından teşvik edildi.

Fermi liseyi Temmuz 1918’de bitirdi ve Amidei’nin
desteği ile Pisa’daki Scuola Normale Superiore’ye başvurdu. Diğer oğullarını
kaybettikleri için ailesi evden taşınmasına önce izin vermedi, ancak sonradan
bu isteğini kabul ettiler. Pisa’daki okul öğrencilere ücretsiz barınma
sunuyordu, ancak bir kompozisyon yazmayı gerektiren giriş sınavı bir hayli
zordu. Verilen tema “Seslerin spesifik karakteristikleri” idi. 17 yaşındaki
Fermi kısmi diferansiyel denklemi türetip çözerek titreşen bir çubuğa uyguladı
ve bunu yaparken Fourier analizini kullandı. Sınav gözetmeni Sapienza
Üniversitesi’nden Profesör Giuseppe Pittarelli Fermi ile bir mülakat yaptı ve
verdiği sınavın doktora seviyesinde olduğunu söyledi ve Fermi okula
birincilikle girdi.

Scuola Normale Superiore’deki yıllarında diğer bir
öğrenci olan Franco Rasetti ile arkadaş oldu ve birlikte şakalaşıcak kadar
samimiydiler ve daha sonra birlikte çalışmaya başladılar. Pisa’da Fermi fizik
laboratuvarının müdürü Luigi Puccianti Fermi’ye öğretecek pek birşeyinin
olmadığını ve Fermi’nin ona birşeyler öğretmesi gerektiğini söyledi. Fermi’nin
kuantum fiziği bilgisi öyle bir seviyeye ulaştı ki Puccianti ondan bu konuda
seminerler organize etmesini istedi. Fermi bu sürede Gregorio Ricci ve Tulli
Levi-Civita tarafından geliştirilen ve genel görelilik teorisinin prensiplerini
göstermek için gerekli olan tensör hesabını öğrendi. Fermi önce matematik
branşını seçti, ancak daha sonra fiziğe geçti. Kendi kendine genel görelilik,
kuantum mekaniği ve atom fiziği öğrendi.

Eylül 1920’de Fermi fizik bölümüne kabul edildi.
Bölümde sadece üç öğrenci olduğu için (Fermi, Rasetti ve Nello Carrara)
Puccianti onlara laboratuvarı istedikleri gibi kullanmaları için izin verdi.
Fermi x-ışını kristalografisini araştırmalarına karar verdi ve üçü birlikte bir
kristalin x-ışını resmi olan Laue fotoğrafını üretmeye çalıştılar. Fermi’nin
üniversitedeki üçüncü yılı olan 1921’de Fermi İtalyan dergisi Nuovo Cimento’da
yazılarını bastırdı. İlk makalesinin adı “Katı ve ötelenme hareketi içerisinde
olan bir elektrik yükü sisteminin dinamikleri” idi. Ağırlık, hareket eden ve üç
boyutlu uzayda yer değiştiren bir şey, yani tensör olarak ifade edilmişti.
Klasik mekanikte ağırlık skalar bir değerdi, ancak görelilikte hız ile değişir.
İkinci makale “Elektromanyetik yüklerin ağırlıkları ve elektromanyetik
akımlardan oluşan yeknesak bir yerçekimi alanının elektrostatiği üzerine” idi.
Genel göreliliği kullanarak Fermi bir yükün ağırlığının U/c
olduğunu buldu (U sistemin elektrostatik enerjisi iken c ışığın hızıdır).

İlk makale elektrodinamik teorisi ile görelilik
teorisi arasındaki çelişmeyi elektromanyetik ağırlığın hesaplanması yönünden
ifade etti (elektrodinamik teorisinde 4/3 U/c). Fermi bir sonraki
sene bu sorunu “Elektrodinamik ve görelilik teorilerin elektromanyetik ağırlığı
açıklaması arasındaki bir çelişme” konulu bir makalede gündeme getirdi ve bu
çelişmenin göreliliğin bir sonucu olduğunu belirtti. Bu makalenin itibari
yüksekti ve Almancaya çevrilerek 1922'de Alman Physikalische Zeitschrift
dergisinde basıldı. Aynı yıl, Fermi “Zaman çizgileri yakınında gerçekleşen
olaylar” adlı makalesini İtalyan I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei
dergisine verdi. Bu makalede Eşitlik ilkesini ele aldı ve Fermi koordinatlarını
sundu. Zaman çizgilerine yakın yerlerde uzayın Öklid uzayı gibi davrandığını
kanıtladı.

Fermi Temmuz 1922'de Scuola Normale Superiore'ye
“Olasılık ve uygulamaları üzerine bir teorem” başlıklı tezini sundu ve 21
yaşında diplomasını aldı. Tezi, x ışını difraksiyon resimleri üzerineydi.
Teorik fizik henüz İtalya'da bir disiplin olarak tanınmıyordu ve bu alanda
yalnızca deneysel fizik üzerine tezler kabul ediliyordu. Bu nedenle İtalyan
fizikçiler Almanya'dan gelen görelilik gibi fikirleri daha geç kabul ettiler.
Fermi laboratuvar deneylerinde oldukça iyi olduğu için bu onun için bir problem
değildi.

August Kopff'un Göreliliğin Matematiksel Teorisi
adlı kitabına bir eklenti yazarken Einstein'ın ünlü E = mc2 denkleminin
içerisinde muazzam bir miktarda nükleer enerjinin potansiyelinin yattığını fark
etti. Fermi, “Yakın gelecekte bu korkunç miktarda enerjinin salınması mümkün
gözükmüyor, çünkü bu olay gerçekleştiğinde bu enerji patlamasının ilk işi onu
yaratan fizikçiyi parçalara ayırmak olacaktır” dedi.

1924 yılında Fermi İtalyan Masonlarının Adriano
Lemmi locasına alındı.

Fermi yurtdışına gitmeye karar verdi ve Göttingen
Üniversitesi'nde Max Born'un bir dönem öğrencisi oldu. Burada Werner Heisenberg
ve Pascual Jordan ile tanıştı. Fermi daha sonra Leiden'da Paul Ehrenfest ile
Eylül-Aralık 1924 arasında kendisine matematikçi Vito Volterra'nın sağladığı
Rockefeller bursuyla okudu. Fermi burada Hendrik Lorentz ve Albert Einstein ile
tanıştı ve Samuel Goudsmit ve Jan Tinbergen ile arkadaş oldu. Ocak 1925'den
1926'nın sonlarına kadar Fermi Floransa Üniversitesi'nde matematiksel fizik ve
teorik mekanik dersleri verdi ve burada Rasetti ile cıva buharına manyetik
alanların etkisi üzerine deneyler yaptı. Roma Sapienza Üniversitesi'nde
seminerlere de katıldı ve kuantum mekaniği ile katı hal fiziği dersleri cerdi.
Schrödinger'in denklemini olağanüstü bir kesinlikle kullanarak yeni kuantum
mekaniği dersleri verdiği sırada Fermi “Denklemin bu kadar iyi uyması
inanılmaz” dedi.

Wolfgang Pauli 1925'de
dışlama ilkesini ortaya attığında Fermi buna karşılık olarak “Kusursuz tek
atomlu gazın nicelendirilmesi” adlı bir makale yazdı ve burada dışlama ilkesini
ideal bir gaza uyarladı. Bu makale Fermi'nin istasistiksel formülleri açısından
önemliydi çünkü birçok aynı parçacıktan oluşan bir sistemde parçacıkların
dışlama ilkesi uyarınca dağılımını açıklıyordu. Bu bağımsız olarak Britanyalı
fizikçi Paul Dirac tarafından geliştirildi ve ayrıca Bose-Einstein
istatistiğine uyduğu da gösterildi. Böylece bugün buna Fermi-Dirac istatistiği
denmektedir. Dirac'a göre dışlama ilkesine uyan parçacıklar “fermiyon”lardı ve
buna uymayanlar ise “bosonlar” idi.

İtalya'da profesörlükler konkur ile verilmekteydi ve
adaylar bir profesör komitesi tarafından yayınları üzerinden değerlendirilmekteydi.
Fermi Sardunya'da Cagliari Üniversitesi'nde matematiksel fizik bölümüne
başvurdu ancak yerine Giovanni Giorgi alındı. Bunun üzerine Sapienza
Üniversitesi'ne başvurdu. İtalya'daki 3 teorik fizik pozisyonundan biri olan bu
pozisyon Eğitim Bakanı'nca Profesör Orso Mario Corbino'nun isteği üzerine
kurulmuştu. Corbino üniversitenin deneysel fizik profesörüydü, ayrıca Fizik
Enstitüsü Başkanı ve Mussolini'nin hükümetinin üyesiydi. Seçim komitesinin de
başkanı olan Corbino bu yeni pozisyonun İtalya'da fiziğin standardını ve
itibarını artıracağını umuyordu. Komite Enrico Persico ve Aldo Pontremoli
yerine Fermi'yi seçti ve Corbino Fermi'ye asistanlarını seçmesinde yardım etti.
Bu gruba Edoardo Amaldi, Bruno Pontecorvo, Ettore Majorana ve Emilio Segre gibi
önemli isimler katıldı. Franco Rasetti de Fermi tarafından yardımcı olarak
atandı. Bu grup daha sonra Fizik Enstitüsünün sokağı olan “Via Panisperna
gençleri” adını aldı.

Fermi 19 Temmuz 1928'de üniversitede bilim okuyan
Laura Capon ile evlendi. İki çocukları oldu: Ocak 1931 doğumlu Nella ve Şubat
1936 doğumlu Giulio. Fermi 18 Mart 1929'da Mussolini tarafından İtalya Kraliyet
Akademisi üyesi yapıldı ve 27 Nisan'da Faşist Parti üyesi oldu. Daha sonra
Mussolini tarafından İtalyan faşizmini Alman nasyonal sosyalizmine yaklaştırmak
için 1938'de çıkarılan ırk yasaları nedeniyle faşizme karşı çıktı. Bu yasalar
Yahudi olan Laura'yı tehlikeye soktu ve Fermi'nin birçok asistanını işsiz
bıraktı.

Roma'dayken Fermi ve grubu fiziğin teorik ve pratik
alanlarına birçok önemli katkıda bulundu. 1928 yılında Atomik Fiziğe Giriş adlı
kitabı yayınladı ve bu sayede İtalyan üniversite öğrencilerine güncel ve
okunabilir bir metin sunmuş oldu. Fermi ayrıca halka açık dersler verdi ve
popüler makaleler yazarak bilim adamları ve öğretmenlere yeni fiziği
yaymalarınca yardımcı oldu. Öğretme metodu, günün sonunda meslektaş ve
öğrencilerini toplayarak kendi araştırmalarında karşılaştığı bir problemi
çözmekten ibaretti. Bu sayede yabancı öğrenciler de İtalya'ya gelmeye başladı.
Bunların en ünlüsü Alman fizikçi Hans Bethe idi. Bethe Rockefeller bursuyla
Roma'ya 1932'de geldi ve Fermi ile “İki elektronun etkileşimi üzerine” adlı
makalede çalıştı.

Fizikçiler bu dönemde atom çekirdeğinden elektronun
salınması olan beta çürümesini anlamakta zorluk çekiyordu. Enerjinin korunması
yasasını tamamlamak için Pauli yüksüz ve ağırlıksız görünmez bir parçacığın
aynı zamanda salındığını ortaya attı. Fermi bu fikri geliştirerek 1933'de ve
1934'te birer makale yazdı ve bu parçacığa “nötrino” adını verdi. Daha sonra
Fermi'nin etkileşimi ve zayıf etkileşim denen bu teori, doğanın dört temel
kuvvetinden birini tanımladı. Nötrino onun ölümünden sonra bulundu ve teorisi
neden bulunmasının zor olduğunu kanıtladı. Britanya'da Nature dergisine
makalesini sunduğu zaman editör bunu reddetti ve gerçeklikten çok uzak olduğunu
söyledi. Bu nedenle makale İngilizceden önce Almanca ve İtalyanca basıldı.

1968 İngilizce versiyonunun girişinde fizikçi Fred
L. Wilson şöyle yazdı:

“Fermi'nin teorisi Pauli'nin nötrino önergesini
geliştirmenin ötesinde modern fiziğin tarihinde önemli bir yere sahiptir. O
zamanda sadece doğal beta yayıcılar bilinmekteydi. Daha sonra pozitron çürümesi
bulununca Fermi'nin teorisi çerçevesinde kolayca tanımlandı. Onun teorisine
göre bir çekirdeğin yörüngesel bir elektronu yakalaması beklenen ve
gözlemlenebilen bir şeydi. Zamanla çok fazla deneysel bilgi toplandı. Beta
çürümesinde birçok gariplik gözlemlenmiş olsa da Fermi'nin teorisi her zaman
bunları açıklayabildi. Fermi'nin teorisi inanılmaz etkiler yaratmıştır.
Örneğin, nükleer yapının incelenmesin için beta spektroskopisi geliştirildi.
Ancak Fermi'nin en önemli katkısı onun etkileşim modeliyle başka birçok
etkil