אנריקו פרמי

אנריקו פרמי

אנריקו פרמי (באנגלית: Enrico Fermi; באיטלקית: [enˈriːko ˈfermi]; 29 בספטמבר 1901 – 28 בנובמבר 1954) היה פיזיקאי איטלקי-אמריקאי, הנודע כיוצרו של כור הגרעין המלאכותי הראשון בעולם, "שיקגו פייל-1" (Chicago Pile-1), וחבר בפרויקט מנהטן. הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1938 "על הדגמת קיומם של יסודות רדיואקטיביים חדשים המיוצרים על ידי הקרנת ניטרונים, ועל גילויו הקשור לתגובות גרעיניות המובאות על ידי ניטרונים איטיים". הוא כונה "אדריכל עידן הגרעין" ו"אדריכל פצצת האטום". הוא היה אחד ממעטים מבין הפיזיקאים שהצטיינו הן בפיזיקה תיאורטית והן בפיזיקה ניסויית. יחד עם עמיתיו, פרמי הגיש מספר פטנטים הקשורים לשימוש בכוח גרעיני, שכולם הולאמו על ידי ממשלת ארצות הברית. הוא תרם תרומות משמעותיות לפיתוח המכניקה סטטיסטית, תורת הקוונטים, ופיזיקת גרעין וחלקיקים.

תרומתו המשמעותית הראשונה של פרמי עסקה בתחום המכניקה הסטטיסטית. לאחר שוולפגא incluyendo (Wolfgang Pauli) ניסח את עקרון האיסור שלו ב1925, פרמי המשיך במאמר שבו יישם את העקרון על גז אידיאלי, תוך שימוש בניסוח סטטיסטי הידוע כיום כסטטיסטיקת פרמי-דיראק. כיום, חלקיקים המצייתים לעקרון האיסור נקראים "פרמיון" (Fermion). פאולי הניח מאחר יותר את קיומו של חלקיק בלתי טעון ובלתי נראה הנפלט יחד עם אלקטרון במהלך דעיכת בטא, כדי לספק את חוק שימור האנרגיה. פרמי אימץ רעיון זה ופיתח ממודל שכלל את החלקיק המשוער, לו קרא "נייטרינו". תורתו, שכונתה מאחר יותר האינטראקציה של פרמי וכיום נקראת אינטראקציה חלשה, תיאר את אחת מארבע האינטראקציות היסודיות בטבע. באמצעות ניסויים שעוררו רדיואקטיביות עם הנייטרונים שהתגלו לאחרונה, פרמי גילה כי נייטרונים איטיים נקלטים בקלות רבה יותר על ידי גרעיני אטום מאשר נייטרונים מהירים, ופיתח את משוואת גיל הנייטרונים כדי לתאר זאת. לאחר הפגזת תוריום ואורניום בנייטרונים איטיים, הוא הגיע למסקנה שיצר יסודות חדשים. למרות שהוא זכה בפרס נובל על גילוי זה, התברר מאחר יותר שהיסודות החדשים היו תוצרי ביקוע גרעיני.

פרמי עזב את איטליה ב1938 כדי להימלט מחוקי הגזע החדשים באיטליה שהשפיעו על אשתו היהודייה, לאורה קאפון (Laura Capon). הוא היגר לארצות הברית, שם עבד בפרויקט מנהטן במהלך מלחמת העולם השנייה. פרמי הנהיג את הצוות באוניברסיטת שיקגו שתכנן ובנה את "שיקגו פייל-1", שהגיע לקריטיקליות ב2 בדצמבר 1942, ובכך הדגים את תגובת שרשרת הגרעינית הראשונה שנוצרה על ידי אדם והייתה מקיימת את עצמה. הוא נכח כאשר כור הגרעין הגרפיט X-10 באוק רידג', טנסי, הגיע לקריטיקליות ב1943, וכאשר כור B באתר הנפורד עשה זאת בשנה שלאחר מכן. בלוס אלאמוס, הוא עמד בראש מחלקה F, שחלק ממנה עבד על פצצת ה"סופר" התרמו-נוклеארית של אדוארד טלר (Edward Teller). הוא נכח بنيסוי טריניטי ב16 ביולי 1945, הניסוי הראשון של פיצוץ פצצת גרעין מלאה, שבו השתמש בשיטת פרמי כדי להעריך את תפוקת הפצצה.

לאחר המלחמה, הוא סייע בהקמת המכון ללימודים גרעיניים בשיקגו, וכיהן בוועדה המייעצת הכללית, בראשות ג' רוברט אופנהיימר (J. Robert Oppenheimer), שיעצה לוועדת האנרגיה האטומית בנושאים גרעיניים. לאחר פיצוץ פצצת הביקוע הסובייטית הראשונה באוגוסט 1949, הוא התנגד בתוקף לפיתוח פצצת מימן מטעמים מוסריים וטכניים כאחד. הוא היה בין המדענים שהעידו לטובתו של אופנהיימר בשימוע ב1954 שהביא לשלילת סיווגו הביטחוני של אופנהיימר.

פרמי עשה עבודה חשובה בפיזיקת חלקיקים, במיוחד הקשורה לפאיונים ומואונים, והוא שיער שקרניים קוסמיות נוצרות כאשר החומר מואץ על ידי שדות מגנטיים בחלל בין-כוכבי. פרסים, מושגים ומוסדות רבים נקראים על שם פרמי, בהם פרמי 1 (כור רבייה), תחנת הייצור הגרעינית אנריקו פרמי, פרס אנריקו פרמי, מכון אנריקו פרמי, מעבדת המאיצים הלאומית פרמי (פילאב - Fermilab), טלסקופ החלל לקרני גמא פרמי, פרדוקס פרמי, והיסוד הסינתטי פרמיום, מה שהופך אותו לאחד מ16 מדענים שיש להם יסודות הקרויים על שמם.

חיים מוקדמים

אנריקו פרמי נולד ב29 בספטמבר 1901 ברומא, איטליה, הילד השלישי לאלברטו פרמי, מנהל מחלקה במשרד המסילות, ולאדה דה גאטיס (Ida de Gattis), מורה בבית ספר יסודי. אחותו, מריה, הייתה מבוגרת ממנו בשנתיים, ואחיו ג'וליו היה מבוגר ממנו בשנה. לאחר ששני הבנים נשלחו לקהילה כפרית כדי לינוק מאם מיניקה, אנריקו שב למשפחתו ברומא כשהיה בן שנתיים וחצי. למרות שהוטבל כקתולי בהתאם לרצון סביו, משפחתו לא הייתה דתית במיוחד; אנריקו היה אגנוסטי לאורך כל חייו הבוגרים. כילד צעיר, הוא חלק את אותם תחומי עניין עם אחיו ג'וליו, ובנה מנועים חשמליים ושיחק בצעצועים חשמליים ומכניים. ג'וליו מת במהלך ניתוח של מורסה בגרון ב1915 ומריה מתה בהתרסקות מטוס ליד מילانو ב1959.

בשוק מקומי בקמפו די פיורי (Campo de' Fiori), פרמי מצא ספר פיזיקה בן 900 עמודים בשם Elementorum physicae mathematicae. שנכתב בלטינית על ידי האב הישועי אנדראה קאראפה (Andrea Caraffa), פרופסור בקולג' הרומאנו (Collegio Romano), הוא הציג מתמטיקה, מכניקה קלאסית, אסטרונומיה, אופטיקה ואקוסטיקה כפי שהובנו בזמן פרסומו ב1840. יחד עם חבר בעל נטייה מדעית, אנריקו פרסקו (Enrico Persico), פרמי עסק בפרויקטים כמו בניית ג'ירוסקופים ומדידת תאוצת כוח הכבידה של כדור הארץ.

אנריקו היה פוגש לעתים קרובות את אביו אלברטו מול משרדו לאחר העבודה, וב1914 הוא פגש את עמיתו של אביו, אדולפו אמידיי (Adolfo Amidei), שהיה רגיל ללכת חלק מהדרך הביתה עם אלברטו.

אנריקו למד שאדולפו מתעניין במתמטיקה ובפיזיקה וניצל את ההזדמנות לשאול את אדולפו שאלה על גאומטריה. אדולפו הבין שפרמי הצעיר מתייחס לגאומטריה проєкטיבית וסיפק לו ספר בנושא שנכתב על ידי תאודור ריי (Theodor Reye). חודשיים לאחר מכן, פרמי החזיר את הספר, לאחר שפתר את כל הבעיות שהוצעו בסוף הספר, שחלקן נחשבו לקשות בעיני אדולפו. לאחר אימות זאת, אדולפו הרגיש שפרמי הוא "עילוי, לפחות ביחס לגאומטריה", והמשיך לחנוך את הנער, כשהוא מספק לו ספרים נוספים בפיזיקה ובמתמטיקה. אדולפו ציין שלפרמי היה זיכרון טוב מאוד ולכן יכול היה להחזיר את הספרים לאחר שקרא אותם כי זכר את תוכנם היטב.

השכלה

פרמי סיים את לימודיו התיכוניים ביולי 1918, לאחר שדלג על השנתון השלישי לחלוטין. בעידודו של אמידיי, פרמי למד גרמנית כדי להיות מסוגל לקרוא את מאמרי המדע הרבים שפורסמו בשפה זו באותה תקופה, והגיש בקשה ללמוד בסקואולה נורמלה סופריארה (Scuola Normale Superiore) בפיזה. אמידיי הרגיש שהסקואולה תספק תנאים טובים יותר להתפתחותו של פרמי מאשר אוניברסיטת ספייאנצה של רומא יכלה באותו זמן. לאחר שאיבדו בן אחד, הוריו של פרמי הסכימו רק בחוסר רצון לאפשר לו להתגורר במעונות בית הספר הרחק מרומא למשך ארבע שנים. פרמי זכה במקום הראשון בבחינת הכניסה הקשה, שכללה חיבור בנושא "מאפיינים ספציפיים של צלילים"; פרמי בן ה17 בחר להשתמש בניתוח פורייה כדי לגזור ולפתור את משוואת הדיפרנציאל החלקית עבור מוט רוטט, ולאחר ראיון עם פרמי הכורז הצהיר שהוא יהפוך לפיזיקאי יוצא דופן.

באוניברסיטת פיזה, פרמי עשה מעשי קונדס עם סטודנט עמית פרנקו רזטי (Franco Rasetti); השניים הפכו לחברים קרובים ולמשתפי פעולה. פרמי קיבל ייעוץ מלואיג'י פוצ'יאנטי (Luigi Puccianti), מנהל מעבדת הפיזיקה, שאמר שיש מעט מאוד שהוא יכול ללמד את פרמי ולעתים קרובות ביקש מפרמי ללמד אותו משהו בתמורה. הידע של פרמי בפיזיקה קוונטית היה כזה שפוצ'יאנטי ביקש ממנו לארגן סמינרים בנושא. במהלך תקופה זו למד פרמי חשבון טנזורים, טכניקה מרכזית ביחסות כללית. פרמי בחר תחילה במתמטיקה כמקצוע ראשי אך עד מהרה עבר לפיזיקה. הוא נותר ברובו אוטודידקט, שלמד יחסות כללית, מכניקת קוונטים ופיזיקה אטומית.

בספטמבר 1920, פרמי התקבל למחלקת הפיזיקה. מכיוון שהיו רק שלושה סטודנטים במחלקה – פרמי, רזטי ונג'לו קאררה (Nello Carrara) – פוצ'יאנטי נתן להם להשתמש בחופשיות במעבדה לכל מטרה שיבחרו. פרמי החליט שעליהם לחקור קריסטלוגרפיה של קרני X, והשלושה עבדו כדי להפיק צילום לאואה (Laue) – צילום רנטגן של גביש. במהלך 1921, שנתו השלישית באוניברסיטה, פרמי פרסם את עבודותיו המדעיות הראשונות בכתב העת האיטלקי נואבו צ'ימנטו (Nuovo Cimento). הראשונה נקראה "על הדינמיקה של מערכת קשיחה של מטענים חשמליים בתנועה תרגומית" (Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio). סימן לבאות היה שהמסה הובעה כטנזור – מבנה מתמטי המשמש בדרך כלל לתיאור משהו שנע ומשתנה במרחב תלת-ממדי. במכניקה הקלאסית, מסה היא גודל סקלרי, אך ביחסות, היא משתנה עם המהירות. המאמר השני היה "על האלקטרוסטטיקה של שדה כבידה אחיד של מטענים אלקטרומגנטיים ועל משקל המטענים האלקטרומגנטיים" (Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche). באמצעות יחסות כללית, פרמי הראה שלמטען יש מסה השווה ל-U/c, כאשר U היא האנרגיה האלקטרוסטטית של המערכת, ו-c היא מהירות האור.

המאמר הראשון נראה כמצביע על סתירה בין התיאוריה האלקטרודינמית והתיאוריה היחסותית בנוגע לחישוב המסות האלקטרומגנטיות, שכן הראשונה חזתה ערך של 4/3 U/c. פרמי התייחס לכך בשנה שלאחר מכן במאמר "בנוגע לסתירה בין אלקטרודינמיקה לתיאוריה היחסותית של מסה אלקטרומגנטית" שבו הראו שהסתירה לכאורה היא תוצאה של יחסות. מאמר זה זכה להערכה מספקת כדי שיתורגם לגרמנית ויפורסם בכתב העת המדעי הגרמני Physikalische Zeitschrift ב1922. באותה שנה, פרמי הגיש את מאמרו "על התופעות המתרחשות בקרבת קו עולם" (Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria) לכתב העת האיטלקי I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei. במאמר זה, הוא בחן את עקרון השקילות, והציג את מה שנקרא "קואורדינטות פרמי". הוא הוכיח שעל קו עולם הקרוב לקו הזמן, המרחב מתנהג כאילו היה מרחב אוקלידי.

פרמי הגיש את עבודת הגמר שלו, "משפט על הסתברות וחלק מיישומיו" (Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni), ביולי 1922, וקיבל את הדוקטורט שלו בגיל הצעיר יוצא הדופן של 20. עבודת הגמר עסקה בתמונות עקיפה של קרני רנטגן. פיזיקה תיאורטית עדיין לא נחשבה כדיסציפלינה באיטליה, ועבודת הגמר היחידה שהייתה מתקבלת הייתה פיזיקה ניסויית. מסיבה זו, פיזיקאים איטלקים איחרו לאמץ רעיונות חדשים כמו יחסות שמגיעים מגרמניה. מכיוון שפרמי הרגיש בנוח במעבדה שעושה עבודה ניסויית, הדבר לא היווה עבורו בעיות בלתי עבירות.

בעת שכתב את נספח המהדורה האיטלקית של הספר "יסודות תורת היחסות של איינשטיין" מאת אוגוסט קופף (August Kopff) ב1923, פרמי היה הראשון שהצביע על כך שבתוך משוואת איינשטיין (E = mc) חבויה כמות עצומה של אנרגיה פוטנציאלית גרעינית שיש לנצל. "אין זה נראה אפשרי, לפחות בעתיד הקרוב", כתב, "למצוא דרך לשחרר את כמויות האנרגיה הללו – שזה לטובה משום שההשפעה הראשונה של פיצוץ כמות אדירה כל כך של אנרגיה תהיה לרסק לרסיסים את הפיזיקאי שהיה לו חוסר המזל למצוא דרך לעשות זאת."

בשנים 1923–1924, פרמי בלה סמסטר בלימודים תחת מקס בורן (Max Born) באוניברסיטת גטינגן, שם פגש את ורנר הייזנברג (Werner Heisenberg) ופסקואל ז'ורדן (Pascual Jordan). לאחר מכן למד פרמי בליידן אצל פאול ארנפסט (Paul Ehrenfest) מספטמבר עד דצמבר 1924 במלגה מטעם קרן רוקפלר שהושגה באמצעות התערבותו של המתמטיקאי ויטו וולטרה (Vito Volterra). כאן פגש פרמי את הנדריק לורנץ ואלברט איינשטיין, והתחבר עם סמואל גאודסמיט (Samuel Goudsmit) ויאן טינברגן (Jan Tinbergen). מינואר 1925 ועד סוף 1926, פרמי לימד פיזיקה מתמטית ומכניקה תיאורטית באוניברסיטת פירנצה, שם שיתף פעולה עם רזטי כדי לבצע סדרת ניסויים על השפעות שדות מגנטיים על אדי כספית. הוא השתתף גם בסמינרים באוניברסיטת ספייאנצה של רומא, והעביר הרצאות על מכניקת קוונטים ופיזיקת מצב מוצק. בזמן שהעביר הרצאות על מכניקת הקוונטים החדשה המבוססת על הדיוק המרשים של תחזיות משוואת שרדינגר, פרמי נהג לומר: "אין לה שום עניין להתאים כל כך טוב!"

לאחר שוולפגאנג פאולי הכריז על עקרון האיסור שלו ב1925, פרמי הגיב במאמר "על הקוונטיזציה של הגז המונואטומי המושלם" (Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico), שבו יישם את עקרון האיסור על גז אידיאלי. המאמר בלט במיוחד בשל הניסוח הסטטיסטי של פרמי, המתאר את התפלגות החלקיקים במערכות של חלקיקים זהים רבים המצייתים לעקרון האיסור. זה פותח באופן עצמאי זמן קצר לאחר מכן על ידי הפיזיקאי הבריטי פאול דיראק, שהראה גם כיצד הוא קשור לסטטיסטיקת בוזה-איינשטיין. בהתאם לכך, הוא ידוע כיום כסטטיסטיקת פרמי-דיראק. בעקבות דיראק, חלקיקים המצייתים לעקרון האיסור נקראים כיום "פרמיון", בעוד אלה שאינם נקראים "בוזון".

פרופסור ברומא

משרות פרופסורה באיטליה הוענקו באמצעות תחרות (concorso) עבור כסא פנוי, כאשר המועמדים דורגו לפי פרסומיהם על ידי ועדת פרופסורים. פרמי הגיש בקשה למשרת פרופסור לפיזיקה מתמטית באוניברסיטת קליארי שבסרדיניה אך נדחה ברוב קולות לטובת ג'ובאני ג'ורג'י (Giovanni Giorgi). ב1926, בגיל 24, הוא הגיש בקשה למשרת פרופסורה באוניברסיטת ספייאנצה של רומא. זו הייתה משרה חדשה, אחת משלוש הראשונות בפיזיקה תיאורטית באיטליה, שנוצרה על ידי שר החינוך בדחיקתו של הפרופסור אורסו מריו קורבינו (Orso Mario Corbino), שהיה פרופסור לפיזיקה ניסויית של האוניברסיטה, מנהל המכון לפיזיקה, וחבר בקבינט של בניטו מוסוליני. קורבינו, שגם עמד בראש ועדת הבחירה, קיווה שהמשרה החדשה תעלה את הרמה והמוניטין של הפיזיקה באיטליה. הוועדה בחרה בפרמי לפני אנריקו פרסקו ואלדו פונטרמולי (Aldo Pontremoli), וקורבינו עזר לפרמי לגייס את צוותו, שאליו הצטרפו עד מהרה סטודנטים בולטים כמו אדוארדו אמלדי (Edoardo Amaldi), ברונו פונטקורבו (Bruno Pontecorvo), אטורה מאיורנה (Ettore Majorana) ואמיליו סגרה (Emilio Segrè), ועל ידי פרנקו רזטי, אותו מינה פרמי לעוזרו. עד מהרה הם זכו לכינוי "הבנים מבייה פאניספרנה" על שם הרחוב שבו שכן המכון לפיזיקה.

פרמי התחתן עם לאורה קאפון, סטודנטית למדעים באוניברסיטה, ב19 ביולי 1928. היו להם שני ילדים: נלה, שנולדה בינואר 1931, וג'וליו, שנולד בפברואר 1936. ב18 במרץ 1929, מונה פרמי לחבר באקדמיה המלכותית של איטליה על ידי מוסוליני, וב27 באפריל הצטרף למפלגה הפשיסטית. מאחר יותר הוא התנגד לפשיזם כאשר חוקי הגזע של 1938 הוכרזו על ידי מוסוליני במטרה לקרב את הפשיזם האיטלקי אידיאולוגית לנאציזם הגרמני. חוקים אלו איימו על לאורה, שהייתה יהודייה, והותירו רבים מעוזרי המחקר של פרמי ללא עבודה.

בתקופתם ברומא, פרמי וקבוצתו תרמו תרומות חשובות להיבטים מעשיים ותיאורטיים רבים של הפיזיקה. ב1928, הוא פרסם את "מבוא לפיזיקה אטומית" (Introduzione alla fisica atomica), אשר סיפק לסטודנטים באוניברסיטאות באיטליה טקסט מעודכן ונגיש. פרמי גם ערך הרצאות פומביות וכתב מאמרים פופולריים למדענים ולמורים על מנת להפיץ את הידע על הפיזיקה החדשה בצורה רחבה ככל האפשר. חלק משיטת ההוראה שלו הייתה לרכז את עמיתיו וסטודנטים לתואר שני בסוף היום ולעבור על בעיה, לעתים קרובות מתוך המחקר שלו עצמו. סימן להצלחה היה שסטודנטים זרים החלו כעת להגיע לאיטליה. הבולט שבהם היה הפיזיקאי הגרמני האנס בתה (Hans Bethe), שהגיע לרומא כעמית קרן רוקפלר, ושיתף פעולה עם פרמי במאמר משנת 1932 "על האינטראקציה בין שני אלקטרונים" (בגרמנית: Über die Wechselwirkung von zwei Elektronen).

בזמן זה, פיזיקאים היו נבוכים מדעיכת בטא, שבה נפלט אלקטרון מגרעין האטום. כדי לספק את חוק שימור האנרגיה, פאולי הניח את קיומו של חלקיק בלתי נראה ללא מטען ועם מעט או ללא מסה שנפלט גם הוא באותו זמן. פרמי אימץ רעיון זה, שאותו פיתח במאמר ראשוני ב1933, ולאחר מכן במאמר ארוך יותר בשנה שלאחר מכן שכלל את החלקיק המשוער, לו קרא פרמי "נייטרינו". תורתו, שכונתה מאחר יותר האינטראקציה של פרמי, ועדיין מאחר יותר תורת האינטראקציה החלשה, תיארה את אחד מארבעת הכוחות היסודיים של הטבע. הנייטרינו התגלה לאחר מותו, ותורת האינטראקציה שלו הראתה מדוע קשה כל כך לגלות אותו. כאשר הגיש את מאמרו לכתב העת הבריטי נייצ'ר (Nature), עורך כתב העת דחה אותו משום שהכיל השערות שהיו "רחוקות מדי מהמציאות הפיזית מכדי לעניין קוראים". לדברי הביוגרף של פרמי דוויד נ. שוורץ (David N. Schwartz), מוזר לפחות שפרמי ביקש ברצינות פרסום מהכתב עת, מכיוון שבאותו זמן נייצ'ר פרסם רק הערות קצרות על מאמרים מסוג זה, ולא התאים לפרסום אפילו תיאוריה פיזיקלית חדשה. מתאים יותר, אם בכלל, היה ה-Proceedings of the Royal Society of London. הוא מסכים עם השערתם של חוקרים מסוימים, לפיה דחיית המגזין הבריטי שכנעה את עמיתיו הצעירים (חלקם יהודים ושמאלנים) לוותר על החרם על מגזינים מדעיים גרמניים, לאחר היטלר עלה לשלטון בינואר 1933. לפיכך פרמי ראה את התיאוריה מפורסמת באיטלקית ובגרמנית לפני שפורסמה באנגלית.

במבוא לתרגום לאנגלית משנת 1968, ציין הפיזיקאי פרד ל. וילסון (Fred L. Wilson) כי:

> התיאוריה של פרמי, מלבד חיזוק הצעתו של פאולי לגבי הנייטרינו, יש לה חשיבות מיוחדת בהיסטוריה של הפיזיקה המודרנית. יש לזכור שרק פולטי β טבעיים היו ידועים בזמן שהתיאוריה הוצעה. מאחר יותר כאשר התגלתה דעיכת פוזיטרון, התהליך שולב בקלות במסגרת המקורית של פרמי. על בסיס תורתו, נחזתה לכידת אלקטרון מסלولي על ידי גרעין ולבסוף נצפתה. עם הזמן, נתונים ניסuיים הצטברו באופן משמעותי. למרות שמוזרויות נצפו פעמים רבות בדעיכת β, התיאוריה של פרמי תמיד עמדה באתגר. ההשלכות של תורת פרמי עצומות. לדוגמה, ספקטרוסקופיה של β הוקמה ככלי רב עוצמה לחקר מבנה הגרעין. אך אולי ההיבט המשפיע ביותר בעבודה זו של פרמי הוא שהצורה המסוימת שלו של אינטראקציית ה-β קבעה דפוס שהתאים לחקר סוגים אחרים של אינטראקציות. זו הייתה התיאוריה המוצלחת הראשונה של יצירה והשמדה של חלקיקים חומריים. בעבר, רק פוטונים היו ידועים כנבריים ונהרסים.

בינואר 1934, אירן ז'וליו-קירי (Irène Joliot-Curie) ופרדריק ז'וליו (Frédéric Joliot) הודיעו שהפגיזו יסודות בחלקיקי אלפא והשראו בהם רדיואקטיביות. עד מרץ, עוזרו של פרמי ג'אן-קרלו ויק (Gian-Carlo Wick) סיפק הסבר תיאורטי באמצעות תורת דעיכת בטא של פרמי. פרמי החליט לעבור לפיזיקה ניסויית, תוך שימוש בנייטרון, שג'יימס צ'דוויק (James Chadwick) גילה ב1932. במרץ 1934, פרמי רצה לראות אם יוכל להשרות רדיואקטיביות באמצעות מקור הנייטרונים פולוניום-בריליום של רזטי. לנייטרונים לא היה מטען חשמלי, ולכן הם לא יוסטו על ידי הגרעין בעל המטען החיובי. משמעות הדבר הייתה שהם נזקקו להרבה פחות אנרגיה כדי לחדור לגרעין מאשר חלקיקים טעונים, ולכן לא דרשו מאיץ חלקיקים, שלא היה לבנים מבייה פאניספרנה.

לפרמי היה הרעיון להיעזר בהחלפת מקור הנייטרונים פולוניום-בריליום במקור ראדון-בריליום, אותו יצר על ידי מילוי נורת זכוכית באבקת בריליום, שאיבת האוויר, ואז הוספת 50 מיליקיורי של גז ראדון, שסופק על ידי ג'וליו צ'זרה טראבאקי (Giulio Cesare Trabacchi). זה יצר מקור נייטרונים חזק הרבה יותר, שהיעילות שלו ירדה עם זמן מחצית החיים של הראדון העומד על 3.8 ימים. הוא ידע שמקור זה גם יפלט קרני גמא, אך על בסיס תורתו, הוא האמין שזה לא ישפיע על תוצאות הניסוי. הוא התחיל בהפגזת פלטינה, יסוד בעל מספר אטומ זמינים שהיה זמין בקלות, ללא הצלחה. הוא פנה לאלומיניום, שפלט חלקיק אלפא והפיק נתרן, אשר דעך לאחר מכן למגנזיום על ידי פליטת חלקיקי בטא. הוא ניסה עופרת, ללא הצלחה, ואז פלואור בצורה של סידן פלואוריד, שפלט חלקיק אלפא והפיק חנקן, ודועך לחמצן על ידי פליטת חלקיקי בטא. בסך הכל, הוא השרה רדיואקטיביות ב22 יסודות שונים. פרמי דיווח במהירות על גילוי הרדיואקטיביות המושרה על ידי נייטרונים בכתב העת האיטלקי La Ricerca Scientifica ב25 במרץ 1934.

הרדיואקטיביות הטבעית של תוריום ואורניום הקשתה על לקבוע מה קרה כאשר יסודות אלו הופגזו בנייטרונים, אך לאחר ששלל בצורה נכונה את נוכחותם של יסודות קלים יותר מאורניום אך כבדים מעופרת, פרמי הגיע למסקנה שהם יצרו יסודות חדשים, אותם כינה אוזניום והספריום. כימאית אידה נודאק (Ida Noddack) הציעה שחלק מהניסויים יכלו לייצר יסודות קלים יותר מעופרת במקום יסודות חדשים וכבדים יותר. הצעתה לא נלקחה ברצינות באותו זמן משום שצוותה לא ערך ניסויים כלשהם עם אורניום או בנה את הבסיס התיאורטי לאפשרות זו. באותו זמן, ביקוע נחשב לבלתי סביר אם לא לבלתי אפשרי משיקולים תיאורטיים. בעוד שפיזיקאים ציפו שיסודות עם מספרי אטום גבוהים יותר יווצרו מהפגזת נייטרונים של יסודות קלים יותר, איש לא ציפטי שלנייטרונים תהיה אנרגיה מספקת לפצל אטום כבד לשתי שברי יסודות קלים באופן שהציעה נודאק.

הבנים מבייה פאניספרנה הבחינו גם בכמה השפעות בלתי מוסברות. הניסוי נראה כעובד טוב יותר על שולחן עץ מאשר על משטח שיש. פרמי זכר שז'וליו-קירי וצ'דוויק ציינו שעוות פרפין יעילה בהאטת נייטרונים, ולכן החליט לנסות זאת. כאשר נייטרונים הועברו דרך עוות פרפין, הם השראו פי מאה יותר רדיואקטיביות בכסף בהשוואה לכאשר הופגז ללא הפרפין. פרמי ניחש שהדבר נבע מאטומי המימן בפרפין. אלה שבעץ הסבירו באופן דומה את ההבדל בין שולחנות העץ והשיש. הדבר אושר על ידי חזרה על האפקט עם מים. הוא הסיק שהתנגשויות עם אטומי מימן האטו את הנייטרונים. ככל שמספר האטום של הגרעין שאיתו הוא מתנגש נמוך יותר, כך מאבד הנייטרון אנרגיה רבה יותר לכל התנגשות, ולכן נדרשות פחות התנגשויות כדי להאט נייטרון במידה נתונה. פרמי הבין שהדבר השרה יותר רדיואקטיביות מכיוון שנייטרונים איטיים נקלטים בקלות רבה יותר מאשר מהירים. הוא פיתח משוואת דיפוזיה כדי לתאר זאת, שהפכה ידועה כמשוואת גיל הנייטרונים.

בשנת 1938, פרמי קיבל את פרס נובל לפיזיקה בגיל 37 על "הדגמת קיומם של יסודות רדיואקטיביים חדשים המיוצרים על ידי הקרנת ניטרונים, ועל גילויו הקשור לתגובות גרעיניות המובאות על ידי ניטרונים איטיים". לאחר שפרמי קיבל את הפרס בסטוקהולם, הוא לא חזר הביתה לאיטליה אלא המשיך לניו יורק עם משפחתו בדצמבר 1938, שם הגישו בקשה לתושבות קבע. ההחלטה לעבור לאמריקה ולהפוך לאזרחי ארה"ב נבעה בעיקר מחוקי הגזע באיטליה.

פרויקט מנהטן

פרמי הגיע לניו יורק ב2 בינואר 1939. הוצעו לו מיד משרות בחמישי אוניברסיטאות, והוא קיבל אחת באוניברסיטת קולומביה, שם כבר העביר הרצאות קיץ ב1936. הוא קיבל את הידיעה שבדצמבר 1938, הכימאים הגרמנים אוטו האן (Otto Hahn) ופריץ שטראסמן (Fritz Strassmann) גילו את היסוד באריום לאחר הפגזת אורניום בנייטרונים, שליזה מייטנר (Lise Meitner) ואחיינה אוטו פריש (Otto Frisch) פירשו נכון כתוצאה של ביקוע גרעיני. פריש אישר זאת בניסוי ב13 בינואר 1939. חדשות הפירוש של מייטנר ופריש לתגליתם של האן ושטראסמן חצו את האוקיינוס עם נילס בוהר, שעמד להרצות באוניברסיטת פרינסטון. איזידור אייזק רבי ווילסון לאמב (Willis Lamb), שני פיזיקאים מאוניברסיטת קולומביה שעבדו בפרינסטון, גילו על כך והחזירו זאת לקולומביה. רבי אמר שסיפר לאנריקו פרמי, אך פרמי נתן מאחר יותר את הקרדיט ללאמב:

> אני זוכר היטב את החודש הראשון, ינואר 1939, שהתחלתי לעבוד במעבדות פובין מכיוון שדברים החלו לקרות מהר מאוד. באותה תקופה, נילס בוהר היה בהתחייבות הרצאות באוניברסיטת פרינסטון ואני זוכר שבאחר צהריים אחד וילסון לאמב חזר נרגש מאוד ואמר שבוהר הדליף חדשות גדולות. החדשות הגדולות שהודלפו היו גילוי הביקוע ולפחות קווי המתאר של הפרשנות שלו. ואז, זמן מה לאחר מכן באותו חודש, התקיימה פגישה בוושינגטון שבה נדונה לראשונה החשיבות האפשרית של התופעה החדשה שנתגלתה של ביקוע ברצינות חצי-בדיחתית כמקור אפשרי לכוח גרעיני.

נודאק הוכחה כצודקת אחרי הכל. פרמי שלל את האפשרות של ביקוע על בסיס חישובו, אך הוא לא לקח בחשבון את אנרגיית הקשר שתופיע כאשר נוקליד עם מספר אי-זוגי של נייטרונים יבלע נייטרון נוסף. עבור פרמי, החדשות היו מביכות מאוד, שכן היסודות הטרנסוראניים שהוא זכה בחלקם בפרס נובל על גילויים לא היו כלל יסודות טרנסוראניים, אלא תוצרי ביקוע. הוא הוסיף הערת שוליים בעניין זה לנאום קבלת פרס הנובל שלו.

המדענים בקולומביה החליטו שעליהם לנסות לגלות את האנרגיה המשתחררת בביקוע הגרעיני של אורניום כאשר מופגז על ידי נייטרונים. ב25 בינואר 1939, במרתף אולם פובין בקולומביה, צוות ניסuיי שכלל את פרמי ערך את ניסוי הביקוע הגרעיני הראשון בארצות הברית. חברי הצוות האחרים היו הרברט ל. אנדרסון (Herbert L. Anderson), יוג'ין ט. בוית' (Eugene T. Booth), ג'ון ר. דאנינג (John R. Dunning), ג. נוריס גלאסו (G. Norris Glasoe), ופרנסיס ג. סלאק (Francis G. Slack). למחרת, ועידת וושינגטון החמישית לפיזיקה תיאורטית החלה בוושינגטון הבירה בחסות משותפת של אוניברסיטת ג'ורג' וושינגטון ומכון קרנגי של וושינגטון. שם, חדשות על ביקוע גרעיני הופצו עוד יותר, וטיפחו הדגמות ניסuיות רבות נוספות.

המדענים הצרפתים האנס פון האלבאן (Hans von Halban), ליו קובארסקי (Lew Kowarski), ופרדריק ז'וליו-קירי הוכיחו שאורניום המופגז בנייטרונים פולט נייטרונים רבים יותר מאשר הוא בולע, מה שמעיד על אפשרות של תגובת שרשרת. פרמי ואנדרסון עשו זאת גם כמה שבועות לאחר מכן. לאו סילארד השיג 200 קילוגרם של תחמוצת אורניום מיצרנית הרדיום הקנדית אלדורדו גולד מיינס (Eldorado Gold Mines Limited), מה שאפשר לפרמי ולאנדרסון לבצע ניסויים עם ביקוע בקנה מידה גדול הרבה יותר. פרמי וסילארד שיתפו פעולה בעיצוב מכשיר להשגת תגובת שרשרת גרעינית המקיימת את עצמה – כור גרעיני. בשל קצב בליעת הנייטרונים על ידי המימן במים, לא סביר שניתן יהיה להשיג תגובה מקיימת עצמית עם אורניום טבעי ומים כממתן נייטרונים. פרמי הציע, על סמך עבודתו עם נייטרונים, שניתן להשיג את התגובה עם בלוקים של תחמוצת אורניום וגרפיט כממתן במקום מים. הדבר יקטין את קצב לכידת הנייטרונים, ובתאוריה יהפוך תגובת שרשרת מקיימת את עצמה לאפשרית. סילארד הציע עיצוב בר-ביצוע: ערימה של בלוקים של תחמוצת אורניום משובצים בלבני גרפיט. סילארד, אנדרסון ופרמי פרסמו מאמר על "ייצור נייטרונים באורניום". אך הרגלי העבודה והאישיות שלהם היו שונים, ולפרמי הייתה בעיה לעבוד עם סילארד.

פרמי היה בין הראשונים שהזהירו מנהיגים צבאיים מפני ההשפעה הפוטנציאלית של אנרגיה גרעינית, והעביר הרצאה בנושא במחלקת הצי ב18 במרץ 1939. התגובה נפלה ממה שקווה לו, למרות שהצי הסכים לספק 1,500 דולר לקראת מחקר נוסף בקולומביה. בהמשך אותה שנה, סילארד, יוג'ין ויגנר (Eugene Wigner) ואדוארד טלר שלחו את המכתב עליו חתם איינשטיין לנשיא ארה"ב פרנקלין ד. רוזוולט, ובו הזהירו כי גרמניה הנאצית עשויה לבנות פצצת אטום. בתגובה, רוזוולט הקים את הוועדה המייעצת לאורניום כדי לחקור את העניין.

הוועדה המייעצת לאורניום סיפקה כסף לפרמי כדי לקנות גרפיט, והוא בנה ערימה של לבני גרפיט בקומה השביעית של מעבדת אולם פובין. עד אוגוסט 1941, היו ברשותו ששת טונות של תחמוצת אורניום ושלושים טונות של גרפיט, שבהם השתמש כדי לבנות ערימה גדולה עוד יותר באולם שרמרחורן (Schermerhorn Hall) בקולומביה.

מחלקת S-1 של המשרד למחקר מדעי ופיתוח (Office of Scientific Research and Development), כפי שנודעה כעת הוועדה המייעצת לאורניום, התכנסה ב18 בדצמבר 1941, כאשר ארה"ב מעורבת כעת במלחמת העולם השנייה, מה שהפך את עבודתה לדחופה. רוב המאמצים במימון הוועדה כוונו לייצור אורניום מועשר, אך חבר הוועדה ארתור קומפטון קבע שחלופה אפשרית היא פלוטוניום, שניתן לייצר בייצור המוני בכורים גרעיניים עד סוף 1944. הוא החליט לרכז את עבודת הפלוטוניום באוניברסיטת שיקגו. פרמי עבר בחוסר רצון, והצוות שלו הפך לחלק מהמעבדה המטלורגית החדשה שם.

התוצאות האפשריות של תגובת שרשרת גרעינית מקיימת את עצמה היו לא ידועות, ולכן נראה בלתי רצוי לבנות את כור הגרעין הראשון בקמפוס אוניברסיטת שיקגו במרכז העיר. קומפטון מצא מיקום בשמורת היער ארגון (Argonne Woods Forest Preserve), כ20 מייל (32 ק"מ) משיקגו. חברת סטון אנד וובסטר (Stone & Webster) קיבלה חוזה לפיתוח האתר, אך העבודה הופסקה עקב סכסוך תעשייתי. פרמי שכנע לאחר מכן את קומפטון שהוא יכול לבנות את הכור במגרש הסקווש מתחת ליציעים של אצטדיון סטג (Stagg Field) של אוניברסיטת שיקגו. בניית הערימה החלה ב6 בנובמבר 1942, ו"שיקגו פייל-1" הגיע לקריטיקליות ב2 בדצמבר. צורת הערימה נועדה להיות כדורית בערך, אך ככל שהתקדמה העבודה חישב פרמי שניתן להגיע לקריטיקליות מבלי לסיים את כל הערימה כמתוכנן.

ניסוי זה היווה אבן דרך במסע אחר אנרגיה, והוא היה טיפוסי לגישתו של פרמי. כל שלב תוכנן בקפדנות, וכל חישוב נעשה בקפידה מרובה. כאשר הושגה תגובת שרשרת הגרעינית המקיימת את עצמה הראשונה, קומפטון ביצע שיחת טלפון מוצפנת לג'יימס ב. קונאנט (James B. Conant), יו"ר ועדת המחקר להגנה לאומית.

> הרמתי את הטלפון והתקשרתי לקונאנט. השיגו אותו במשרד הנשיא באוניברסיטת הארוורד. "ג'ים," אמרתי, "תעניין לדעת שהנווט האיטלקי הרגע נחת בעולם החדש." ואז, בחצי התנצלות, משום שהובלתי את ועדת S-1 להאמין שייקח שבוע נוסף או יותר עד שניתן יהיה להשלים את הערימה, הוספתי, "כדור הארץ לא היה גדול כפי שהעריך, והגיע לעולם החדש מוקדם ממה שציפה." "האמנם," הייתה תגובתו הנרגשת של קונאנט. "הילידים היו ידידותיים?"

"כולם נחתו בשלום ובשמחה."

כדי להמשיך את המחקר במקום שבו לא יהווה סיכון לבריאות הציבור, הכור פורק והועבר לאתר יערות ארגון. שם ניהל פרמי ניסויים בתגובות גרעיניות, כשהוא מתענג על ההזדמנויות שסיפקה הייצור הרב של נייטרונים חופשיים על ידי הכור. המעבדה התפצלה עד מהרה מפיזיקה והנדסה לשימוש בכור למחקר ביולוגי ורפואי. בתחילה, ארגון נוהל על ידי פרמי כחלק מאוניברסיטת שיקגו, אך היא הפכה לישות נפרדת עם פרמי כמנהלה במאי 1944.

כאשר כור הגרפיט המורר באוויר X-10 באוק רידג' הגיע לקריטיקליות ב4 בנובמבר 1943, פרמי נכח במקום למקרה שמשהו ישתבש. הטכנאים העירו אותו מוקדם כדי שיוכל לראות את זה קורה. הבאת X-10 לתפעול הייתה אבן דרך נוספת בפרויקט הפלוטוניום. היא סיפקה נתונים על עיצוב כורים, הכשרה לצוות דופונט (DuPont) בתפעול כורים, והפיקה את כמויות הקטנות הראשונות של פלוטוניום המושבח בכור. פרמי ואשתו לאורה אוזרחו כאזרחי ארצות הברית ב11 ביולי 1944, התאריך המוקדם ביותר שהחוק התיר.

בספטמבר 1944, פרמי הכניס את קלע דלק האורניום הראשון לכור B באתר הנפורד, כור הייצור שנועד לגדל פלוטוניום בכמויות גדולות. כמו X-10, הוא תוכנן על ידי הצוות של פרמי במעבדה המטלורגית ונבנה על ידי דופונט, אך הוא היה גדול הרבה יותר וקורר במים. במהלך הימים הבאים, 838 צינורות הועממו, והכור הגיע לקריטיקליות. זמן קצר לאחר חצות ב27 בספטמבר, המפעילים החלו למשוך את מוטות הבקרה כדי ליזום ייצור. בהתחלה, הכל נראה בסדר, אך בסביבות השעה 03:00, רמת ההספק החלה לרדת ועד 06:30 הכור נכבה לחלוטין. הצבא ודופונט פנו לצוות של פרמי לקבלת תשובות. מי הקירור נחקרו כדי לראות אם הייתה דליפה או זיהום. למחרת הכור הופעל פתאום מחדש, רק כדי להיכבות שוב שעות ספורות לאחר מכן. הבעיה אותרה להרעלת נייטרונים מקסנון-135 או Xe-135, תוצר ביקוע עם זמן מחצית חיים של 9.1 עד 9.4 שעות. פרמי וג'ון וילר (John Wheeler) הסיקו שניהם ש-Xe-135 אחראי לבליעת נייטרונים בכור, ובכך סילק את תהליך הביקוע. פרמי הומלץ על ידי העמית אמיליו סגרה לשאול את צ'יאן-שיאנג וו (Chien-Shiung Wu), כשהיא הכינה טיוטה מודפסת בנושא זה לפרסום בכתב העת Physical Review. עם קריאת הטיוטה, פרמי והמדענים אישרו את חששותיהם: Xe-135 אכן בלע נייטרונים, למעשה היה לו חתך פעולה ענק לנייטרונים. דופונט סטתה מהעיצוב המקורי של המעבדה המטלורגית שבו לכור היו 1,500 צינורות המסודרים במעגל, והוסיפה 504 צינורות כדי למלא את הפינות. המדענים שקלו במקור הנדסת-יתר זו לבזבוז של זמן וכסף, אך פרמי הבין שאם כל 2,004 הצינורות יועמו, הכור יוכל להגיע לרמת ההספק הנדרשת ולייצר פלוטוניום ביעילות.

באפריל 1943, פרמי העלה בפני רוברט אופנהיימר את האפשרות להשתמש בתוצרי לוואי רדיואקטיביים מהעשרה כדי לזהם את אספקת המזון הגרמנית. הרקע היה חשש שפרויקט פצצת האטום הגרמנית כבר נמצא בשלב מתקדם, ופרמי היה גם סקפטי באותו זמן שניתן לפתח פצצת אטום מהר מספיק. אופנהיימר דן בהצעה "המבטיחה" עם אדוארד טלר, שהציע להשתמש בסטרונציום-90. ג'יימס ב. קונאנט ולזלי גרובס (Leslie Groves) עודכנו גם הם, אך אופנהיימר רצה להמשיך בתוכנית רק אם ניתן יהיה לזהם מספיק מזון עם הנשק כדי להרוג חצי מיליון אנשים.

באמצע 1944, אופנהיימר שכנע את פרמי להצטרף לפרויקט Y שלו בלוס אלאמוס, ניו מקסיקו. עם הגעתו בספטמבר, פרמי מונה למנהל שותף של המעבדה, עם אחריות רחבה לפיזיקה גרעינית ותיאורטית, והוצב כאחראי על מחלקה F, שנקראה על שמו. למחלקה F היו ארבעה ענפים: F-1 סופר ותיאוריה כללית תחת טלר, שחקרה את פצצת ה"סופר" (התרמו-נוклеארית); F-2 דוד מים תחת ל. ד. פ. קינג (L. D. P. King), שטיפל בכור המחקר ההומוגני המימי "דוד מים"; F-3 ניסויים סופר תחת אגון ברטשר (Egon Bretscher); ו-F-4 מחקרי ביקוע תחת אנדרסון. פרמי צפה בניסוי טריניטי ב16 ביולי 1945 וביצע ניסוי להערכת תפוקת הפצצה על ידי הפלת רצועות נייר לתוך גל ההדף. הוא מדד בצעדים את המרחק שאליו הועפו על ידי הפיצוץ, וחישב את התפוקה כעשר קילוטונות TNT; התפוקה בפועל הייתה כ18.6 קילוטונות.

יחד עם אופנהיימר, קומפטון וארנסט לורנס, פרמי היה חלק מהפנל המדעי שיעץ לוועדה הזמנית על בחירת מטרות. הפנל הסכים עם הוועדה כי נעשה שימוש בפצצות אטום ללא אזהרה נגד מטרה תעשייתית. כמו אחרים במעבדת לוס אלאמוס, פרמי גילה על הפצצות האטום על הירושימה ונגסאקי ממערכת הכריזה הציבורית באזור הטכני. פרמי לא האמין שפצצות אטום ירתיעו אומות מפני פתיחה במלחמות, וגם לא חש שהזמן בשל לממשלת עולם. לכן הוא לא הצטרף לאיגוד מדעני לוס אלאמוס.