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エンリコ・フェルミ（イタリア語: [ enˈriːko ˈfermi ]、1901年9月29日 - 1954年11月28日）は、イタリア系アメリカ人の物理学者で、世界初の人工原子炉であるシカゴ・パイル1号の開発者として、またマンハッタン計画のメンバーとして有名である。彼は「中性子照射によって生成される新しい放射性元素の存在を実証し、低速中性子によって引き起こされる核反応を発見した」功績により、1938年のノーベル物理学賞を受賞した。 [ 1 ]彼は「核時代の設計者」[ 2 ]、「原子爆弾の設計者」[ 3 ]と呼ばれている。彼は理論物理学と実験物理学の両方で優れた業績を上げた数少ない物理学者の一人だった。フェルミは同僚とともに、原子力の利用に関するいくつかの特許を出願したが、それらはすべて米国政府に買収された。彼は統計力学、量子論、原子核物理学、素粒子物理学の発展に多大な貢献をした。
フェルミの最初の大きな貢献は統計力学の分野に関するものでした。1925年にヴォルフガング・パウリが排他原理を定式化した後、フェルミは理想気体にこの原理を適用した論文を発表し、現在フェルミ・ディラック統計として知られる統計的定式化を用いました。今日、排他原理に従う粒子は「フェルミオン」と呼ばれています。パウリは後に、ベータ崩壊時に電子とともに放出される電荷を持たない目に見えない粒子の存在を仮定し、エネルギー保存の法則を満たしました。フェルミはこの考えを取り上げ、仮定された粒子を組み込んだモデルを開発し、それを「ニュートリノ」と名付けました。彼の理論は後にフェルミの相互作用と呼ばれ、現在では弱い相互作用と呼ばれ、自然界の4つの基本相互作用の1つを記述しました。最近発見された中性子による放射能誘発実験を通して、フェルミは低速中性子が高速中性子よりも原子核に捕獲されやすいことを発見し、これを記述するフェルミ年齢方程式を開発しました。彼はトリウムとウランに低速中性子を照射した後、新しい元素を作り出したと結論付けた。この発見によりノーベル賞を受賞したが、後にこれらの新元素は核分裂生成物であることが明らかになった。
フェルミは、ユダヤ人の妻ローラ・カポンに影響を与えたイタリアの新たな人種差別法から逃れるため、1938年にイタリアを離れた。彼はアメリカ合衆国に移住し、第二次世界大戦中はマンハッタン計画に従事した。シカゴ大学で、1942年12月2日に臨界に達したシカゴ・パイル1号炉を設計・建設したチームを率いたフェルミは、人類が作り出した初の自己持続的な核連鎖反応を実証した。 1943年にテネシー州オークリッジのX-10黒鉛炉が臨界に達した時、そして翌年にハンフォード・サイトのB原子炉が臨界に達した時にも、彼は立ち会った。ロスアラモスでは、エドワード・テラーの熱核爆弾「スーパー」の開発に携わったF部門を率いた。1945年7月16日に行われた、初の本格的な核爆弾爆発実験であるトリニティ実験にも立ち会い、フェルミ法を用いて爆弾の威力を推定した。
戦後、彼はシカゴに核研究所の設立に尽力し、 J・ロバート・オッペンハイマーが議長を務める諮問委員会の一員として、原子力委員会に核問題について助言を行った。1949年8月にソ連が初の核分裂爆弾を爆発させた後、彼は道徳的、技術的な両面から水素爆弾の開発に強く反対した。彼は、オッペンハイマーの機密保持資格が却下された1954年の公聴会で、オッペンハイマーを擁護する証言を行った科学者の一人だった。
フェルミは素粒子物理学、特にパイ中間子とミューオンに関する重要な研究を行い、宇宙線は星間空間の磁場によって物質が加速されたときに発生すると推測した。フェルミ1号（増殖炉）、エンリコ・フェルミ原子力発電所、エンリコ・フェルミ賞、エンリコ・フェルミ研究所、フェルミ国立加速器研究所（フェルミラボ） 、フェルミガンマ線宇宙望遠鏡、フェルミのパラドックス、合成元素フェルミウムなど、多くの賞、概念、機関がフェルミにちなんで名付けられており、元素にその名が付けられた16人の科学者のうちの1人となっている。
エンリコ・フェルミは、1901年9月29日にイタリアのローマで、鉄道省の部門長アルベルト・フェルミと小学校教師イダ・デ・ガティスの3番目の子供として生まれた。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]姉のマリアは2歳年上で、兄のジュリオは1歳年上だった。2人の男の子が乳母に育てられるために田舎のコミュニティに送られた後、エンリコは2歳半の時にローマの家族のもとに戻った。[ 7 ]祖父母の希望に従ってカトリックの洗礼を受けたが、彼の家族は特に信心深くはなく、エンリコは成人してからも不可知論者だった。 [ 8 ]幼い頃、彼は兄のジュリオと同じように、電気モーターを作ったり、電気や機械のおもちゃで遊んだりすることに興味を持っていた。[ 9 ]ジュリオは1915年に喉の膿瘍の手術中に亡くなり[ 10 ]、マリアは1959年にミラノ近郊で飛行機事故で亡くなりました。 [ 11 ]
カンポ・デ・フィオーリの地元の市場で、フェルミは物理学の本、900 ページの『Elementorum physicae mathematicae』を見つけた。イエズス会士でコレジオ・ロマーノの教授であったアンドレア・カラッファ神父によってラテン語で書かれたこの本は、 1840 年の出版当時理解されていた数学、古典力学、天文学、光学、音響学を紹介していた。 [ 12 ] [ 13 ]科学に傾倒する友人エンリコ・ペルシコとともに、フェルミはジャイロスコープの製作や地球の重力加速度の測定などのプロジェクトに取り組んだ。[ 14 ] [ 15 ]
エンリコは仕事が終わるとよく父親のアルベルトのオフィスの前で彼と会っていた。そして1914年、彼は父親の同僚であるアドルフ・アミデイと出会った。アミデイはアルベルトと一緒に家まで歩いて帰る習慣があった。
エンリコはアドルフが数学と物理学に興味を持っていることを知り、幾何学についてアドルフに質問する機会を得た。アドルフは若いフェルミが射影幾何学のことを言っているのだと理解し、テオドール・レイエが書いたその分野の本を彼に渡した。2か月後、フェルミは本の最後に提示された問題をすべて解いて本を返却した。その中にはアドルフが難しいと思った問題もあった。これを確認すると、アドルフはフェルミが「少なくとも幾何学に関しては天才」だと感じ、さらに少年を指導し、物理学と数学の本をさらに与えた。アドルフは、フェルミは記憶力が非常に良く、読んだ後も内容をよく覚えているため本を返却できると気づいた。[ 16 ]
フェルミは1918年7月に高校を卒業したが、3年生は完全に飛び級していた。アミデイの勧めで、フェルミは当時ドイツ語で出版されていた多くの科学論文を読めるようにドイツ語を学び、ピサ大学に出願した。アミデイは、当時のローマ・サピエンツァ大学よりも、ピサ大学の方がフェルミの成長に適した環境を提供してくれると考えた。フェルミの両親は息子を一人亡くしていたため、渋々ながら、彼がローマから離れた学校の寮で4年間暮らすことを許した。 [ 17 ] [ 18 ]フェルミは「音の特定の特性」というテーマのエッセイを含む難関の入学試験で1位を獲得した。17歳のフェルミは、振動する棒の偏微分方程式を導出して解くためにフーリエ解析を使用することを選択し、面接後、試験官はフェルミが傑出した物理学者になるだろうと宣言した。[ 17 ] [ 19 ]
ピサ大学では、フェルミは同級生のフランコ・ラセッティといたずらをし、二人は親しい友人となり、共同研究者となった。フェルミは物理学研究所所長のルイージ・プッチャンティから指導を受けていたが、プッチャンティはフェルミに教えることはほとんどなく、むしろフェルミに何かを教えてほしいと頼むことが多かった。フェルミの量子物理学の知識は非常に豊富で、プッチャンティは彼にそのテーマに関するセミナーを企画するように頼んだ。[ 20 ]この時期にフェルミは一般相対性理論の鍵となる技術であるテンソル解析を学んだ。[ 21 ]フェルミは当初数学を専攻に選んだが、すぐに物理学に転向した。彼はその後もほとんど独学で、一般相対性理論、量子力学、原子物理学を研究した。[ 22 ]
1920 年 9 月、フェルミは物理学科に入学した。同科にはフェルミ、ラセッティ、ネッロ・カララの 3 人の学生しかいなかったため、プッチャンティは彼らが自由に実験室を好きなように使うことを許可した。フェルミは、彼らがX 線結晶学を研究すべきだと決め、3 人はラウエ写真、つまり結晶の X 線写真を作成するために協力した。[ 23 ] 1921 年、大学での 3 年目に、フェルミはイタリアの雑誌Nuovo Cimentoに最初の科学論文を発表した。最初の論文のタイトルは「並進運動する電気電荷の剛体システムの力学について」（Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio ）であった。質量がテンソルとして表現されたことは、今後の展開を予感させるものであった。テンソルとは、3 次元空間で動いたり変化したりするものを記述するためによく使われる数学的構成である。古典力学では質量はスカラー量であるが、相対性理論では速度によって変化する。 2番目の論文は「電磁電荷の一様な重力場の静電気と電磁電荷の重さについて」（Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche）でした。フェルミは一般相対性理論を用いて、電荷の質量は U/c 2に等しいことを示しました。ここで、U は系の静電エネルギー、c は光速です。[ 22 ]
最初の論文は、電磁質量の計算に関して、電磁力学理論と相対論的理論の間に矛盾があることを指摘しているように見えた。前者は 4/3 U/c 2という値を予測していたからである。フェルミは翌年、「電磁質量の電磁力学理論と相対論的理論の間の矛盾について」という論文でこれに取り組み、この見かけ上の矛盾は相対性理論の結果であることを示した。この論文は十分に評価され、ドイツ語に翻訳され、1922 年にドイツの科学雑誌Physikalische Zeitschriftに掲載された。 [ 24 ]同年、フェルミは「世界線付近で発生する現象について」（Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria ）という論文をイタリアの雑誌I Rendiconti dell'Accademia dei Linceiに投稿した。この論文で彼は等価原理を検証し、いわゆる「フェルミ座標」を導入した。彼は、時間軸に近い世界線上では、空間はユークリッド空間のように振る舞うことを証明した。[ 25 ] [ 26 ]
フェルミは1922年7月に「確率の定理とその応用」（Un teorema di calcolo delle probabilità ed alcune sue applicazioni ）という論文を提出し、異例の若さである20歳で博士号を取得した。この論文はX線回折像に関するものであった。理論物理学はイタリアではまだ学問分野として認められておらず、受け入れられる論文は実験物理学のみであった。そのため、イタリアの物理学者たちはドイツから来た相対性理論のような新しい考え方を受け入れるのに時間がかかった。フェルミは実験室で実験作業を行うことに非常に慣れていたため、これは彼にとって克服できない問題ではなかった。[ 26 ]
1923年にアウグスト・コップフ著『アインシュタイン相対性理論の基礎』のイタリア語版の付録を執筆していたフェルミは、アインシュタイン方程式（E = mc² ）の中に利用されるべき膨大な量の核ポテンシャルエネルギーが隠されていることを最初に指摘した。 [ 27 ]「少なくとも近い将来には、この恐ろしい量のエネルギーを解放する方法を見つけることは不可能と思われる」と彼は書いている。「それは良いことだ。なぜなら、このような恐ろしい量のエネルギーの爆発の最初の影響は、それをする方法を見つけるという不運に見舞われた物理学者を粉々に打ち砕くことだろうから。」[ 26 ]
1923年から1924年にかけて、フェルミはゲッティンゲン大学でマックス・ボルンのもとで1学期を過ごし、そこでヴェルナー・ハイゼンベルクとパスカル・ジョルダンに出会った。その後、フェルミは1924年9月から12月まで、数学者ヴィト・ヴォルテラの仲介でロックフェラー財団から奨学金を得てライデンでポール・エーレンフェストのもとで研究を行った。ここでフェルミはヘンドリック・ローレンツとアルベルト・アインシュタインに出会い、サミュエル・グーズミットとヤン・ティンバーゲンと親交を深めた。1925年1月から1926年末まで、フェルミはフィレンツェ大学で数理物理学と理論力学を教え、ラセッティと共同で水銀蒸気に対する磁場の影響に関する一連の実験を行った。また、ローマ・サピエンツァ大学のセミナーにも参加し、量子力学と固体物理学に関する講義を行った。[ 28 ]シュレーディンガー方程式の予測の驚くべき正確さに基づく新しい量子力学についての講義をしている間、フェルミはよく「こんなにぴったり合うはずがない！」と言っていた。[ 29 ]
1925年にヴォルフガング・パウリが排他原理を発表した後、フェルミは「完全な単原子気体の量子化について」（Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico）という論文でこれに応え、排他原理を理想気体に適用した。この論文は、排他原理に従う多数の同一粒子の系における粒子の分布を記述するフェルミの統計的定式化で特に注目に値する。これはその後すぐにイギリスの物理学者ポール・ディラックによって独自に発展し、ボーズ＝アインシュタイン統計との関連性も示された。そのため、現在ではフェルミ＝ディラック統計として知られている。[ 30 ]ディラック以降、排他原理に従う粒子は今日では「フェルミオン」と呼ばれ、従わない粒子は「ボソン」と呼ばれている。[ 31 ]
イタリアの教授職は、空席の教授職に対する競争（concorso）によって決定され、応募者は教授委員会によって論文に基づいて評価された。フェルミはサルデーニャ島のカリアリ大学の数理物理学の教授職に応募したが、ジョヴァンニ・ジョルジに僅差で敗れた。[ 32 ] 1926年、24歳でローマのサピエンツァ大学の教授職に応募した。これはイタリアで最初の3つの理論物理学の教授職の1つである新しい教授職で、大学の実験物理学教授、物理学研究所所長、ベニート・ムッソリーニの内閣の一員であったオルソ・マリオ・コルビーノ教授の要請により教育大臣によって創設された。選考委員会の委員長も務めたコルビーノは、新しい教授職がイタリアの物理学の水準と評判を高めることを期待していた。[ 33 ]委員会はエンリコ・ペルシコとアルド・ポントレモリを抑えてフェルミを選出し、[ 34 ]コルビーノはフェルミのチーム編成を支援し、すぐにエドアルド・アマルディ、ブルーノ・ポンテコルヴォ、エットーレ・マヨラナ、エミリオ・セグレといった著名な学生や、フェルミが助手として任命したフランコ・ラセッティが加わった。[ 35 ]彼らは物理学研究所があった通りの名前からすぐに「ヴィア・パニスパーナの少年たち」というニックネームで呼ばれるようになった。 [ 36 ]
フェルミは1928年7月19日に大学の理学部生ローラ・カポンと結婚した。 [ 37 ]二人の間には、1931年1月に生まれたネラと、1936年2月に生まれたジュリオという二人の子供がいた。[ 38 ] 1929年3月18日、フェルミはムッソリーニによってイタリア王立アカデミーの会員に任命され、4月27日にはファシスト党に入党した。その後、ムッソリーニがイタリアのファシズムをドイツのナチズムにイデオロギー的に近づけるために1938年に人種法を公布した際、フェルミはファシズムに反対した。これらの法律はユダヤ人であったローラを脅かし、フェルミの研究助手たちを多く失業させた。[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]
ローマ滞在中、フェルミとそのグループは物理学の多くの実践的および理論的側面に重要な貢献をした。1928年、彼は『原子物理学入門』 （Introduzione alla fisica atomica）を出版し、イタリアの大学生に最新かつ分かりやすいテキストを提供した。フェルミはまた、新しい物理学の知識をできるだけ広く普及させるために、公開講義を行い、科学者や教師向けの一般向け記事を書いた。[ 44 ]彼の教育方法の一部は、一日の終わりに同僚や大学院生を集めて、しばしば彼自身の研究からの問題を検討することであった。[ 44 ] [ 45 ]成功の証として、外国人学生がイタリアに来るようになった。中でも最も注目すべきは、ドイツの物理学者ハンス・ベーテ[ 46 ]で、彼はロックフェラー財団のフェローとしてローマに来て、1932年にフェルミと共同で「2つの電子の相互作用について」（ドイツ語: Über die Wechselwirkung von zwei Elektronen）という論文を発表した[ 47 ] [ 44 ] 。
当時、物理学者たちは、原子核から電子が放出されるベータ崩壊に困惑していた。エネルギー保存の法則を満たすために、パウリは、電荷がなく質量もほとんどない、あるいは全くない目に見えない粒子が同時に放出されると仮定した。フェルミはこの考えを取り上げ、1933年に暫定的な論文で展開し、翌年には、フェルミが「ニュートリノ」と呼んだ仮定された粒子を組み込んだより長い論文を発表した。[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]後にフェルミの相互作用、さらに後には弱い相互作用の理論と呼ばれる彼の理論は、自然界の4つの基本力の1つを記述した。ニュートリノは彼の死後に検出され、彼の相互作用理論は、なぜそれが検出が非常に困難であったかを示した。彼が論文をイギリスの雑誌『ネイチャー』に投稿したとき、同誌の編集者は、その論文には「物理的現実からかけ離れすぎていて読者の興味を引くものではない」という理由で却下した。[ 49 ]フェルミの伝記作家デイヴィッド・N・シュワルツによれば、当時ネイチャー誌はこの種の記事の短いメモしか掲載しておらず、新しい物理理論の掲載にさえ適していなかったため、フェルミが真剣にその雑誌への掲載を依頼したことは少なくとも奇妙である。むしろ、ロンドン王立協会紀要の方が適していたであろう。彼は、英国の雑誌の拒否が、1933年1月にヒトラーが政権を握った後、彼の若い同僚たち（その中にはユダヤ人や左翼もいた）にドイツの科学雑誌のボイコットをやめるよう説得したという学者の仮説に同意している。[ 51 ]こうしてフェルミは、英語で発表される前にイタリア語とドイツ語で理論が発表されるのを見た。[ 35 ]
1968年の英語版の序文で、物理学者のフレッド・L・ウィルソンは次のように述べている。
フェルミの理論は、パウリのニュートリノ説を補強しただけでなく、現代物理学の歴史において特別な意義を持っています。この理論が提唱された当時、自然界に存在するβ線放出粒子しか知られていなかったことを忘れてはなりません。後に陽電子崩壊が発見されると、この過程はフェルミの当初の枠組みに容易に組み込むことができました。彼の理論に基づいて、軌道電子が原子核に捕獲されることが予測され、最終的に観測されました。時が経つにつれ、実験データは大幅に蓄積されました。β崩壊において特異な現象が何度も観測されてきましたが、フェルミの理論は常にその課題に対応してきました。フェルミ理論の影響は計り知れません。例えば、β線分光法は原子核構造の研究において強力なツールとして確立されました。しかし、フェルミのこの研究で最も影響力のある点は、彼が提唱したβ相互作用の特定の形式が、他の種類の相互作用の研究にも適したパターンを確立したことでしょう。これは、物質粒子の生成と消滅に関する最初の成功した理論でした。以前は、光子のみが生成および消滅することが知られていた。[ 50 ]
1934 年 1 月、イレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオは、元素にアルファ粒子を照射して放射能を誘発したと発表した。[ 52 ] [ 53 ] 3 月までに、フェルミの助手ジャン＝カルロ・ウィックは、フェルミのベータ崩壊理論を用いて理論的な説明を提供した。フェルミは、 1932 年にジェームズ・チャドウィックが発見した中性子を用いて実験物理学に切り替えることを決めた。 [ 54 ] 1934 年 3 月、フェルミは、ラセッティのポロニウム・ベリリウム中性子源で放射能を誘発できるかどうかを確認したいと考えた。中性子は電荷を持たないため、正に帯電した原子核によって偏向されない。これは、中性子が原子核を貫通するのに荷電粒子よりもはるかに少ないエネルギーしか必要としないため、ヴィア・パニスパーナの少年たちが持っていなかった粒子加速器を必要としないことを意味した。[ 55 ] [ 56 ]
フェルミは、ポロニウム-ベリリウム中性子源をラドン-ベリリウム中性子源に置き換えることを思いつき、ガラス球にベリリウム粉末を詰め、空気を抜き、ジュリオ・チェーザレ・トラバッキから提供された 50 m Ciのラドンガスを加えることで、この中性子源を作成した。[ 57 ] [ 58 ]これにより、はるかに強力な中性子源が作られたが、その有効性はラドンの半減期3.8 日で低下した。彼はこの中性子源がガンマ線も放出することを知っていたが、彼の理論に基づいて、これは実験結果に影響しないと信じていた。彼はまず、容易に入手できる原子番号の高い元素であるプラチナに照射することから始めたが、成功しなかった。彼はアルミニウムに目を向け、アルミニウムはアルファ粒子を放出し、ナトリウムを生成し、それがベータ粒子放出によってマグネシウムに崩壊した。彼は鉛を試したが成功せず、次にフッ化カルシウムの形でフッ素を試したところ、アルファ粒子が放出され、窒素が生成され、ベータ粒子放出によって酸素に崩壊した。合計で、彼は22種類の元素で放射能を誘発した。[ 59 ]フェルミは、 1934年3月25日にイタリアの雑誌「La Ricerca Scientifica」で中性子誘発放射能の発見を迅速に報告した。[ 58 ] [ 60 ] [ 61 ]
トリウムとウランの自然放射能のため、これらの元素に中性子を照射したときに何が起こっているのかを判断するのは困難でしたが、フェルミはウランより軽く鉛より重い元素の存在を正しく排除した後、それらが新しい元素を生成したと結論付け、それをアウセニウムとヘスペリウムと名付けました。[ 62 ] [ 56 ]化学者のアイダ・ノダックは、いくつかの実験では、新しい重い元素ではなく、鉛より軽い元素が生成された可能性があると示唆しました。彼女の提案は、彼女のチームがウランで実験を行ったり、この可能性の理論的根拠を構築したりしていなかったため、当時真剣に受け止められませんでした。当時、核分裂は理論的には不可能ではないにしても、起こりそうもないと考えられていました。物理学者は、より軽い元素に中性子を照射すると、原子番号の大きい元素が生成されると予想していましたが、ノダックが示唆したように、中性子が重い原子を2つの軽い元素の断片に分裂させるのに十分なエネルギーを持っているとは誰も予想していませんでした。[ 63 ] [ 62 ]
ヴィア・パニスパーナの少年たちも、説明のつかない効果に気づいた。実験は、大理石のテーブルトップよりも木のテーブルの上の方がうまくいくように見えた。フェルミは、ジョリオ＝キュリーとチャドウィックがパラフィンワックスが中性子を減速させるのに効果的であることに気付いていたことを思い出し、それを試してみることにした。中性子をパラフィンワックスに通すと、パラフィンなしで照射した場合と比べて銀の放射能が100倍になった。フェルミは、これはパラフィン中の水素原子によるものだと推測した。木材中の水素原子も同様に、木と大理石のテーブルトップの違いを説明した。これは、水で同じ効果を繰り返すことで確認された。彼は、水素原子との衝突が中性子を減速させると結論付けた。[ 64 ] [ 56 ]衝突する原子核の原子番号が低いほど、中性子は衝突ごとに失うエネルギーが多くなり、したがって、中性子を一定量減速させるのに必要な衝突回数が少なくなる。[ 65 ]フェルミは、低速中性子は高速中性子よりも捕獲されやすいため、これがより多くの放射能を誘発することに気づいた。彼はこれを記述する拡散方程式を開発し、それはフェルミ年齢方程式として知られるようになった。[ 64 ] [ 56 ]
1938年、フェルミは37歳でノーベル物理学賞を受賞しました。受賞理由は「中性子照射によって生成される新しい放射性元素の存在の実証、および低速中性子によって引き起こされる核反応の関連発見」でした。 [ 66 ]ストックホルムで賞を受け取った後、フェルミはイタリアに帰国せず、1938年12月に家族とともにニューヨーク市に移住し、永住権を申請しました。アメリカに移住して米国市民になるという決断は、主にイタリアの人種差別法によるものでした。[ 39 ] [ 67 ]
フェルミは1939年1月2日にニューヨーク市に到着した。[ 68 ]彼はすぐに5つの大学から職のオファーを受け、コロンビア大学の職を受け入れた。[ 69 ]彼はすでに1936年に同大学で夏季講義を行っていた。[ 70 ]彼は1938年12月にドイツの化学者オットー・ハーンとフリッツ・シュトラスマンがウランに中性子を照射した後に元素バリウムを検出したという知らせを受けた。 [ 71 ]リーゼ・マイトナーと彼女の甥オットー・フリッシュはこれを核分裂の結果であると正しく解釈した。フリッシュは1939年1月13日にこれを実験的に確認した。[ 72 ] [ 73 ]マイトナーとフリッシュによるハーンとシュトラスマンの発見の解釈の知らせは、プリンストン大学で講義を行う予定だったニールス・ボーアとともに大西洋を越えた。プリンストンで研究していたコロンビア大学の物理学者、イシドール・アイザック・ラビとウィリス・ラムの2人がこのことを知り、コロンビア大学に持ち帰った。ラビはエンリコ・フェルミに伝えたと述べているが、フェルミは後にラムに功績を認めた。[ 74 ]
1939年1月、私がプーピン研究所で働き始めた最初の月のことを鮮明に覚えています。物事が急速に進み始めたからです。その頃、ニールス・ボーアはプリンストン大学で講演をしていて、ある日の午後、ウィリス・ラムが興奮して戻ってきて、ボーアが素晴らしいニュースを漏らしたと言ったのを覚えています。漏らされた素晴らしいニュースとは、核分裂の発見と、少なくともその解釈の概略でした。そして、その月の少し後、ワシントンで会議が開かれ、新しく発見された核分裂現象の潜在的な重要性が、原子力の可能性のある源として、半ば冗談めかして真剣に初めて議論されました。[ 75 ]
結局、ノダックの主張が正しかったことが証明された。フェルミは自身の計算に基づいて核分裂の可能性を否定していたが、中性子の数が奇数の核種が余分な中性子を吸収したときに生じる結合エネルギーを考慮に入れていなかった。[ 63 ]フェルミにとって、この知らせは大きな恥辱となった。彼が発見したことでノーベル賞を授与された超ウラン元素は、実際には超ウラン元素ではなく、核分裂生成物だったからである。彼はノーベル賞受賞スピーチにこの旨の脚注を付け加えた。[ 74 ] [ 76 ]
コロンビア大学の科学者たちは、ウランに中性子を照射した際に放出されるエネルギーを検出してみることにした。1939年1月25日、コロンビア大学のプーピンホールの地下室で、フェルミを含む実験チームが米国で最初の核分裂実験を行った。チームの他のメンバーは、ハーバート・L・アンダーソン、ユージン・T・ブース、ジョン・R・ダニング、G・ノリス・グラスォー、フランシス・G・スラックであった。[ 77 ]翌日、第5回ワシントン理論物理学会議が、ジョージ・ワシントン大学とカーネギー研究所の共同主催でワシントンDCで始まった。そこで核分裂のニュースはさらに広まり、多くの実験的実証が促進された。[ 78 ]
フランスの科学者ハンス・フォン・ハルバン、ルー・コワルスキー、フレデリック・ジョリオ＝キュリーは、中性子を照射されたウランが吸収する中性子よりも多くの中性子を放出することを実証し、連鎖反応の可能性を示唆した。[ 79 ]フェルミとアンダーソンも数週間後に同様の実験を行った。[ 80 ] [ 81 ]レオ・シラードは、カナダのラジウム生産会社エルドラド・ゴールド・マインズ社から200キログラム（440ポンド）の酸化ウランを入手し、フェルミとアンダーソンがはるかに大規模な核分裂実験を行うことを可能にした。[ 82 ]フェルミとシラードは、自己持続的な核反応を実現する装置、すなわち原子炉の設計で協力した。水中の水素による中性子の吸収率のため、天然ウランと中性子減速材としての水では自己持続反応が達成できる可能性は低いと考えられた。フェルミは中性子に関する研究に基づいて、水の代わりに酸化ウランブロックと黒鉛を減速材として使用すれば反応が達成できると提案した。これにより中性子捕獲率が低下し、理論的には自己持続連鎖反応が可能になる。シラードは実用的な設計を考案した。それは、黒鉛レンガを散りばめた酸化ウランブロックの山である。[ 83 ]シラード、アンダーソン、フェルミは「ウラン中性子生成」に関する論文を発表した。[ 82 ]しかし、彼らの仕事の習慣や性格は異なり、フェルミはシラードと仕事をするのに苦労した。[ 84 ]
フェルミは、核エネルギーの潜在的な影響について軍の指導者に警告した最初の一人であり、 1939年3月18日に海軍省 でこのテーマに関する講演を行った。反応は彼が期待していたほどではなかったが、海軍はコロンビア大学でのさらなる研究のために1,500ドルを提供することに同意した。[ 85 ]同年後半、シラード、ユージン・ウィグナー、エドワード・テラーは、アインシュタインの署名入りの手紙をフランクリン・D・ルーズベルト米大統領に送り、ナチス・ドイツが原子爆弾を製造する可能性が高いと警告した。これに対し、ルーズベルトはウラン諮問委員会を設置してこの問題を調査した。[ 86 ]
ウラン諮問委員会はフェルミに黒鉛を購入するための資金を提供し、[ 87 ]彼はプーピン・ホール研究所の7階に黒鉛のレンガの山を積み上げた。[ 88 ] 1941年8月までに、彼は6トンの酸化ウランと30トンの黒鉛を手に入れ、それを使ってコロンビア大学のシャーマーホーン・ホールにさらに大きな山を積み上げた。[ 89 ]
科学研究開発局のS-1セクション（当時はウラン諮問委員会として知られていた）は、米国が第二次世界大戦に参戦した1941年12月18日に会合を開き、その作業は緊急を要するものとなった。委員会が支援した努力のほとんどは濃縮ウランの生産に向けられていたが、委員会のメンバーであるアーサー・コンプトンは、実行可能な代替案としてプルトニウムを挙げ、プルトニウムは1944年末までに原子炉で大量生産できると判断した。 [ 90 ]彼はプルトニウムの研究をシカゴ大学に集中させることを決定した。フェルミはしぶしぶ移籍し、彼のチームは同大学の新しい冶金研究所の一部となった。[ 91 ]
自己持続的な核反応の起こりうる結果は不明であったため、シカゴの中心部にあるシカゴ大学キャンパスに最初の原子炉を建設するのは賢明ではないと考えられた。コンプトンはシカゴから約20マイル（32km ）離れたアルゴンヌ・ウッズ森林保護区に場所を見つけた。ストーン＆ウェブスター社がその場所の開発を請け負ったが、労働争議により作業は中断された。その後、フェルミはシカゴ大学のスタッグ・フィールドの観客席の下にあるスカッシュコートに原子炉を建設できるとコンプトンを説得した。原子炉の建設は1942年11月6日に始まり、シカゴ・パイル1号は12月2日に臨界に達した。[ 92 ]原子炉の形状はほぼ球形になる予定だったが、作業が進むにつれて、フェルミは計画通りに原子炉全体を完成させなくても臨界に達することができると計算した。[ 93 ]
この実験はエネルギー探求における画期的な出来事であり、フェルミのアプローチを典型的に表していた。すべてのステップは綿密に計画され、すべての計算は細心の注意を払って行われた。[ 92 ]最初の自己持続核連鎖反応が達成されたとき、コンプトンは国防研究委員会の委員長であるジェームズ・B・コナントに暗号化された電話をかけた。
私は受話器を取り、コナントに電話をかけた。彼はハーバード大学の学長室にいた。「ジム」と私は言った。「イタリアの航海士が新世界に上陸したばかりだと知ったら、きっと興味を持つだろう」。それから、Sl委員会には杭打ち工事が完了するまであと1週間以上かかると伝えていたことを少し申し訳なさそうに、「地球は彼が予想していたほど大きくなく、予想よりも早く新世界に到着した」と付け加えた。
「そうなんですか？」とコナントは興奮気味に答えた。「原住民は友好的でしたか？」
「全員無事に着陸し、幸せだった。」[ 94 ]
公衆衛生上の危険をもたらさない場所で研究を続けるため、原子炉は解体され、アルゴンヌ・ウッズの敷地に移設された。そこでフェルミは核反応の実験を指揮し、原子炉から大量に生成される自由中性子によってもたらされる機会を大いに活用した。[ 95 ]研究所はすぐに物理学と工学から生物学と医学の研究に原子炉を利用する方向に広がった。当初、アルゴンヌはシカゴ大学の一部としてフェルミによって運営されていたが、1944年5月にフェルミが所長を務める独立した組織となった。[ 96 ]
1943年11月4日、オークリッジの 空冷式X-10黒鉛炉が臨界に達したとき、フェルミは万が一の事態に備えてその場に居合わせた。技術者たちはフェルミを早朝に起こし、臨界の様子を目撃させた。 [ 97 ] X-10の稼働はプルトニウム計画におけるもう一つの重要な節目となった。原子炉設計に関するデータが得られ、デュポン社のスタッフに原子炉運転の訓練が行われ、原子炉で生成されたプルトニウムが少量ながら初めて生産された。[ 98 ]フェルミは1944年7月にアメリカ市民権を取得した。これは法律で認められた最も早い時期だった。[ 99 ]
1944年9月、フェルミはハンフォード・サイトのB原子炉に最初のウラン燃料スラグを挿入した。B原子炉はプルトニウムを大量生産するために設計された生産用原子炉である。X-10と同様、この原子炉も冶金研究所のフェルミのチームによって設計され、デュポンによって製造されたが、はるかに大きく、水冷式であった。その後数日間で838本のチューブが装填され、原子炉は臨界に達した。9月27日の午前0時過ぎ、運転員は生産を開始するために制御棒を引き抜き始めた。最初はすべて順調に見えたが、午前3時頃、出力が低下し始め、午前6時30分までに原子炉は完全に停止した。陸軍とデュポンはフェルミのチームに答えを求めた。冷却水に漏れや汚染がないか調査された。翌日、原子炉は突然再び起動したが、数時間後に再び停止した。問題は、半減期が 9.1 ～ 9.4 時間である核分裂生成物であるキセノン 135または Xe-135による中性子汚染に起因していた。フェルミとジョン・ホイーラーは、Xe-135 が原子炉内で中性子を吸収し、それによって核分裂プロセスを妨害していると推測した。フェルミは同僚のエミリオ・セグレから、このテーマに関する印刷原稿をPhysical Reviewに掲載するために準備していた呉健雄に尋ねるよう勧められた。[ 100 ]原稿を読んだフェルミと科学者たちは、自分たちの疑念を確信した。Xe-135 は確かに中性子を吸収し、実際には巨大な中性子断面積を持っていた。[ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]デュポン社は、原子炉に円形に配置された 1,500 本のチューブを持つ冶金研究所の元の設計から逸脱し、角を埋めるために 504 本のチューブを追加した。科学者たちは当初、この過剰設計を時間と金の無駄だと考えていたが、フェルミは 2,004 本のチューブすべてに燃料を投入すれば、原子炉は必要な出力レベルに達し、効率的にプルトニウムを生産できることに気づいた。[ 104 ] [ 105 ]
1943年4月、フェルミはロバート・オッペンハイマーに、濃縮の放射性副産物を使ってドイツの食料供給を汚染する可能性について提起した。背景には、ドイツの原子爆弾計画がすでにかなり進んだ段階にあるという懸念があり、フェルミ自身も当時、原子爆弾が十分に早く開発できるかどうかについて懐疑的だった。オッペンハイマーはこの「有望な」提案をエドワード・テラーと話し合い、テラーはストロンチウム90の使用を提案した。ジェームズ・B・コナントとレスリー・グローブスにも説明があったが、オッペンハイマーは、50万人を殺害するのに十分な量の食料を兵器で汚染できる場合にのみ計画を進めたいと考えていた。[ 106 ]
1944 年半ば、オッペンハイマーはフェルミを説得してニューメキシコ州ロスアラモスのY プロジェクトに参加させた。[ 107 ] 9 月に到着したフェルミは、原子核物理学と理論物理学の幅広い責任を負う研究所の副所長に任命され、彼にちなんで名付けられた F 部門の責任者に任命された。F 部門には 4 つの部門があった。テラーが率いる F-1 スーパーおよび一般理論部門は「スーパー」（熱核）爆弾を研究し、LDP キングが率いる F-2 ウォーターボイラー部門は「ウォーターボイラー」水性均質研究炉を担当し、エゴン ブレッチャーが率いる F-3 スーパー実験部門、アンダーソンが率いる F-4 核分裂研究部門である。[ 108 ]フェルミは1945 年 7 月 16 日にトリニティ実験を観察し、紙片を爆風の中に落とすことで爆弾の威力を推定する実験を行った。彼は爆発で吹き飛ばされた距離を歩測し、爆発の威力をTNT換算で10キロトンと計算したが、実際の威力は約18.6キロトンだった。[ 109 ]
オッペンハイマー、コンプトン、アーネスト・ローレンスとともに、フェルミは暫定委員会に標的選定について助言する科学パネルの一員だった。パネルは、原子爆弾は予告なしに産業目標に対して使用されるという委員会の見解に同意した。[ 110 ]ロスアラモス研究所の他の職員と同様に、フェルミは技術エリアの拡声器で広島と長崎への原爆投下を知った。フェルミは、原子爆弾が国家の戦争開始を抑止するとは考えておらず、世界政府を樹立する時期が熟しているとは考えていなかった。そのため、彼はロスアラモス科学者協会には参加しなかった。[ 111 ]
フェルミは1945年7月1日にシカゴ大学のチャールズ・H・スウィフト記念物理学教授に就任したが[ 112 ]、家族とともにロスアラモス研究所を離れたのは1945年12月31日であった[ 113 ]。彼は1945年に米国科学アカデミーの会員に選出された[ 114 ]。冶金研究所は1946年7月1日にアルゴンヌ国立研究所となり、マンハッタン計画によって設立された最初の国立研究所となった[ 115 ] 。シカゴとアルゴンヌは近かったため、フェルミは両方の場所で研究を行うことができた。アルゴンヌでは、レオナ・マーシャルとともに中性子散乱の研究を行い、実験物理学の研究を続けた[ 116 ]。また、マリア・マイヤーと理論物理学について議論し、彼女がスピン軌道結合に関する洞察を深めるのを助け、それが彼女のノーベル賞受賞につながった[ 117 ] 。
マンハッタン計画は、1947年1月1日に原子力委員会（AEC）に取って代わられた。 [ 118 ]フェルミは、ロバート・オッペンハイマーが議長を務める影響力のある科学委員会であるAEC一般諮問委員会に所属していた。[ 119 ]また、毎年数週間ロスアラモス国立研究所で過ごすことを好み、[ 120 ]そこでニコラス・メトロポリス[ 121 ]や、密度が異なる2つの流体の境界で起こる現象であるレイリー・テイラー不安定性についてジョン・フォン・ノイマンと共同研究を行った。 [ 122 ]
1949年8月にソ連初の核分裂爆弾が爆発した後、フェルミはイシドール・ラビとともに、委員会に強い調子の報告書を提出し、道徳的および技術的な理由から水素爆弾の開発に反対した。[ 123 ]それにもかかわらず、フェルミはコンサルタントとしてロスアラモスでの水素爆弾の研究に参加し続けた。スタニスワフ・ウラムとともに、テラーの熱核兵器モデルに必要なトリチウムの量が法外なだけでなく、この大量のトリチウムを使っても核融合反応が確実に伝播するとは限らないと計算した。 [ 124 ]フェルミは、1954年のオッペンハイマーのセキュリティクリアランス拒否につながったオッペンハイマーのセキュリティ公聴会で、オッペンハイマーのために証言した科学者の一人だった。 [ 125 ]
晩年、フェルミはシカゴ大学で教鞭を執り続け、後にエンリコ・フェルミ研究所となる施設の創設者の一人となった。戦後の博士課程の学生には、オーウェン・チェンバレン、ジェフリー・チュー、ジェローム・フリードマン、マービン・ゴールドバーガー、ツン・ダオ・リー、アーサー・ローゼンフェルド、サム・トライマンらがいた。[ 126 ] [ 76 ]ジャック・スタインバーガーは大学院生であり、ミルドレッド・ドレッセルハウスは博士課程の学生としてフェルミと在籍期間が重なった年に、フェルミから大きな影響を受けた。[ 127 ] [ 128 ]フェルミは素粒子物理学、特にパイ中間子とミューオンに関する重要な研究を行った。彼はパイ中間子-核子共鳴の最初の予測を行ったが、理論が間違っている場合は正確な答えは必要ないと考え、統計的手法に頼った。[ 121 ] [ 129 ]陳寧陽との共著論文で、彼はパイ中間子が実際には複合粒子である可能性を推測した。[ 130 ]この考えは坂田正一によって詳細に展開された。その後、パイ中間子がクォークから構成されているとするクォークモデルに取って代わられ、フェルミのモデルが完成し、彼のアプローチが正当化された。[ 131 ]
フェルミは「宇宙放射線の起源について」という論文を書き、その中で宇宙線は星間空間の磁場によって加速された物質から発生すると提唱し、テラーとの意見の相違を招いた。[ 129 ]フェルミは渦巻銀河の腕における磁場に関する問題を調べた。[ 132 ]彼は現在「フェルミのパラドックス」と呼ばれるもの、つまり地球外生命体の存在の推定確率と接触がなかったという事実との矛盾について考察した。[ 133 ]
晩年、フェルミは原子力技術に関して社会全体が賢明な選択をできるという信念に疑問を抱くようになった。彼はこう語った。
中には、「ほんの少しの事実を集めるためだけに、これほど懸命に働くことに何の意味があるのか。そのような事実を集めるのが好きな長髪の教授数名以外には何の喜びももたらさず、せいぜいごく少数の専門家しか理解できないため、誰にも役に立たないのではないか」と疑問に思う人もいるかもしれません。そのような質問に対して、私はかなり確実な予測を述べたいと思います。
科学技術の歴史は、基礎的な理解における科学的進歩が、遅かれ早かれ、私たちの生活様式を根本的に変革する技術的および産業的応用につながることを一貫して教えてくれてきました。物質の構造を解明しようとするこの試みが、この法則の例外となることは考えにくいと思います。より不確実なこと、そして私たち全員が切に願っていることは、人間が自然に対する力を十分に活用できるほど成熟する日が来ることです。[ 134 ]
フェルミは1954年10月にビリングス記念病院で「探索的」手術と呼ばれる手術を受け、その後帰宅した。50日後、シカゴの自宅で手術不能な胃癌で亡くなった。享年53歳。 [ 3 ]フェルミは原子炉の近くで作業することには大きな危険が伴うと疑っていたが、自身の安全に対するリスクよりも利益の方が大きいと感じたため、作業を続けた。原子炉の近くで作業していた彼の大学院生助手2人も癌で亡くなった。[ 135 ]
シカゴ大学の礼拝堂で追悼式が行われ、同僚のサミュエル・K・アリソン、エミリオ・セグレ、ハーバート・L・アンダーソンが、世界で最も「聡明で生産性の高い物理学者」の一人の死を悼んだ。[ 136 ]彼の遺体はオークウッズ墓地に埋葬され、近親者のみの墓前式がルーテル派の牧師の司式で行われた。[ 137 ]
フェルミは、その業績を称えられ、 1926年にマッテウッチ賞、1938年にノーベル物理学賞、1942年にヒューズ賞、1947年にフランクリン賞、1953年にラムフォード賞など、数々の賞を受賞しました。また、マンハッタン計画への貢献により、1946年に功労勲章を授与されました。 [ 138 ]フェルミは、1939年にアメリカ哲学会の会員に、 1950年に王立協会の外国人会員（FRS）に選出されました。[ 139 ] [ 140 ]イタリアの歴史上の芸術家、科学者、著名人の墓が多く、イタリアの栄光の殿堂として知られるフィレンツェのサンタ・クローチェ聖堂には、フェルミを記念する銘板があります。[ 141 ] 1999年、タイム誌はフェルミを20世紀の偉大な人物100人のリストに選出した。[ 142 ]フェルミは、理論的にも実験的にも優れた20世紀の物理学者としては異例の存在として広く認識されていた。放射化学者で原子核物理学者のエミリオ・セグレは、フェルミを「19世紀の偉人たちの伝統を受け継ぐ最後の万能物理学者」と呼び、「当時の物理学のすべてを知っていた最後の人物」と評した。[ 143 ]化学者で小説家のC・P・スノーは、「フェルミが数年早く生まれていたら、ラザフォードの原子核を発見し、ボーアの水素原子理論を発展させていたであろうことは容易に想像できる。これが誇張に聞こえるなら、フェルミに関することは何でも誇張に聞こえるだろう」と書いた。[ 144 ]
フェルミは人を鼓舞する教師として知られ、講義の細部へのこだわり、簡潔さ、そして入念な準備で有名でした。[ 145 ]後に、彼の講義ノートは書籍に書き起こされました。[ 146 ]彼の論文やノートは現在、シカゴ大学に所蔵されています。[ 147 ]ヴィクター・ヴァイスコフは、フェルミが「常に最も単純で直接的なアプローチを見つけ出し、複雑さや洗練さを最小限に抑えていた」と述べています。[ 148 ]彼は複雑な理論を嫌い、優れた数学的能力を持っていたにもかかわらず、もっと簡単にできる場合は決してそれを使いませんでした。彼は他の人が頭を悩ませるような問題に、迅速かつ正確な答えを出すことで有名でした。後に、彼の概算による迅速な答えを得る方法は、非公式に「フェルミ法」として知られるようになり、広く教えられています。[ 149 ]
フェルミは、アレッサンドロ・ボルタが自分の研究室で研究していた当時、ボルタは電気の研究がどこへ向かうのか全く知らなかったとよく指摘していた。 [ 150 ]フェルミは一般的に、原子力と核兵器の研究、特に最初の原子炉の建造、最初の原子爆弾と水素爆弾の開発で記憶されている。彼の科学的業績は時の試練に耐えてきた。これには、ベータ崩壊の理論、非線形システムに関する研究、低速中性子の効果の発見、パイ中間子と核子の衝突の研究、フェルミ・ディラック統計などが含まれる。パイ中間子が基本粒子ではないという彼の推測は、クォークとレプトンの研究への道を開いた。[ 151 ]
フェルミは、人柄としては実に単純明快だった。並外れて精力的で、ゲームやスポーツをこよなく愛した。そうした場面では、彼の野心的な性格が際立った。テニスでは相当な熱意を見せ、登山ではむしろガイド役を務めた。彼を慈悲深い独裁者と呼ぶ人もいるかもしれない。ある時、山の頂上でフェルミが立ち上がり、「さあ、2時2分前だ。2時に出発しよう」と言ったのを覚えている。もちろん、皆は忠実に、そして従順に立ち上がった。こうしたリーダーシップと自信から、フェルミは物理学において絶対的な権威を持つ「教皇」という異名を得た。彼はかつてこう言った。「物理学のあらゆる計算を、数枚の紙に2倍以内の誤差で書き出すことができる。数式の前の数値係数を正しく計算するには、物理学者でも1年かかるかもしれないが、私はそんなことには興味がない」。彼のリーダーシップは、時に彼と働く者の独立性を脅かすほど強烈だった。かつてフェルミの家で開かれたパーティーで、妻がパンを切っていた時、フェルミがやって来て、パンの切り方について自分は違う考えを持っていると言い、妻の手からナイフを取り上げて、自分のやり方が優れていると確信して、自分で切り始めたことを覚えています。しかし、こうした出来事は皆を不快にさせるどころか、むしろフェルミの魅力に惹きつけました。彼は物理学以外にはほとんど興味がなく、私がテラーのピアノを弾いた時に、音楽への興味は簡単な曲に限られると告白したほどでした。
フェルミの名を冠したものは数多くある。イリノイ州バタビアにあるフェルミラボ粒子加速器・物理学研究所は、1974年に彼の名誉を称えて改名された[ 152 ] 。また、宇宙線に関する彼の業績を称え、2008年に彼の名を冠したフェルミガンマ線宇宙望遠鏡もある[ 153 ] 。さらに、3つの原子炉施設が彼の名を冠している。ミシガン州ニューポートのフェルミ1号機とフェルミ2号機、イタリアのトリノ・ヴェルチェッレーゼにあるエンリコ・フェルミ原子力発電所[ 154 ]、アルゼンチンのRA-1エンリコ・フェルミ研究炉[ 155 ]である。 1952年のアイビー・マイク核実験の残骸から分離された合成元素は、科学界へのフェルミの貢献を称えてフェルミウムと名付けられた。 [ 156 ] [ 157 ]これにより、彼は元素に名前が付けられた16人の科学者のうちの1人となった。[ 158 ]
1956年から米国原子力委員会、そして1977年からは米国エネルギー省が、フェルミ賞という最高の栄誉を彼にちなんで命名した。 [ 159 ]この賞の受賞者には、オットー・ハーン、ロバート・オッペンハイマー、エドワード・テラー、ハンス・ベーテなどがいる。
彼の論文の全リストについては、参考文献[ 140 ]の75～78ページを参照してください。
