E
nrico Fermi sinh ngày 29 tháng 9 năm 1901 tại Roma (Italia) trong một gia đình công chức, là con út trong một gia đình ba anh em, cha là nhân viên của Bộ Hỏa xa. Ngay từ nhỏ, Enrico cùng với người anh lớn hơn một tuổi tên là Giulio đã nổi tiếng là thần đồng. Hai anh em Fermi đã tự vẽ kiểu và chế tạo các động cơ điện cũng như các kiểu mẫu động cơ máy bay, khiến cho các chuyên viên cơ khí phải thán phục, không ngờ những đồ án này lại được sáng tạo bởi hai thiếu niên. Người ta đã không thể phân biệt sáng chế nào là của Giulio, hay của Enrico, vì cả hai anh em cùng có tài và khéo léo như nhau, cùng ưa thích khoa học.
Đáng tiếc, Giulio mất năm 1915, khiến Enrico cảm thấy quá cô đơn, buồn nản. Trước kia, Enrico chưa quan tâm nhiều đến sách vở, chỉ ưa thích các công việc thực hành, nay sống giữa sự buồn phiền, Enrico đã tìm quên lãng bằng cách đọc sách. Cậu đã tự học toán và vật lý với chương trình cao hơn chương trình học của nhà trường. Sách vở thiếu thốn, gia cảnh thanh bần, Enrico đành tìm kiếm mua lại các sách cũ bày bán tại chợ trời mỗi ngày thứ tư và cậu đã tìm được phần lớn các sách học ưa thích.
Nhờ tài năng của mình, Enrico đã được một người bạn của cha chú ý tới. Ông kỹ sư này tên là A. Amidei, cũng ưa thích hai môn vật lý và toán. Ông đã nhận ra tài năng đặc biệt của Enrico, nên rất quý mến cậu bé thông minh. Amidei thường hướng dẫn Enrico học hai môn này. Có lần, ông đã thử ra cho cậu một bài toán khó mà chính ông cũng không thể giải đáp, và ông đã kinh ngạc khi thấy Enrico cho biết kết quả đúng.
Mặc dù trong gia đình không có một ai khuyến khích Enrico Fermi theo con đường khoa học, nhưng từ nhỏ ông đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến toán học và vật lý. Không ai biết được chính xác lần đầu tiên Fermi quan tâm đến khoa học từ khi nào nhưng căn cứ vào một số thông tin thông qua Enrico Persico - giáo sư vật lý của trường Đại học Tổng hợp Roma và là một người bạn gần gũi của Fermi từ khi ông 14 tuổi, vợ ông - bà Laura Fermi và một loạt cộng sự và bạn bè của ông, đặc biệt là Franco Razetti và nhà vật lý Mỹ gốc Italia Emilio Gino Segre thì khi Fermi khoảng 10 tuổi cậu đã có khả năng hiểu được vì sao đường tròn lại được mô tả bởi phương trình x2 + y2 = R2 mặc dù điều này đòi hỏi ở cậu một sự cố gắng trí tuệ rất lớn.
Năm 13 tuổi, nhờ sự giúp đỡ của kỹ sư Amidei, một người bạn tốt bụng của gia đình Fermi, cậu đã tìm được con đường đúng đắn trong khoa học. Amidei có quyền tự hào là người đã phát hiện ra những khả năng phi thường của Fermi và có ảnh hưởng to lớn, mang tính quyết định đến sự phát triển sau này của Fermi. Kỹ sư Amidei là một người rất chu toàn. Sau khi Fermi qua đời, Segre đã đề nghị Amidei kể lại những bước đi đầu tiên của Enrico trong khoa học và Amidei đã đưa ra (41 năm sau) những tư liệu cực kỳ chính xác và có giá trị đối với lịch sử khoa học cho phép hiểu được một số yếu tố quan trọng trong sự hình thành nhân cách vĩ đại của Fermi.
Bức thư của Amidei gửi cho giáo sư Segre nói về một giai đoạn trong cuộc đời của Fermi từ mùa thu năm 1914 đến mùa thu năm 1918 đã giúp người đọc hiểu được một phần nào cuộc đời của nhà bác học vĩ đại này. Bức thứ viết:
...Năm 1914 tôi là người phụ trách thanh tra trong bộ Giao thông đường sắt. Tôi làm việc cùng thanh tra trưởng Alberto Fermi. Sau giờ làm việc chúng tôi thường cùng đi về nhà. Cậu con trai của bạn tôi tên là Enrico Fermi hầu như luôn luôn đi theo chúng tôi. Cậu bé thường xuyên gặp cha mình sau giờ làm việc. Cần phải nói ngay rằng tôi đã học toán và vật lý một cách hết sức nghiêm chỉnh. Enrico luôn đặt ra cho tôi các câu hỏi. Khi đó cậu mới 13 tuổi, còn tôi 37 tuổi.
Tôi nhớ rõ câu hỏi đầu tiên của cậu ấy:
- Có đúng là có tồn tại một môn hình học, trong đó những tính chất hình học quan trọng có thể được chứng minh mà không cần sử dụng đến những hiểu biết về đo lường không?
Tôi đã trả lời rằng điều này hoàn toàn đúng và bộ môn hình học đó được gọi là hình học xạ ảnh.
- Nhưng các kĩ sư sử dụng những tính chất này trong thực tế bằng cách nào? - Cậu hỏi tiếp.
Câu hỏi trên hoàn toàn có lí. Sau khi kể cho cậu bé về một số tính chất đã được ứng dụng thành công trong kĩ thuật tôi hứa ngày hôm sau đem cho cậu ấy mượn một cuốn sách về hình học xạ ảnh.
Sau một vài ngày Enrico nói với tôi rằng cậu đã nghiên cứu kỹ ba bài học đầu tiên và hứa trả lại cuốn sách ngay sau khi đọc xong nó. Khoảng chừng sau đó 2 tháng cậu ấy trả lại cho tôi cuốn sách. Tôi hỏi cậu ấy có gặp khó khăn gì khi đọc cuốn sách của tôi không thì cậu ấy trả lời, không có khó khăn nào cả và cậu ấy đã chứng minh được toàn bộ các định lí và dễ dàng giải tất cả các bài tập (trong sách có hơn 200 bài tập).
Tôi rất đỗi ngạc nhiên: chính tôi biết rằng trong số các bài toán đó có những bài tôi phải bỏ bởi vì đòi hỏi quá nhiều thời gian. Nhưng tôi khẳng định rằng Enrico đã giải hết những bài toán đó. Điều hoàn toàn rõ ràng là trong thời gian rỗi sau khi đã chuẩn bị xong bài tập cho các môn học ở trường, cậu đã nghiên cứu một cách hoàn chỉnh hình học xạ ảnh và dễ dàng giải được các bài toán phức tạp. Tôi còn khẳng định một điều là Enrico có năng khiếu kì lạ trong lĩnh vực hình học. Khi tôi nói điều này với cha của cậu thì ông ấy trả lời rằng ở trường Enrico được đánh giá là một học sinh tốt và chỉ có thế.
Sau này tôi biết rằng Enrico đã học toán và vật lý qua các cuốn sách ngẫu nhiên khác nhau mà cậu ấy đã mua trong các hiệu sách cũ. Đặc biệt cậu ấy hi vọng tìm thấy trong các cuốn sách đó một lý thuyết giải thích chuyển động hồi chuyển của con quay. Nhưng cậu đã không tìm được cách giải thích hiện tượng này. Mặc dù, vậy khi quay trở lại bài toán đó nhiều lần cậu bé đã tự mình tiếp cận đến cách giải thích bản chất chuyển động hồi chuyển của con quay. Tuy nhiên, tôi đã nói với cậu ấy rằng chỉ có thể giải thích hiện tượng đó bằng cách nắm vững cơ học lý thuyết. Nhưng để nghiên cứu được môn học này đòi hỏi phải có những kiến thức về các môn học như lượng giác, đại số, hình học và phép tính vi phân... Enrico đã đồng ý với tôi và tôi đã đưa cho cậu ấy những cuốn sách có thể đem lại cho cậu ấy những ý tưởng mới và một cơ sở toán học vững chắc.
Enrico nhận thấy giải tích vectơ rất lí thú, hữu ích và không phức tạp lắm. Từ tháng 9 năm 1917 đến tháng 7 năm 1918 cậu ấy cũng đã tìm hiểu một số công việc của người kỹ sư qua những cuốn sách mượn của tôi.
Tháng 7 năm 1918 Enrico đã học xong chương trình phổ thông trung học ba năm chỉ trong có hai năm và đã nhận được bằng tốt nghiệp. Một vấn đề đặt ra là cậu có định theo học ở trường Đại học Tổng hợp Roma hay không? Tôi đã thảo luận với cậu ấy nhiều lần về chủ đề này. Tôi đã hỏi cậu ấy muốn gắn đời mình với toán học hay vật lý? Câu trả lời của cậu ấy là:
- Cháu say mê toán bởi vì cháu xem nó là sự chuẩn bị cần thiết để sau này nghiên cứu vật lý mà cháu dự định sẽ hiến dâng toàn bộ đời mình cho nó.
Lúc đó tôi hỏi cậu ấy là kiến thức vật lý đủ sâu rộng như kiến thức toán học của mình hay chưa?
- Cháu biết vật lý sâu rộng nhất bởi vì cháu đã đọc những cuốn sách nổi tiếng nhất về môn học này. - Cậu ấy đáp.
Tôi cũng khẳng định một điều là Enrico chỉ cần đọc một cuốn sách một lần nhưng có thể hiểu nó một cách thấu đáo. Chẳng hạn, tôi còn nhớ một lần cậu ấy trả lại cho tôi cuốn sách mà cậu ấy đã đọc về phép tính vi phân. Tôi đề nghị cậu ấy giữ lại nó trong một năm để sử dụng. Câu trả lời của Enrico thật đáng kinh ngạc:
- Cảm ơn bác! Cháu không cần tới cuốn sách đó nữa, cháu đã nhớ toàn bộ những gì cần thiết rồi. Một vài năm nữa cháu vẫn còn nhớ rất rõ các ý tưởng trong sách mà cháu đã đọc và nếu cháu cần đến công thức nào cháu có thể dễ dàng dẫn ra nó.
Ngoài khả năng khoa học kì lạ Enrico còn có một trí nhớ tuyệt vời.
Thời gian trôi qua cho đến khi tôi quyết định đưa ra đề nghị với cậu ấy về kế hoạch của mình. Đó là Enrico cần theo học không phải trường Đại học Tổng hợp Roma mà là trường Đại học Tổng hợp ở Pisa. Trước đó, phải vượt qua kì thi tuyển tại trường Đại học Sư phạm ở Pisa và sau đó kết hợp việc học ở trường này với việc đến nghe giảng tại trường Đại học Tổng hợp. Enrico đồng ý với kế hoạch của tôi và quyết định theo đuổi nó mặc dù cậu ấy hiểu rằng cha mẹ mình sẽ phản đối.
Tôi nhanh chóng lên đường đến Pisa để tìm hiểu thông tin và chương trình cần thiết về kỳ thi tuyển tại trường Đại học Sư phạm. Sau đó tôi quay trở lại Roma để thảo luận với Enrico. Tôi tin chắc Enrico cũng đã biết đủ về các môn học liên quan với toán học và vật lý. Và đúng như vậy. Enrico không chỉ thi đỗ mà còn đỗ thủ khoa của kỳ thi tuyển vào trường Đại học Sư phạm năm ấy.
Mùa thu năm 1918, Enrico theo kế hoạch của kỹ sư Amidei đã theo học đồng thời tại trường Đại học Sư phạm Pisa và tại khoa Toán lý của trường Đại học Tổng hợp Pisa. Tất cả các trường đại học tổng hợp của Italia đều không tổ chức kỳ thi tuyển vào trường, chỉ cần có bằng tốt nghiệp trung học và dĩ nhiên có đủ tiền để trả học phí là được vào. Để được nhận vào học tại trường Đại học Sư phạm đòi hỏi phải vượt qua một kỳ thi tuyển tương đối khó, nhưng bù lại, sinh viên của trường này có thể đồng thời học tại trường Đại học Tổng hợp mà không phải trả tiền. Sinh viên của trường Đại học Sư phạm tự động là sinh viên của trường Đại học Tổng hợp nhưng tham dự phụ thêm các bài giảng và sêmina tại trường Đại học Sư phạm.
Trường Đại học Sư phạm ở Pisa do Napoleon thành lập vào năm 1813 theo kiểu mô hình trường Đại học Sư phạm ở Paris. Nó là trường đại học miễn phí duy nhất ở Italia. Mặc dù trên danh nghĩa trường có nhiệm vụ cung cấp giáo viên cho các trường phổ thông trung học, nhưng nhiều sinh viên tốt nghiệp thuộc các khoa khoa học xã hội và nhân văn cũng như các khoa khoa học tự nhiên đã lựa chọn con đường nghiên cứu và trở thành những nhà khoa học xuất sắc. Điều đó đã nâng cao uy tín của trường. Đặc biệt hầu như tất cả các nhà toán học Italia nổi tiếng đều là cựu sinh viên của trường này.
Trong kỳ thi tuyển vào trường, Enrico phải trình bày sự hiểu biết của mình theo chủ đề “Đặc tính và nguyên nhân của âm thanh”. Bài luận của Enrico khi đó mới ở tuổi mười bảy đã thể hiện trình độ hiểu biết sâu sắc của ông về vật lý cổ điển. Chỉ cần nói rằng không phải tất cả các sinh viên tốt nghiệp khoa vật lý của các trường đại học tổng hợp (chứ chưa nói tới các học sinh tốt nghiệp phổ thông trung học). Có thể viết được một bài luận trong đó sử dụng cả đến phương pháp Fourier khi giải phương trình vi phân của thanh dao động, như Enrico đã làm. Enrico kể lại rằng vị giám khảo của kỳ thi đã thực sự kinh ngạc trước bài luận văn của cậu và cho là trong đời ông chưa bao giờ gặp một trường hợp nào tương tự như thế.
Enrico Persico kể, tài năng đặc biệt của Enrico về các môn khoa học chính xác đã được biểu lộ từ rất sớm; khi cậu mới 14 tuổi. Cậu không chỉ là một “vua toán vua lí” như các bạn học của cậu vẫn gọi mà cậu còn là một người thông minh theo kiểu hoàn toàn khác với tất cả các cậu bé “thông minh” và học sinh xuất sắc điển hình mà tôi đã gặp... Trong lĩnh vực toán học và vật lý, cậu thể hiện sự hiểu biết một khối lượng kiến thức lớn hơn nhiều so chương trình ở trường phổ thông, hơn nữa những hiểu biết đó không phải là những thứ học vẹt mà được cậu sử dụng một cách hoàn toàn thuần thục. Đối với cậu ngay lúc đó sự hiểu biết một định lí hay một định luật trước hết là phải biết sử dụng nó.
Ngoài các môn khoa học tự nhiên, Enrico thuộc lòng khá nhiều bài thơ, nhưng phần lớn là do trí nhớ hiếm có của ông chứ không phải do yêu thích thi ca. Enrico cho biết, nguồn chính cung cấp cho ông vốn văn hóa chung là quyển Bách khoa thiếu nhi nhiều tập bằng tiếng Italia. Đó là một bộ sách khá hay và được minh họa bằng nhiều hình vẽ với màu sắc rực rỡ dành cho thanh thiếu nhi. Điều này xác nhận rằng, ngoài các lĩnh vực toán học và vật lý ra, những mối quan tâm của Enrico dù sao vẫn còn nhiều hạn chế.
Thời bấy giờ tại thành phố Pisa, có Hội Reale Scuola Normale Superiore cấp dưỡng ăn, ở và thuyết trình nhiều bài khảo cứu đặc biệt cho các sinh viên có tài đang theo học tại trường Đại học Pisa. Enrico Fermi được một người bạn của cha khuyến khích thi vào Hội này. Trong kỳ thi này, Enrico đã viết một bài về “dây đàn” và bài này được Hội đồng Giám khảo chấm là xuất sắc.
Năm cuối cùng của trường đại học, Enrico nổi tiếng tài giỏi về môn vật lý, khiến cho một vị giáo sư đã phải nhờ anh chỉ dẫn về lý thuyết mới. Enrico đã giảng giải cho ông thầy của mình hiểu rõ về thuyết Tương đối của Einstein. Enrico cũng viết nhiều bài khảo cứu về điện động lực học theo thuyết tương đối.
Năm 1922, Enrico Fermi nạp Luận án Tiến sĩ khảo cứu về quang tuyến X. Kiến thức của Enrico khiến vài vị giám khảo phải cau mày vì khó chịu, một số khác lại ngạc nhiên vì chính họ cũng chưa hiểu rõ vấn đề. Vì thế, khi được trao văn bằng Tiến sĩ, Enrico Fermi không được vị nào trong bảy vị giám khảo bắt tay hay khen ngợi, và luận án của ông cũng không được phổ biến.
Từ lâu, Enrico Fermi vẫn ưa thích khảo cứu ngành Vật lý nguyên tử. Không lâu sau khi có văn bằng Tiến sĩ, Enrico Fermi đạt được học bổng của chính phủ Italia để theo học tại trường Đại học Gottingen - nước Đức, trong 8 tháng. Tại trường đại học này, Enrico đã học với giáo sư Max Born và làm quen với các nhà vật lý Werner Heisenberg và Wolfgang Pauli, sau đó, về nước và giảng dạy toán. Năm 1924, theo lời khuyên của giáo sư George E. Uhlenbeck, Enrico Fermi đã tới trường Đại học Leiden để theo học giáo sư Paul Ehrenfest.
Khi Enrico từ nước Đức trở về và đã giảng dạy tại trường Đại học Florence Fermi đã gặp gỡ Laura Capon, con gái của một sĩ quan hải quân. Laura gốc người Do Thái, đang theo học năm thứ hai của trường đại học và cũng yêu thích khoa học. Chính trong thời kỳ trăng mật trên núi Alpes, Enrico đã dạy Vật lý cho Laura và nhờ vậy, sau này bà đã giúp chồng rất đắc lực trong việc soạn thảo các sách giáo khoa khiến cho ngân quỹ gia đình bớt eo hẹp. Nhờ Laura mà các sách do Enrico viết ra, trở nên dễ hiểu đối với các sinh viên trung bình.
Từ năm 1926, Enrico Fermi dạy Vật lý tại trường Đại học Roma. Ba năm sau, ông trở thành viện sĩ trẻ nhất của viện Hàn lâm Hoàng gia. Thời kỳ này, Enrico bắt đầu khảo cứu thực nghiệm về lý thuyết nguyên tử.
Enrico Fermi đã cho phổ biến vào năm 1926 khám phá quan trọng đầu tiên, có tên là “thống kê quantum”. Ngày nay, ngành học này được gọi là ngành thống kê Fermi- Dirac. Khám phá này của Enrico Fermi đã dẫn tới sự hiểu biết một số đặc tính quan trọng của lý thuyết về chất khí, về electrons trong kim loại dẫn điện, electrons không đóng góp vào các nhiệt đặc biệt của vật chất, cùng các hiện tượng khác của nguyên tử (atom).
Enrico Fermi cũng giải đáp nhiều bài toán về nguyên tử, phân tử, và phép đo quang phổ hạt nhân. Công trình của Enrico Fermi được giới khoa học thời kỳ này ca ngợi nhất, đó là lý thuyết phân rã hạt nhân bêta, đây là phần bổ túc cho lý thuyết phân rã hạt nhân alpha của George Gamow, R. W. Gurney và Edward U. Condon.
Khác với Frédéric và Irène Curie tại Pháp đã sử dụng các tia alpha để bắn vào các nguyên tử aluminium, Enrico Fermi lại dùng đạn bắn là các neutrons để xem xét các tính chất phóng xạ xuất hiện tại những chất bị bắn vỡ. Neutrons là thứ không mang điện lượng, nên dễ dàng bắn trúng nhân nguyên tử. Nguồn cung cấp neutrons là radium, là thứ rất đắt tiền mà không một nhà vật lý nào có thể mua nổi. Nhưng nhờ may mắn, văn phòng Y tế Roma vào thời bấy giờ có một gam thứ kim loại quý này và Enrico được phép sử dụng nó. Đồng thời, ông cũng tìm ra được phương pháp chế tạo máy phát hiện đếm Geiger dùng để khám phá các chất phóng xạ.
Enrico đã đặt ra nguyên tắc khoa học để lấy các neutrons như sau:
1/ Dùng chất radium là chất phóng xạ có trọng lượng nguyên tử 226. Chất này phát huy ra các tia alpha và sinh ra hơi radon. Mảnh alpha chính là nhân nguyên tử hélium có trọng lượng nguyên tử là 4. Vậy hơi radon có trọng lượng nguyên tử là 222.
2/ Lấy tia alpha bắn vào chất beryllium, người ta sẽ lấy được một thứ tia không bị ảnh hưởng của từ tính: đó là những mảnh vật chất có tên là neutron.
Enrico đã tìm cách làm giảm tốc độ cực nhanh của neutron bằng cách cho chúng chạy qua một chất điều hòa Ông đã tiên đoán khi neutron nhập vào một nhân nguyên tử, nhân này hoặc trở nên bấp bênh rồi vỡ ra để hóa thành hai chất đồng vị phóng xạ, hoặc trở nên ổn định, khi đó sẽ có một chất đồng vị mới, nặng hơn. Bằng cách này, người ta có thể tạo ra những chất nặng hơn uranium.
Enrico Fermi đã khám phá thấy các neutron chậm tạo ra một loại phản ứng trong khi các neutrons nhanh lại gây nên loại phản ứng khác. Việc tìm ra các tính chất đặc biệt của neutrons chậm là khám phá then chốt của ngành vật lý neutron.
Kết quả chính xác của những điều tiên đoán lý thuyết và của những công trình khảo cứu thực nghiệm của Enrico Fermi đã mang lại cho ông giải Nobel Vật lý năm 1938, về: “cách nhận định các chất phóng xạ mới do cách bắn bằng neutron chậm”.
Thời bấy giờ, phong trào “bài Do thái” đang lan tới nước Italia. Vì lo sợ cho sự an toàn của vợ và hai con, Enrico Fermi đã mang gia đình sang Thụy Điển trong dịp nhận giải Nobel, rồi sau đó, ông sang Mỹ ngày 02 tháng 01 năm 1939, nhận giảng dạy tại phân khoa Vật lý của trường Đại học Columbia. Với sự trợ giúp của Herbert L. Anderson, Enrico Fermi đã dùng các tia neutrons trong máy Cyclotron để kiểm chứng lại lý thuyết về phân hạch tử của chất uranium.
Trước khi Enrico sang Mỹ một năm, ba nhà bác học Otto Hahn, Fristz Strassmann và Lise Meitner đã nghiên cứu lại các thí nghiệm của Enrico Fermi thực hiện tại Rome vào năm 1934. Từ công cuộc khảo cứu này, Lise Meitner đã tìm thấy lúc phân hạch nguyên tử có khối năng lượng rất lớn phát sinh ra, đúng theo định luật của Einstein. Thời gian này, khi Enrico Fermi gặp Niels Bohr, Bohr cho biết ông quyết định ở lại Mỹ vài tháng để bàn luận nhiều vấn đề khoa học với Einstein. Enrico Fermi cũng kể cho Niels Bohr biết cả về phản ứng dây chuyền. Phản ứng này có thể ví như sự cháy nổ của một tràng pháo khi chỉ đốt một ngòi pháo khởi đầu, và theo lý thuyết, khi một gam uranium nổ theo phản ứng này, năng lượng sinh ra có thể tương đương với nhiều triệu kilô chất nổ TNT.
Có thể nói, các công trình nghiên cứu của Enrico thuộc đủ các lĩnh vực của vật lý hiện đại như vật lý nguyên tử và hạt nhân, cơ học thống kê, vật lý bức xạ vũ trụ, vật lý năng lượng cao, vật lý thiên văn và vật lý kỹ thuật. Năm 1925, độc lập với nhà vật lý Anh - Paul Adrien Maurice Dirac, ông đã đề xuất thống kê của các hạt có spin bán nguyên. Trong những năm 1933 - 1934 ông xây dựng lý thuyết cho hiện tượng phân rã bêta, đặt cơ sở cho lý thuyết tương tác yếu. Năm 1934, Enrico phát hiện hiện tượng phóng xạ nhân tạo và xây dựng lý thuyết cho hiện tượng đó. Công trình này của ông đã được trao tặng giải thưởng Nobel vật lý năm 1938.
Sau khi sang Mỹ, ông nghiên cứu sự phân hạch của hạt nhân nguyên tử urani và là người chủ trì công trình xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới (1942). Năm 1943, ông tham gia đề án chế tạo bom nguyên tử đầu tiên của Mỹ. Sau chiến tranh, Enrico tập trung nghiên cứu các vấn đề vật lý năng lượng cao. Năm 1949, ông cùng với nhà vật lý Mỹ gốc Trung Quốc Dương Chấn Ninh đưa ra mô hình đầu tiên của hạt sơ cấp.
Enrico là một trong những người sáng lập Viện Hàn lâm Hoàng gia Italia và là viện sĩ của nhiều viện hàn lâm khoa học trên thế giới. Ông đã xây dựng nên một trường phái vật lý mạnh ở Chicago.
Trong cuộc đời nghiên cứu khoa học của ông, ông đã quan tâm nhiều đến vật lý thống kê và lượng tử, đã có đóng góp quyết định cho sự phát triển của vật lý thống kê và lý thuyết lượng tử của chất rắn. Nguyên tố thứ 100 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học mang tên là fermi (Fm) nhằm ghi nhớ công lao vĩ đại của EnricoFermi, người đã mở cánh cửa đi vào thế kỷ nguyên tử của loài người.
Fermi đã nghiên cứu một biến thể mới của cơ học thống kê dựa trên cơ sở nguyên lý loại trừ Pauli. Cơ học thống kê như một trong những chuyên ngành lớn nhất của vật lý là mô tả các vật vĩ mô, nghĩa là các hệ bao gồm một số lớn các hạt (phân tử, nguyên tử, electron) giống nhau, qua tính chất của các hạt đó và tương tác giữa chúng. Theo nguyên lý Pauli, hai hạt đồng nhất với spin bán nguyên không thể đồng thời nằm trong cùng một trạng thái. Điều đó dẫn tới với sự giảm của nhiệt độ những hạt như thế (được gọi là các fermion) liên tục lấp đầy các trạng thái với năng lượng khả dĩ thấp nhất. Ở nhiệt độ tuyệt đối bằng không, có các trạng thái lấp đầy và trạng thái trống mà giới hạn giữa chúng được gọi là mức Fermi.
Đầu những năm 30 của thế kỷ XX, Fermi tập trung nghiên cứu hạt nhân nguyên tử. Năm 1933, ông đề xuất lý thuyết phân rã bêta. Lý thuyết này cho phép giải thích bằng cách nào hạt nhân tự phát ra các electron và các nơtrino (các hạt này có khối lượng rất nhỏ, không có điện tích và lúc đó chưa được thực nghiệm phát hiện) khi đó đóng vai trò như thế nào. Pauli đã giả thiết sự tồn tại của những hạt như thế, còn Fermi nghĩ ra tên gọi (nơtrino chỉ được thực nghiệm phát hiện vào năm 1956). Lý thuyết phân rã bêta của Fermi đề cập đến một loại lực mới được gọi là lực hạt nhân yếu. Về cường độ, lực yếu nhỏ hơn đáng kể so với lực hạt nhân mạnh gắn kết các nucleon tạo nên hạt nhân nguyên tử.
Vào những năm 20 của thế kỷ XX, người ta cho rằng nguyên tử chứa hai loại hạt tích điện: các proton tích điện dương có trong thành phần hạt nhân và các electron tích điện âm quay xung quanh hạt nhân. Các nhà vật lý rất muốn biết hạt nhân có chứa hạt không có điện tích hay không. Các thực nghiệm tốt nhất tập trung phát hiện hạt trung hòa điện đạt và vào năm 1932 người ta đã phát hiện ra nơtron. Fermi ngay lập tức đánh giá được giá trị của nơtron như công cụ rất mạnh dùng để kích hoạt các phản ứng hạt nhân. Các nhà thực nghiệm đã thử bắn phá các nguyên tử bằng các hạt tích điện nhưng để thắng được lực đẩy Coulomb, các hạt tích điện cần được tăng tốc trên các máy gia tốc mạnh đắt tiền. Thực vậy, các electron bay tới bị đẩy bởi các electron của nguyên tử, còn các proton và các hạt anpha bị đẩy bởi hạt nhân nguyên tử vì các điện tích cùng dấu đẩy nhau. Vì nơtron không có điện tích nên không cần tới các máy gia tốc.
Sự tiến bộ đáng kể trong việc tạo ra các phản ứng hạt nhân đã đạt được vào năm 1934 khi các nhà vật lý Pháp Jean Frédéric Joliot-Curie và Irèn Joliot-Curie đã khám phá ra phóng xạ nhân tạo. Khi chiếu các hạt anpha vào các hạt nhân bo (B) và nhôm (Al), họ lần đầu tiên tạo ra các đồng vị phóng xạ mới của các nguyên tố đã biết. Khi tiếp tục công việc được mở đầu bằng các nghiên cứu này, Fermi và các cộng sự của ông ở Roma đã dùng nơtron để chiếu vào mỗi một nguyên tố. Fermi hi vọng thu được các đồng vị phóng xạ mới nhờ sự kết hợp của các nơtron với các hạt nhân. Thành công đầu tiên đạt được khi bắn phá flo (F) và sau đó thu được các muối của các đồng vị phóng xạ mới. Khi bắn phá nguyên tố urani (U)92 - nguyên tố nặng nhất có mặt trong tự nhiên - Fermi và nhóm của ông thu được một hỗn hợp phức tạp của các đồng vị. Phân tích hóa học không phát hiện được trong hỗn hợp đó bất cứ đồng vị nào của uranii lẫn các đồng vị của nguyên tố lân cận. Hơn nữa, các kết quả phân tích đã loại trừ sự có mặt của tất cả các nguyên tố với các nguyên tử số từ 86 đến 91. Chính bản thân Fermi cũng không biết được rằng mình đã gây ra sự phân chia hạt nhân urani, tức là hiện tượng một hạt nhân nặng vỡ ra thành hai hoặc nhiều mảnh có khối lượng cỡ như nhau.
Vài tháng sau khi tiến hành các thực nghiệm đó, năm 1935 Fermi đã phát hiện được rằng nếu làm chậm các nơtron bằng cách cho chúng đi qua nước hoặc parafin thì chúng làm cho các phản ứng hạt nhân hoạt động mạnh hơn. Sự làm chậm của các nơtron có thể được giải thích dễ dàng bởi những va chạm của chúng với các hạt nhân hiđro (các proton) có số lượng lớn trong các môi trường đó. Trong khi va chạm, một phần đáng kể động năng của các nơtron được truyền cho các proton vì khối lượng của các hạt này gần như bằng nhau.
Enrrico Fermi đã chứng minh được sự tồn tại của các nguyên tố phóng xạ mới thu được khi dùng nơtron bắn phá hạt nhân và liên quan đến nó là phát minh phản ứng hạt nhân gây ra bởi nơtron chậm. Cùng với những phát minh xuất sắc của mình, Fermi còn được mọi người thừa nhận về tài nghệ của một nhà thực nghiệm, khả năng sáng tạo và trực giác tuyệt vời, cho phép đem lại ánh sáng mới cho vấn đề cấu trúc hạt nhân và mở ra những chân trời mới đối với sự phát triển tương lai của những nghiên cứu nguyên tử.
Ngay sau khi nhận giải thưởng Nobel, Fermi sang định cư ở Mỹ. Ở đây ông bắt đầu biết đến phát minh của nhà hóa học Đức - Otto Hahn, nhà vật lý Đức - Lise Meitner và nhà hóa học Đức - Fritz Strassmann về sự phá vỡ hạt nhân urani khi chiếu nơtron vào nó. Các nhà vật lý bắt đầu thảo luận về khả năng của phản ứng dây chuyền. Nếu mỗi khi nơtron phá vỡ nguyên tử urani phát ra các nơtron mới thì khi chúng va chạm với các nguyên tử urani khác lại sinh ra các nơtron mới và cứ thế tạo thành một phản ứng dây chuyền không tắt. Vì ở mỗi lần phân chia hạt nhân urani tỏa ra một lượng lớn năng lượng nên phản ứng dây chuyền kèm theo việc giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Như vậy, urani là một kho tích lũy năng lượng tự nhiên mà nó có thể được sử dụng cả cho mục đích hòa bình lẫn mục đích chiến tranh.
Fermi đã lãnh đạo việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân làm bằng các tấm graphit đầu tiên trên thế giới. Urani và oxit urani được đặt giữa các tấm này, còn chất làm chậm phản ứng là các thanh cadimi (Cd) mà chúng hấp thụ mạnh các neutron. Những thanh này được từ từ đưa ra khỏi vùng hoạt động của lò phản ứng. Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới bắt đầu hoạt động vào ngày 2 tháng 12 năm 1942.
Sau khi chiến tranh thế giới thứ hai chấm dứt, Enrico Fermi trở lại trường Đại học Chicago. Ông là giáo sư vật lý tại viện Khảo cứu nguyên tử. Ông tiếp tục nghiên cứu thêm về neutrons và khảo sát mesons.
Enrico Fermi qua đời vì bệnh ung thư dạ dày vào ngày 29 tháng 11 năm 1954, khi ông mới 53 tuổi. 12 ngày trước khi ông từ trần, Ủy ban Nguyên tử Mỹ đã trao tặng ông một phần thưởng đặc biệt về công lao đóng góp của ông.
Sau khi ông mất, Luigi Einaudi, Tổng thống nước Italia đã gửi điện chia buồn tới bà Fermi: “Nước Italia cúi đầu và thành kính tưởng nhớ một nhân vật xuất sắc, đã thấu triệt các bài toán vật lý nguyên tử và ghi tên mình vào lịch sử bằng sự tiến bộ của khoa học”.
Fermi là một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất của thế kỷ XX. Ông còn được xem là nhà lý luận thiên tài. Suốt cuộc đời ông đã có đến hơn 250 luận văn khoa học được công bố. Ngoài ra, Fermi còn là một nhân vật hết sức quan trọng trong việc phát minh ra bom nguyên tử.
Fermi đã được các trường đại học: Utrecht, Heidelberg, Columbia, Yale, Washington, Rockford trao bằng danh dự. Năm 1947, ông đã được Học viện Frankling tại Philadenphia trao tặng huy chương Frankling. Tới năm 1950 ông được trường Đại học Columbia trao tặng huy chương Barnard.