Fermi

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Dessin de Fermi

Fermi le théoricien

Enrico Fermi dans ses jeunes années
Enrico Fermi dans ses jeunes années

Enrico Fermi (1901-1954) donne l’exemple rarissime d’un théoricien de premier plan se muant brutalement en expérimentateur de premier plan, Fermi avait une passion pour la clarté, le quantifiable, et abhorrait les considérations philosophico-scientifiques. « Un mécanicien quantique » selon l’expression de Pauli.

Fermi commença à se faire un nom dès 1925 en établissant la statistique quantique de Fermi-Dirac, qui donne le nombre N(E) de particules d’énergie E dans un équilibre thermodynamique de température T.

N(E) = 1/[exp(E/T) + 1]

Elle s’applique aux particules de spin demi-entier, comme les électrons ou les protons, et elle complète la statistique de Bose-Einstein, introduite par Bose en 1920 pour les photons et généralisée aux atomes par Einstein en 1924, qui s’applique aux particules de spin entier, comme les photons. Ces deux classes de particules sont aujourd’hui appelées fermions et bosons. La statistique de Fermi-Dirac explique pourquoi beaucoup moins d’électrons contribuent à la capacité calorifique d’un métal qu’à sa conductivité électrique Pour E<T, la distribution est très différente de celle de Maxwell-Boltzmann, et de celle de Bose-Einstein.

Distribution de Fermi-Dirac
Distribution quantique de Fermi-Dirac, comparée à celle de Bose-Einstein: à haute température (vers la droite du diagramme) les deux distributions approchent de la distribution classique de Maxwell-Boltzmann
Corbino
Orso Mario Corbino (1876-1937)

Le directeur de l’Institut de physique de Rome, Corbino, était un scientifique éminent mais également un homme politique important (il fut sénateur et plusieurs fois ministre) et il occupa d’importantes responsabilités industrielles (il fut, entre autres, directeur de la Compagnie générale d’électricité). Il voulut faire de Rome un centre de recherches important en physique, et il obtint en 1926 la création à l’Université de Rome «La Sapienza» de la première chaire de physique théorique en Italie, attribuée au jeune Enrico Fermi. La seconde fut attribuée l’année suivante à son ami d’enfance Enrico Pèrsico (1900-1969), à l’Université de Florence.

Fermi voulait introduire en Italie la physique quantique et la relativité. Pour pallier l’absence de manuel moderne de physique en Italie, il écrivit pendant l’été de 1927 un court traité Introduzione alla fisica atomica, malheureusement démodé dès sa sortie car, basé sur la théorie de Bohr-Sommerfeld, il faisait à peine mention des travaux de Schrödinger et de Heisenberg. Avec Corbino, Rasetti, Pèrsico, il écrivit aussi plusieurs articles largement diffusés présentant les théories modernes de la physique.

Emilio Segrè, Enrico Persico et Enrico Fermi sur une plage près de Rome
Emilio Segrè, Enrico Persico et Enrico Fermi sur une plage près de Rome

À Rome, en 1932-1933, existait une importante activité théorique autour de Fermi, et de jeunes théoriciens étrangers. Hans Bethe (1906-2005), George Placzek (1905-1955), Edward Teller (1908-2003), y firent alors de longs séjours. Gian-Carlo Wick (1909-1992), après un séjour à Göttingen et à Leipzig, devint en 1932 l’assistant de Fermi. Après un poste à Palerme en 1937, puis à Padoue, il revint en 1940 à Rome, puis partit en 1946 aux États-Unis à Berkeley (où il établit le théorème de Wick), Princeton, Brookhaven et Columbia en particulier.

Un autre jeune théoricien prometteur, Ettore Majorana (1906-1938), après des premiers travaux en spectroscopie, publia en 1932 un article (passé presque inaperçu car écrit en italien) sur la théorie relativiste des particules de spin quelconque. Il interpréta immédiatement en janvier 1932 les résultats des Joliot-Curie sur le « rayonnement pénétrant de Bothe et Becker » comme la signature d’un « proton neutre », le neutron, mais il ne publia rien malgré le conseil de Fermi. Celui-ci le poussa à partir en 1933 rencontrer Heisenberg à Leipzig et Bohr à Copenhague, et il y mit au point une théorie des forces nucléaires allant au delà de celle d’Heisenberg. Mais à son retour à Rome à l’automne, il s’isola du monde, n’apparaissant que rarement à l’Institut. Il mit au point l’équation de Majorana (décrivant les spineurs de Majorana), que Fermi lui imposa quasiment en 1937 de publier dans la revue italienne Il Nuovo Cimento. Cela n’eut guère d’impact sur le moment, et c’est Pontecorvo en révéla, après la guerre, toute l’importance par ses travaux majeurs sur les neutrinos. Nommé professeur à Naples en 1937, il disparut l’année suivante lors d’une traversée de Palerme (son ami Segrè était professeur à Palerme, mais à ce moment là il se trouvait à Berkeley) à Naples, provoquant nombre de théories sur les conditions et les motifs de cette disparition : suicide (ce que pensaient Amaldi et Segrè), assassinat, retraite dans un monastère (théorie de Sciascia)…

Fermi et la transmutation ß

En décembre 1933, Fermi exposa sa théorie de la transmutation bêta à ses amis au cours de vacances de ski dans les Alpes. Selon lui, au cours d’une transmutation bêta un neutron se transformait en proton en émettant un électron et un neutrino (aujourd’hui plutôt appelé antineutrino). À cette époque, il n’était pas clair pour tous les physiciens que le neutron était une particule aussi fondamentale que le proton, et non un état très étroitement lié d’un proton et d’un électron (selon l’idée initiale de Rutherford) d’où l’électron serait éjecté lors de la transmutation. En d’autres termes, l’électron préexistait-il à la transmutation, ou était-il créé à ce moment là ? Fermi considéra le neutron comme fondamental et l’électron comme créé – ainsi que le neutrino – à l’instant de la transmutation. Pour décrire ce phénomène, il établit une analogie avec l’émission et l’absorption des photons. Ceux-ci étaient créés ou détruits, ils ne préexistaient pas à leur création et ils disparaissaient à leur destruction. Il imagina que, de la même façon,

électrons ou neutrinos peuvent être créés et peuvent disparaître. […] l’hamiltonien […] doit être choisi de telle sorte qu’à chaque transition d’un neutron à un proton soit associée la création d’un électron et d’un neutrino.

Et inversement.

Théorie de Fermi de la transmutation bêta
Théorie de Fermi de la transmutation bêta

L’idée était dans l’air, avancée par Iwanenko en 1932, par Perrin en 1933, mais elle n’était pas formalisée. Fermi, lui, calqua directement l’interaction entre un courant de matière jµ (ici le courant neutron-proton) et un potentiel électromagnétique Aµ en remplaçant le photon (Aµ) par une paire électron-neutrino.

La constante de couplage avait comme dimension l’inverse du carré d’une masse, alors qu’en électrodynamique la constante de couplage était sans dimension (1/137). À quoi correspondait cette masse n’était pas clair du tout, car elle était cent fois plus grande que celle du proton. Cette masse énorme, pour l’époque, était responsable de la faiblesse et de la très courte portée de cette nouvelle interaction, l’interaction faible. Dans la reformulation moderne de la théorie ß de Fermi en théorie quantique des champs, effectuée dans les années 1960 par Glashow, Weinberg et Salam, cette masse est celle des bosons de jauge W et Z découverts en 1981 au CERN.

Fermi pouvait désormais calculer la relation entre la durée de vie d’un noyau par transmutation bêta et l’énergie de cette transmutation, ainsi que la distribution d’énergie de l’électron. La théorie de Fermi, par sa relation entre quanta et champs, inspira celle de Yukawa pour l’interaction forte.

Soumis à Nature, son article « Tentative theory of beta rays » fut rejeté, et Fermi le publia en italien « Tentative di una teoria dell’emissione dei raggi beta » dans la Rivista Scientifica, peu lue en dehors de l’Italie, mais le gouvernement italien imposait alors que tous les articles scientifiques soient publiés en italien. Depuis le début de sa carrière, Fermi publiait donc toujours en italien, mais il publiait parallèlement, en anglais dans Nature ou en allemand dans le Zeitschrift, les articles qu’il pensait importants pour leur assurer une diffusion bien plus grande. Son article sur la transmutation bêta parut ainsi dans le Zeitschrift. Il suivait la même politique de publication pour ses élèves et ses collaborateurs : leur nombre de publications était important pour les carrières et les promotions en Italie, mais l’attention des physiciens étrangers n’était attirée que sur les articles majeurs apportant du prestige. Après l’arrivée d’Hitler au pouvoir en 1933, les articles annonçant des résultats importants furent adressés à Nature. En dehors de l’italien, évidemment, Fermi parlait couramment l’allemand, et lisait sans difficulté le français et l’anglais (en particulier dans les livres et articles scientifiques), et il améliora son anglais parlé après avoir émigré aux USA.

Fermi n’est plus jamais revenu sur la question par la suite, passant brutalement, avec un grand succès, à la physique expérimentale (ce qui lui valut les chaudes félicitations de Rutherford). Dès mars 1934 cependant, Giancarlo Wick, l’assistant de Fermi à Rome, étendit cette théorie de la transmutation bêta moins à la transmutation bêta plus que venaient de découvrit les Joliot-Curie. Werner Heisenberg appliqua la théorie de Fermi à « sa » force nucléaire, notant qu’elle induisait une interaction échangeant le proton et le neutron (un diagramme de Feynman à une boucle en langage plus moderne), mais la trouva trop faible de deux ordres de grandeur. Il fallut quelque temps avant qu’il soit admis que l’interaction nucléaire « faible » de Fermi était totalement indépendante de l’interaction nucléaire « forte » qui assemble protons et neutrons pour former des noyaux.

Fermi l’expérimentateur

Théoricien de tout premier plan, Fermi fut également un extraordinaire expérimentateur: il inventa pratiquement l’activation neutronique (par ex: Co 59 → Co 60 → Ni 60)

Activation neutronique
Activation neutronique

Transuraniens

Neutrons lents

Il réalisa la première réaction en chaîne (Chicago Pile 1) le 2 décembre 1942.

Le premier réacteur nucléaire opérationnel; CP-1
Le premier réacteur nucléaire opérationnel; CP-1
Le premier réacteur nucléaire opérationnel; CP-1
Le premier réacteur nucléaire opérationnel; CP-1

Fermi et le calcul numérique

Il se fit également une grande réputation de calculateur.

La « méthode à la Fermi » est restée célèbre, avec l’exemple toujours cité de son estimation du nombre d’accordeurs de piano à Chicago (5 millions d’habitants → 50 000 pianos, chacun accordé tous les 2 ans [500 j] → 100 accordements par jour → ~ 50 accordeurs).

Il fut un pionnier du calcul numérique, tant pour la structure électronique dans les années 1930, avec des calculatrices mécaniques, que pour la diffusion des neutrons dans les années 1940, avec des calculatrices électromécaniques, puis électroniques. En attendant la mise au point de l’Eniac, l’un des premiers calculateurs électroniques, il inventa un calculateur analogique surnommé le « Fermiac » :

Le « Fermiac »
Le « Fermiac »

Contact: lettreani
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