В 1921 году Корбино (к тому времени уже сенатор) стал министром просвещения Италии. Подчиненное ему министерство ежегодно проводило конкурс для молодых ученых-естественников, победитель которого получал стипендию. В 1922-м этот конкурс выиграл Энрико Ферми, и Корбино очень быстро оценил талант молодого ученого, которого принял под свое покровительство.
Благодаря полученной стипендии и покровительству Корбино Ферми едет в Германию, в Геттинген, который тогда называли «европейской научной Меккой». Там с января по август 1923 года он стажируется у знаменитого физика-теоретика, впоследствии лауреата Нобелевской премии Макса Борна (1882–1970), в то время возглавлявшего отделение теоретической физики Геттингенского университета (фигура Борна оказала немалое влияние и на становление отца кибернетики Норберта Винера).
В Геттингене Энрико знакомится с блестящими молодыми физиками-теоретиками Вольфгангом Паули, Вернером Гейзенбергом, Паскуалем Иорданом, которым, в отличие от Ферми, посчастливилось учиться у выдающихся ученых Арнольда Зоммерфельда и Макса Борна. Но, как ни странно, пребывание в Геттингене и встреча с этими звездами физического мира не принесли Ферми, по его словам, особенной пользы.
Что могло послужить тому причиной? Пожалуй, отсутствие тогда в Италии крупной теоретической школы. Вокруг Ферми просто не было физиков, с которыми он мог бы общаться на равных и с которыми, по его словам, мог бы сравнивать себя. У молодого ученого возникла привычка работать, полагаясь только на себя, используя лишь книги и научные работы для консультации.
В августе 1923 года Ферми возвращается из Геттингена в Рим, где Корбино предоставляет ему временную работу на химическом факультете Римского университета и обещает при первой же возможности сделать его постоянным сотрудником. В течении года Энрико читает для химиков и естественников курс математики. В том же, 1923 году он пишет статью по теории атомных столкновений – эссе «Масса в теории относительности», где среди прочего рассматривалась возможность высвобождения ядерной энергии. Статья была опубликована на итальянском и немецком языках.
В августе 1924 года Ферми получил из фонда Рокфеллера трехмесячную стипендию для поездки в Голландию, в Лейденский университет. Туда его пригласил выдающийся физик-теоретик Пауль Эренфест (1879–1933), обратив внимание на публикации ученого. Исследования по статистической механике и спектроскопии, проводившиеся в Лейдене, были очень близки интересам Ферми. С сентября по декабрь 1924 года он стажировался у Эренфеста. Именно тогда Энрико, по собственным словам, обрел наконец столь необходимую уверенность в себе. Впоследствии Ферми рассказывал своим сотрудникам, что Эренфест оказал огромное влияние на развитие современной физики не столько своими классическими работами, сколько педагогической в широком смысле слова деятельностью, то есть научным воздействием на коллег. Эренфест был хорошо знаком и дружил со всеми крупнейшими физиками – от Нильса Бора, Альберта Эйнштейна, Хендрика Лоренца и Макса Планка до Вернера Гейзенберга и Вольфганга Паули. И вот, обнаружив у Ферми дар крупного физика, выдающийся ученый не замедлил сказать ему об этом.
Ферми всегда стремился к конкретности во всем, к упрощению, выделению главного. В условиях научной изоляции, о которой мы говорили раньше, конкретность была необходима, поскольку оценить важность своей работы молодой физик мог только с помощью результатов не слишком отвлеченного характера. Его теории почти без исключения созданы для того, чтобы объяснить, скажем, поведение определенной экспериментальной кривой, «странности» данного экспериментального факта и т. д. Не исключено, что черты, присущие Ферми (неприятие малейшей неясности, исключительный здравый смысл), помогая ему в создании многих фундаментальных теорий, в этих условиях помешали прийти к таким теориям и принципам, как квантовая механика, соотношение неопределенностей или принцип Паули.
Может возникнуть подозрение, что прохладное отношение Ферми к абстрактным и вообще формалистическим работам было вызвано его недостаточным знакомством с математическим аппаратом. Во всех его работах математический аппарат вполне адекватен решаемой задаче, при этом ученый всегда избегал излишнего формализма, но, если это требовалось, был готов использовать самые абстрактные методы.
Ради простоты Ферми часто удовлетворялся достаточно грубым приближением. Хорошим примером этого служит его оценка граничных условий при диффузии тепловых нейтронов. Ферми показал, что полученная на основе решения одномерной задачи простая оценка может после небольшой модификации дать достаточно точный результат и для реального случая трехмерной диффузии нейтронов. А поскольку этот вопрос имел большое значение в период создания атомной техники, то на точном его решении были сконцентрированы усилия больших научных коллективов. И что же? Мало того, что точное решение оказалось довольно сложным математически – в практически важных случаях оно очень мало отличалось от результата Ферми!
В январе 1925 года, вернувшись из Лейдена, двадцатитрехлетнего ученого назначили «временным» (нештатным) профессором Флорентийского университета, и он приступил к чтению лекций по математической физике и механике.
Флорентийский период (январь 1925 – сентябрь 1926 года) был очень важным в жизни Ферми. Задачи, которые тогда увлекали его, стали вскоре научной классикой.
В декабре 1925-го молодой физик, независимо от англичанина Поля Дирака, разработал новую разновидность статистической механики для частиц с полуцелым спином (эти частицы получили характерное название «фермионы»). Статистика, впоследствии названная статистикой Ферми – Дирака, позволяла успешно описывать поведение электронов, а позднее была применена к протонам и нейтронам. Она стала одной из основ физики элементарных частиц, дала возможность лучше понять электропроводность металлов и привела к построению более эффективной модели атома.
Основное значение статистики Ферми – Дирака заключается в том, что она стала ключом к пониманию свойств электронов в металлах. Но и другие применения статистики ученого весьма многочисленны, что иллюстрируется большим количеством терминов, вошедших в физическую и астрофизическую литературу, таких как «газ Ферми», «Ферми-жидкость», «поверхность Ферми», «метод Томаса – Ферми», «фермиевские импульсы» нуклона в ядре и т. д. Талантливый физик развивал эффективный приближенный метод расчетов многоэлектронных атомов (в квантовой, как и в классической, механике задачи многих тел физики умеют решать лишь приближенно).
