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La vie d’Enrico Fermi, un génie de la physique

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Fermi

Enrico Fermi est l’un des physiciens les plus réputés du XXe siècle. Ses découvertes dans le monde des atomes ont grandement participé à l’élaboration de la bombe atomique. Il est également resté dans l’Histoire pour avoir soulevé l’un des plus grands paradoxes connus à ce jour : le paradoxe de Fermi concernant l’existence ou non d’une vie extraterrestre. Pour comprendre les raisons qui ont fait de lui, un des plus grands scientifiques du monde moderne, Études Tech te retrace son parcours.

Les premiers pas dans le monde de la physique

Fermi

Enrico Fermi naît à Rome, le 29 septembre 1901. Malgré un fort catholicisme en Italie, au début du XXe siècle, Fermi ne reçoit pas d’éducation religieuse et très rapidement, il se tourne vers les sciences. Il étudie la physique en latin dans de vieux ouvrages. À 17 ans seulement, il est admis à l’École Nationale Supérieure de Pise. L’exposé qu’il propose impressionne tellement les membres du jury qu’ils vont demander une vérification afin d’être bien certain que l’intégralité du contenu soit issue du cerveau prodigieux de Fermi.

Les études supérieures sont donc une simple formalité pour Enrico Fermi. Comme beaucoup de grands scientifiques, il en profite donc pour se perfectionner dans d’autres domaines. Ainsi, il étudie seul les mathématiques et la physique rhétorique. Il publie plusieurs essais sur la relativité et la physique quantique. Cependant, à l’instar de Niels Bohr, ses théories sont moyennement admises par la communauté scientifique parce qu’elles sont trop différentes des courants de pensée de l’époque. Fermi va donc publier une nouvelle version de ses essais plus facile à appréhender. Il n’apprécie pas totalement ces nouvelles publications et pourtant elles rencontrent un franc succès auprès de ses professeurs.

À la fin de ses études, il souhaite travailler à Rome, mais le sénateur Corbine, le directeur de l’institut de physique de la ville, l’envoie en Allemagne, à Göttingen, afin qu’il se perfectionne. Là-bas, il publie des articles sur la physique statistique, puis il rejoint l’institut de physique de Leyde. Néanmoins, suite à un différend avec Niels Bohr, il rentre en Italie.

La carrière de Fermi en Italie

La loi statistique Fermi-Dirac

De retour à Rome, il étudie l’atome et les électrons avec son équipe de scientifiques. Enrico Fermi met au point une loi statistique nommée « statistique de Fermi-Dirac ». Cette loi est applicable à l’ensemble des fermions. Ces derniers constituent l’une des deux classes principales de particules subatomiques composantes de notre univers. Ces fermions (dont le nom a été donné d’après Fermi) prennent la forme d’un spin demi-entier. Ils sont fondamentaux dans la composition de la matière telle que nous la connaissons. Ces fermions regroupent les neutrons, les protons et les électrons tout en respectant le principe d’exclusion de Pauli. Celui-ci dit que deux fermions similaires ne peuvent pas occuper simultanément le même état quantique dans un système donné. Par conséquent, chaque élément physique d’un atome possède des propriétés uniques.

Enrico Fermi a été acclamé par la communauté scientifique pour cette trouvaille et cela lui a permis de devenir un des physiciens les plus influents de son temps.

Ses liens avec Mussolini

Lorsqu’Enrico Fermi met au point sa célèbre statistique, nous sommes en 1929. À cette période, l’Europe commence à être gangrénée par les États totalitaires et c’est le cas de l’Italie. Mussolini profite de l’influence grandissante de Fermi pour en faire un outil de propagande. Il le nomme donc au sein de son académie. Le scientifique rejoint ensuite le Parti communiste italien. Cependant, rien ne prouve qu’il vouait une adoration pour Mussolini, la suite de son histoire aura plus tendance à montrer l’inverse. Néanmoins, cette adhésion lui permet de bénéficier d’un fonds de recherche plus important pour son laboratoire. Ainsi, il peut travailler sans avoir à se soucier des financements ou de l’attitude qu’il doit adopter vis-à-vis du pouvoir en place.

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Le Prix Nobel d’Enrico Fermi : une erreur ?

Le travail d’Enrico Fermi sur l’uranium

Comme beaucoup de physiciens, Enrico Fermi se plonge dans l’énergie atomique, un pan de la physique qui se démocratise et qui aboutira à la bombe nucléaire en 1945. Fermi cherche à créer un élément plus lourd que l’uranium et ses 92 protons. Pour ce faire, il bombarde des noyaux d’uranium de neutrons et il se dit que l’uranium finira bien par absorber un neutron grâce à la radioactivité β qui se transformera en proton. Par conséquent, l’uranium donnera naissance à un nouvel élément avec 93 protons que Fermi nommé « l’ausénium » et un second nouvel élément à 94 protons nommé « hespérium ». Cependant, le physicien n’est pas certain que son expérience soit un succès. En effet, il constate qu’il se passe de nouvelles choses à une échelle radioactive, mais il est impossible de prouver qu’il s’agit bel et bien de nouveaux éléments chimiques.

La théorie de Fermi réfutée

En 1938, Enrico Fermi reçoit le Prix Nobel de physique. Cependant, dans le même temps, Otto Hahn, un physicien allemand, répète l’expérience de Fermi. Il se rend compte que cela ne donne pas du tout de l’ausénium et l’hespérium comme le supposait Fermi, mais deux isotopes plus légers ressemblant à du Baryum. L’entourage d’Otto Hahn cherche une explication physique au problème suivant : comment de l’uranium peut donner du baryum ? À l’époque, cela n’a aucun sens. Après mûre réflexion, Otto Hahn et son équipe concluent qu’Enrico Fermi a réalisé, sans le savoir, la toute première fission nucléaire. Cette découverte est attribuée au physicien allemand, lui aussi considéré comme un pionnier du nucléaire.

L’explication de l’imprécision commise par le physicien

Pour comprendre pourquoi la théorie de Fermi n’était pas exacte, il faut se pencher sur les propriétés de l’uranium. Cet élément radioactif se compose de deux isotopes : l’uranium 235 et l’uranium 238. Le 235 est plus rare, mais plus fissile. C’est cet isotope que l’on retrouvera plus tard dans la bombe atomique d’Hiroshima. Lorsque Fermi réalise son expérience visant à créer un élément radioactif plus lourd que l’uranium, il ne modifie pas les propriétés de l’uranium 238, mais il entraîne une fission de l’uranium 235 sous la forme de baryum 140, un élément inconnu à cette époque.

Le physicien italien a reconnu son imprécision, mais il rappelle que si son expérience a été acceptée, c’était parce que personne ne parvenait à prouver qu’elle était fausse en dépit du manque de preuve chimique. Otto Hahn et Fritz Strassmann reçoivent le Prix Nobel en 1944 pour leur découverte de la fission nucléaire.

Cependant, l’histoire de l’expérience de Fermi n’est toujours pas finie. En effet, si celle-ci était inexacte, elle n’était pas fausse. Plus tard, deux scientifiques, Glen Seaborg et Edwin McMillan parviennent à reproduire l’expérience de Fermi et découvrent l’élément 93 qu’ils vont nommer le neptunium et le 94, le plutonium.

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Son départ vers les États-Unis

Sa participation au projet Manhattan

Pendant son histoire concernant son expérience sur l’uranium, Enrico Fermi doit quitter l’Italie avec sa femme Laura afin d’éviter tout problème découlant de la confession juive de cette dernière. Le couple rejoint les États-Unis et Enrico Fermi part enseigner à Chicago. La découverte de la fission nucléaire par Otto Hahn a l’effet d’une bombe au sein de la communauté scientifique. Tous les plus éminents cerveaux de la planète comprennent que l’Allemagne Nazie sera bientôt en mesure de créer une arme surpuissante, la bombe atomique. Cependant, le gouvernement américain ne semble pas sensible à cette nouvelle. En effet, la Seconde Guerre mondiale ne les concerne pas alors pourquoi irait-il investir de l’argent dans un conflit auquel il ne participe même pas ? Cependant, l’attaque de Pearl Harbor en 1941 va tout changer. Les États-Unis entrent en guerre et s’activent à la création d’une bombe atomique avec la mise en place du plus grand projet militaire de l’Histoire : le projet Manhattan. L’université de Chicago devient un point central de la recherche.

Deux bombes nucléaires étaient à l’étude. La première avec une fission à l’uranium et la seconde avec une fission du plutonium découlant de la désintégration de l’uranium 238. C’est le développement de cette seconde bombe qui a été confiée à Fermi et à l’université de Chicago. En 1942, il parvient à obtenir la première réaction en chaîne contrôlée dans une pile en graphite. L’étape suivante est donc de confectionner la bombe.

Son arrivée à Los Alamos

En 1944, Enrico Fermi rejoint Los Alamos, au Nouveau-Mexique, pour assister Robert Oppenheimer dans la conception de la bombe atomique. En juillet 1945, il est partisan, avec Oppenheimer, du largage des bombes sur le Japon. Selon eux, c’est le seul moyen de mettre fin à la guerre. Historiquement, cette idée est fausse, le Japon aurait capitulé même sans le largage de Fat Man et Little Boy.

Néanmoins, contrairement au père de la bombe atomique, Enrico Fermi n’éprouve aucun scrupule après le déploiement des deux bombes. Il rejoint la commission atomique, en 1950, visant à créer la bombe H, une bombe atomique bien plus puissante que celle larguée en 1945.

Le paradoxe de Fermi

L’exposé du paradoxe

Malgré toutes ses avancées dans le monde scientifique, Enrico Fermi a marqué l’Histoire pour avoir exposé l’un des plus grands paradoxes connus à ce jour. Nous sommes au début des années 1950. Après avoir été l’antre de l’explosion de la première bombe atomique, Trinity, Los Alamos est le théâtre du paradoxe de Fermi. Le célèbre physicien adopte le raisonnement suivant : à l’échelle de l’univers, le système solaire est assez récent et la vie sur Terre est apparue assez tardivement. L’univers comporte des milliards d’étoiles, de systèmes solaires et de planètes propices à la vie. Avec ses plusieurs centaines de milliards d’années d’existence, il devrait forcément y avoir des civilisations qui auraient pu se développer afin de posséder à terme des technologies capables d’effectuer des voyages stellaires. Or, aucune de ces civilisations n’est entrée en contact avec nous. En seulement une centaine d’années, l’Homme a été capable d’aller sur la Lune. Alors, comment se fait-il que nous n’ayons aucune preuve d’une existence extraterrestre ?

Ce raisonnement est le cœur de nombreux questionnements sur notre place au sein de l’immensité de l’univers.

Les théories

Suite à l’exposé de Fermi, de nombreuses théories ont vu le jour. Certaines pour le moins farfelues comme celle qui évoque que les extraterrestres sont déjà venus sur Terre et ont construit les pyramides. Parmi ce flot de théories, certaines sont intéressantes et méritent qu’on y accorde de l’attention.

La vie extraterrestre est trop loin

Lorsque les scientifiques se penchent sur la question du voyage stellaire, ils sont rapidement confrontés à un problème, la vitesse de la lumière. En théorie, il est impossible de la dépasser et comme les galaxies les plus proches se trouvent à plusieurs années-lumière, cela explique pourquoi nous ne pouvons pas les atteindre. Ce même raisonnement pourrait s’appliquer pour les civilisations extraterrestres. Malgré toutes leurs connaissances, jamais elle n’aurait pu dépasser la vitesse de la lumière. Néanmoins, il se pose un nouveau problème. Rien n’oblige ces civilisations d’effectuer le voyage stellaire en une seule fois. En effet, le voyage pourrait être facilité par un système de colonisation successif. L’Homme cherche à aller sur Mars, les extraterrestres pourraient appliquer le même raisonnement pour atteindre des planètes voisines et ainsi de suite. Avec ce système, les scientifiques estiment qu’il faudrait seulement un million d’années pour coloniser un système solaire entier, ce qui ne représente rien à l’échelle de l’univers. Une civilisation extraterrestre aurait forcément dû nous atteindre. Sauf, si sur les planètes nouvellement colonisées, les habitants ne cherchent pas à s’étendre, ce qui réduirait fortement cette colonisation. Par conséquent, la Terre serait dans une zone inexplorée par nos congénères interstellaires.

La vie est rare dans l’univers

Cette deuxième théorie dit que la vie est rare et viendrait conclure qu’il y a une probabilité assez importante pour que nous soyons seuls dans l’immensité de l’univers. En effet, l’apparition et le développement de la vie sur Terre reposent sur un ensemble de coïncidences improbables. Pour que la vie apparaisse sur une planète, il faut qu’elle possède une étoile de taille moyenne et stable située dans une zone paisible de l’univers. Ensuite, une planète qui cherche à abriter la vie doit être rocheuse, avoir une température modérée afin d’avoir de l’eau liquide. L’eau n’est pas présente sur chaque planète, ce qui réduit déjà le nombre d’exoplanètes capables d’abriter la vie. Ensuite, la planète en question doit être à une distance raisonnable de son étoile comme c’est le cas pour la Terre et le soleil. Un autre critère pour abriter la vie, c’est la rotation de ladite planète. Il faut qu’elle soit modérément inclinée afin de répartir correctement la température. Cette planète doit également posséder un satellite naturel capable de stabiliser l’axe de rotation de la planète comme c’est le cas pour la Terre et la Lune. À titre d’exemple, les satellites de Mars, Saturne et Jupiter sont bien trop petits. En parlant de Jupiter, il faut qu’une planète qui cherche à développer la vie possède une planète faisant office de bouclier afin d’empêcher les pluies d’astéroïdes. Pour la Terre, c’est justement Jupiter qui occupe ce rôle.

L’alignement de tous ces critères doit être rarissime et expliquerait pourquoi aucune civilisation extraterrestre n’est entrée en contact avec nous, tout simplement parce qu’elle n’existe pas.

Une extinction des civilisations

Quand on regarde l’histoire de l’humanité, plusieurs fois notre civilisation a failli disparaître à cause de conflits comme ce fut le cas lors de la crise des missiles de Cuba en 1962. Si les êtres humains ont réussi à échapper à la disparition, il n’est pas certain que ce soit le cas pour toutes les autres civilisations, si elles existent. De fait, elles se seraient éteintes avant de nous atteindre.

Les catastrophes naturelles peuvent aussi justifier la disparition d’une civilisation comme ce fut le cas pour les dinosaures. Une troisième théorie qui pourrait justifier l’extinction d’une civilisation, ce serait la prise de pouvoir des intelligences artificielles qui auraient réduit une civilisation au silence, sans volonté de s’étendre à l’échelle de l’univers.

Quel intérêt de partir à notre rencontre ?

Enfin, les extraterrestres n’auraient tout simplement aucune raison de venir nous voir. Imaginons qu’une civilisation soit capable du voyage stellaire et donc de voyager rapidement d’année-lumière en année-lumière, quel intérêt aurait-elle à venir nous rendre visite alors que nous sommes, à leur échelle, un peuple primitif ? De plus, un déplacement vers une planète et une civilisation inconnue, cela ne se fait pas sans risque. Tout d’abord, il faut être certain que la civilisation soit pacifiste, ce qui n’est pas le cas des êtres humains, l’Histoire l’a prouvée. Puis un tel déplacement cela doit engendrer des coûts. Quel intérêt d’organiser un voyage stellaire afin de rencontrer un peuple belliqueux et primitif ? Aucun. Les extraterrestres auraient donc conscience de notre existence, mais n’éprouveraient aucun intérêt à notre égard et c’est pourquoi ils ne seraient jamais venus à notre rencontre.

La fin de vie d’Enrico Fermi

Pour finir sa vie, Enrico Fermi reste à Chicago où il fonde une école orientée vers la physique des particules de haute énergie. Dans cette école, il forme de nombreux futurs Prix Nobel. En 1952, Albert Ghiorso découvre l’élément chimique numéro 100 qu’il va nommer le Fermium en hommage à Enrico Fermi. Le physicien italien décède des suites d’un cancer foudroyant, le 29 novembre 1954, à l’âge de 53 ans. La même année, un prix Enrico-Fermi est créé par le gouvernement américain. Il récompense les scientifiques qui ont hautement contribué au développement, à l’utilisation et à la production d’énergie. Fermi est le premier lauréat et parmi les physiciens récompensés, nous pouvons trouver Ernest Lawrence et Robert Oppenheimer, les deux autres partisans de la bombe atomique.

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