Другой вакантной кафедры по математической физике не было, и Ферми пришлось остаться во Флоренции. В 1926 году, когда Корбино решил перетащить его в Рим, Ферми все еще не имел прочного положения, хотя теперь у него было еще больше оснований претендовать на него, так как за этот год имя его приобрело широкую известность. Он опубликовал свою статистическую теорию «О квантовании идеального одноатомного газа»; эта работа заняла видное место среди многих заслуживающих внимания работ, способствовавших развитию теоретической физики.
Ферми уже несколько лет интересовался некоторыми статистическими проблемами — поведением молекул, атомов и электронов, а также распределением энергии при радиоактивном излучении. Он много занимался вопросом поведения гипотетического идеального газа. Ему никак не удавалось установить законы, которым подчиняется такой газ. По-видимому, он что-то упускал из виду, без чего нельзя было прийти к решению, и он никак не мог додуматься, что бы это такое могло быть.
Научные проблемы редко бывают обособлены, решение какой-нибудь одной задачи обычно связано с решением целого ряда других. Уже свыше десяти лет теоретические изыскания были посвящены подробному изучению атома и законов, которым он подчиняется, ибо, только установив это, можно было внести порядок и ясность в нагромождение разноречивых экспериментальных данных. Это было время, когда все кричали об атомной физике и новые теории, новые принципы и точки зрения, освещающие по-новому старые понятия, появлялись на страницах печати и с необычайной быстротой сменялись другими.
В 1925 году физик Вольфганг Паули, уроженец Австрии, изучая энергию атомных электронов, вращающихся вокруг ядра, открыл свой принцип запрета[7], который, если говорить не очень точно научным языком, гласит следующее: на каждой из орбит, расположенных вокруг ядра, может находиться только один электрон. Ферми тотчас же применил этот принцип к идеальному газу.
В тот период у Ферми оставалось много времени для размышлений. Физические лаборатории Флорентийского университета были расположены в Арчетри, на том знаменитом холме, где проходили последние годы Галилея и где он скончался. Ферми, поступив внештатным преподавателем во Флорентийский университет, поселился в Арчетри. Вместе со своим другом Разетти он охотился на гекко — маленьких, совсем безобидных ящериц, о которых в Италии существует поверье, будто в них вселяются злые духи. Ферми и Разетти, наловив ящериц, предвкушали, с каким удовольствием выпустят они их в столовой и какой поднимется переполох среди прислуживающих девушек.
Они по целым часам, не произнося ни слова, лежали ничком на траве, вооружившись длинными стеклянными палочками с маленькой шелковой петлей на конце. Погрузившись в терпеливое ожидание, Разетти наблюдал крохотный мир, раскинувшийся перед его глазами: тонкий стебелек пробивающейся травы, муравья, хлопотливо волочащего соломинку, зажатую в челюстях, луч света, проскользнувший по стеклянной палочке. Но Ферми не был естественником, и его не интересовал этот микроскопический мирок. Уставясь глазами в землю и держа наготове лассо, чтобы успеть накинуть его, едва покажется гекко, он сосредоточенно думал. Какой-то почти подсознательный процесс мысли позволил ему нащупать связь между принципом Паули и теорией идеального газа. И вот откуда-то из недр подсознания внезапно вынырнуло то недостающее звено, которое так долго ускользало от Ферми: два атома газа не могут двигаться с совершенно одинаковой скоростью, или, на языке физиков, в каждом из квантовых состояний, возможных для атомов идеального одноатомного газа, может находиться только один атом. Этот принцип позволил Ферми разработать метод для вычисления поведения газов, получивший название «статистика Ферми». А эти результаты в свою очередь были потом использованы и другими физиками для объяснения целого ряда явлений, связанных с теплопроводностью и электропроводностью металлов.
Статистика Ферми только что появилась в печати, когда Корбино поднял вопрос об открытии кафедры теоретической физики. Ученый совет поддержал его предложение, и Корбино благодаря своему авторитету и влиянию быстро добился приказа министерства просвещения. Конкурс на замещение новой кафедры был объявлен летом 1926 года, и Ферми прошел по нему первым. Вторым прошел старый приятель Ферми — Энрико Персико, который получил кафедру во Флоренции, а третьим — Алидо Понтремоли, который два года спустя погиб в Ледовитом океане во время злополучной итальянской экспедиции на Северный полюс. Ферми получил кафедру в Риме и с октября начал читать лекции.