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Em setembro de 1920, Fermi ingressou no Instituto de Física. Como só havia, além de Fermi, mais dois estudantes nesse departamento, Puccianti deixava-os usar o laboratório livremente para os fins que desejassem. Fermi decidiu então que deviam começar a pesquisar a [[cristalografia de raios-X]]. Os três estudantes trabalharam para produzir uma Fotografia de Laue - uma fotografia de um cristal feita por raios-X.
 
Em 1921, seu terceiro ano na universidade, publicou os seus primeiros trabalhos científicos no periódico italiano ''Il Nuovo Cimento''<ref>[http://www.sif.it/SIF/en/portal/journals/ncc Revista publicada pela Sociedade Italiana de Física]</ref>. O primeiro foi intitulado: "Sobre a dinâmica de um rígido sistema de cargas elétricas em condições transientes" <ref>''Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in modo transitorio''</ref>; o segundo: "Sobre a eletrostática de um campo gravitacional uniforme de cargas eletromagnéticas e sobre o peso de cargas eletromagnéticas" <ref>''Sull'elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche''</ref>. Um sinal de que as concepções na Física estavam a mudar foi que a massa começou, então, a ser expressa como um [[tensor]], uma ferramenta matemática usada, geralmente, para descrever algo que se move e varia no espaço tridimensional. Na [[mecânica clássica]], a massa é uma grandeza escalar, mas na [[relatividade]] ela muda com a velocidade. Usando a relatividade, Fermi provou que uma carga possui um peso igual a U/c², sendo U a energia do sistema e c a velocidade da luz. Porém, à primeira vista, a primeira publicação parecia apontar para uma contradição entre a teoria eletrodinâmica e a relativística em relação ao cálculo das massas eletromagnéticas, visto que o valor anteriormente previsto era de 4/3 U/c². Um ano depois, com um trabalho intitulado "Correção da discrepância entre a teoria eletrodinâmica e um relativista de cargas eletromagnéticas<ref>''Correzione di una grave discrepanza fra la teoria elettrodinamica e quella della relativistica delle masse elettromagnetiche. Inerzia e peso dell'elettricità''</ref>, Enrico Fermi mostrou que essa discrepância era consequência da relatividade. Esta publicação teve tanto sucesso que foi traduzida para o [[língua alemã|alemão]] e publicada no famoso periódico científico [[alemanhaAlemanha|alemão]] ''"[[Physikalische Zeitschrift]]"''<ref>"Jornal de Física"</ref>.
 
Em 1922 publicou o seu importante trabalho científico no periódico italiano ''I Rendiconti dell'Accademia dei Lincei'' intitulado "Sobre os fenômenos que ocorrem nas proximidades de uma linha de mundo" <ref>''Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria''</ref>). Nesse artigo, Fermi examinou o [[Princípio da equivalência|Princípio da Equivalência]] e introduziu as chamadas Coordenadas de Fermi. Ele provou que, para uma linha de mundo próxima a uma linha do tempo, o espaço comporta-se como um [[Espaço euclidiano|Espaço Euclidiano]]. Finalmente, em 1922, Fermi recebeu o seu diploma de graduação na Scuola Normale Superiore ao apresentar a sua tese chamada "Um teorema de probabilidade e suas aplicações", obtendo [[laurea]] com impressionantes 21 anos. Nessa época, a física teórica ainda não era considerada uma disciplina na Itália, portanto a única tese aceita seria de física experimental. Por isso, Fermi usou imagens de [[Difração de raios X|difração de raios-X]] para enriquecer seu trabalho. Os físicos italianos também levaram algum tempo para assimilar as ideias da relatividade geral vindas da [[Alemanha]].