Ферми стал изучать квантовую теорию излучения летом 1929 года, познакомившись с работами Дирака. Он сконцентрировался на взаимодействии между электронами и электромагнитными полями, а также на процессах излучения и поглощения фотонов в области, названной квантовой электродинамикой. Она объясняет взаимодействия между фотонами и заряженными фермионами, теорию квантовых электромагнитных полей, создание и разрушение частиц. В серии статей, опубликованных между 1929 и 1932 годами, Ферми сформулировал описание заряженных частиц в магнитных полях с позиций теории относительности, представив частицы с точки зрения уравнения Шрёдингера и не прибегая к квантовому формализму Гейзенберга или Паули. В своей «Интерпретации принципа причинности в квантовой механике» (1930) Ферми трактовал с позиций квантовой механики тот факт, что будущие события не полностью детерминированы. Он подчеркнул, что в перспективе важнее неуверенность в определении физических состояний, чем узкий взгляд на временное развитие пространства событий. В его рассуждениях прослеживался интеллектуальный переход от классической физики к современной.
На схеме представлены основные типы элементарных частиц, составляющие материю (слева) и являющиеся носителями взаимодействий (справа). Элементарные частицы и их взаимодействие управляют Вселенной. Под названием частиц — носительниц взаимодействий указаны области физики, их изучающие. Гравитоны еще не классифицированы.
В природе существует четыре основных вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое. Гравитационное взаимодействие происходит между частицами, обладающими массой, оно было описано Ньютоном. Электромагнетизм — взаимодействие между частицами с электрическим зарядом посредством электромагнитного поля. Сильное взаимодействие (или сильное ядерное взаимодействие) позволяет кваркам соединяться и образовывать адроны, то есть ядра атомов. Слабое взаимодействие (или слабое ядерное взаимодействие) — причина изменений «ароматов» кварков и лептонов; другими словами, оно отвечает за трансформацию кварков и лептонов в более легкие частицы и бета-распад, как объяснил Ферми. Электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое, сегодня изучают в рамках так называемой стандартной модели. Целью теоретической физики является описание этих четырех взаимодействий как аспектов единой силы, но для этого необходимо экспериментально доказать существование гравитона.
Действительно, в своей первой работе «О квантовой электродинамике» (1929) он отталкивался от классической электродинамики, а потом сделал резкий переход к теории квантов. В последующих работах Ферми пытался сформулировать теорию электромагнитного излучения, которая не противоречила бы квантовой механике. В 1932 году он опубликовал блестящую статью «Современная физика. Новая антология», в которой заложил основы современной квантовой электродинамики, с поразительной простотой объясняя сложнейшую область науки. Ричард Фейнман всегда говорил об этой работе как об одном из столпов, на котором он построил современную квантовую электродинамику.
Когда американский физик немецкого происхождения Ханс Бете (1906-2005) приехал в Рим по стипендии Фонда Рокфеллера (престиж группы Ферми был так велик, что он начал принимать студентов), то был поражен способностью Ферми анализировать сложнейшие задачи, а затем решать их точными математическими методами. В 1932 году Бете и Ферми написали совместную работу «О взаимодействии двух электронов», в которой рассказывали о поведении фермионов в зависимости от обмена фотонами.
В начале 1929 года наиболее распространенная атомная модель представляла ядро с протонами А и электронами A-Z. То есть в ней были представлены электроны на орбиталях вокруг ядра и электроны в самом ядре вместе с протонами. Необходимо было выяснить, какой статистике подчинялось ядро: Бозе — Эйнштейна или Ферми — Дирака.