Евгений Теодорович Тамм, отец знаменитого физика, был по профессии инженером-строителем. В 1894 году он вместе со своей женой выехал во Владивосток на строительство Транссибирской железнодорожной магистрали. Через некоторое время там и родился Игорь, старший сын в семье. Позже у него появился брат – Леонид.
В 1898 году, после окончания работы отца, семейство Таммов решило вернуться в Украину. Поскольку они возвращались пароходом, Игорь повидал Японию, Китай, Сиам, Индию, Египет и Турцию. Семья осела в Елисаветграде Херсонской губернии (ныне Кировоград), где его отец многие годы работал инженером и пользовался уважением сограждан. В Елисаветграде мальчика отдали в местную гимназию, которую он окончил в 1913 году.
Еще во время учебы Игорь попал под влияние революционных настроений, царивших в городе. Он всерьез увлекался работами Маркса и всем сердцем возненавидел царизм. Опасаясь за будущее сына, родители отправили его на учебу в престижный Эдинбургский университет в Шотландию. Хотя в Эдинбурге Тамм учился на факультете точных наук, все же ближе его сердцу была политика, а не физика или математика. Он вступил в фабианское общество, посещал политические собрания и митинги. После года обучения Игорь вернулся домой и перевелся на физико-математический факультет Московского университета.
Возвращение Тамма совпало с началом Первой мировой войны. Весной 1915 года Игорь Тамм добровольно пошел на фронт братом милосердия. Он выносил раненых с поля боя, ухаживал за ними и, как он позже сказал, «учился держать себя в руках».
Во время Октябрьской революции 1917 года Тамм активно занимался политической деятельностью. Он даже был избран делегатом от Елисаветграда на Первый Всероссийский съезд Советов в июне 1917 года и состоял во фракции меньшевиков-интернационалистов. Однако Октябрьская революция охладила его политический запал, и Тамм всерьез заинтересовался физикой.
В 1918 году будущий ученый окончил Московский государственный университет и получил диплом физика. В 1919 году он начал преподавать физику в Таврическом университете в Симферополе, с 1921 по 1922 год – в Одесском политехническом институте. В Симферополе Тамм познакомился с выдающимся ученым-физиком Я. И. Френкелем, но всю его дальнейшую научную судьбу определила встреча с гениальным физиком Л. И. Мандельштамом, который был в те годы профессором Одесского политехнического института. Дружественные и тесные научные связи ученые сохраняли до самой смерти Мандельштама в 1944 году.
Еще в сентябре 1917 года Игорь Тамм женился на Наталии Васильевне Шуйской, с которой постоянно переписывался, будучи в Эдинбурге. Жена Тамма происходила из знатной и очень богатой семьи херсонских помещиков. Осенью 1920 года Тамм направлялся в Елисаветград к жене, для чего переехал линию фронта, но был задержан красноармейцами. Только чудо спасло ученого от немедленного расстрела по обвинению в шпионаже со стороны белогвардейцев – он был арестован и препровожден в Харьков.
В 1922 году Тамм переехал в Москву, где начал пристально заниматься теоретической физикой. Еще будучи в Эдинбурге, он писал своей будущей жене, что его больше интересуют теоретические умозаключения, чем практические опыты.
В Москве Тамм начал преподавательскую работу в университете им. Свердлова. Поскольку финансовое состояние семьи Таммов после революции значительно пошатнулось, Игорь Евгеньевич вынужден был писать популярные статьи по физике и переводить книги с английского языка.
С 1922 по 1925 год мир увидел три первых научных публикации Тамма. Наиболее известная работа была выполнена совместно с Леонидом Исааковичем Мандельштамом. В ней ученые подвели итоги серии исследований в области электродинамики анизотропных сред и кристаллооптики в теории относительности.
В 1923 году Тамм перешел на факультет теоретической физики 2-го Московского университета. Впоследствии, с 1927 по 1929 год он занимал там же должность профессора.
В 1924 году Тамма пригласили читать лекции в МГУ, где он состоял в должности приват-доцента физического факультета А через год кафедру теоретической физики Московского государственного университета (МГУ) попросили возглавить Леонида Исааковича Мандельштама. В то время в университете не было профессиональных физиков, и Мандельштам был вызван «поднимать науку». Приезд гениального физика в Москву значительно повысил научный уровень физики в университете.
В 1930 году Тамм стал профессором и занял должность Мандельштама в качестве заведующего кафедрой теоретической физики, которой заведовал до 1937 года. Вокруг Игоря Евгеньевича сплотились оставшиеся ученики «школы Мандельштама» и другие талантливые аспиранты, противники «тимирязевщины».
В 1933 году Тамм получил степень доктора физико-математических наук. В этом же году он был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР. В 1934 году АН СССР переместилась в Москву, и Тамм стал заведующим сектором теоретической физики созданного Физического института им. П. Н. Лебедева АН СССР (ФИАНа). Этот пост ученый занимал до конца жизни.
В августе 1936 года арестовали Бориса Гессена, директора Института физики, близкого друга и однокурсника Тамма по Эдинбургскому университету. Постепенно всех «учеников Мандельштама» начали притеснять в МГУ, и «физическая элита» перешла в ФИАН.
Все эти годы ученый много работал. К тому времени он уже был достаточно известным ученым как в СССР, так и за границей. Он написал знаменитую статью о парамагнетизме атомов, попытался вычислить интенсивность спектральных линий атома, разработал собственный курс «Основы теории электричества». Его работу по теории относительности высоко оценил сам автор теории Альберт Эйнштейн, напечатав ее с лестными отзывами в немецком научном журнале.
На работы Тамма обратил внимание знаменитый австрийско-нидерландский физик Пауль Эренфест, работавший некоторое время в Петербурге. Он выхлопотал для Игоря Евгеньевича стипендию для научной практики в Голландии и Германии.
В 1928 году Тамм поехал за границу. Он побывал в Геттингене у Макса Борна, в Лейдене у Эренфеста, познакомился с Эйнштейном. В Голландии Тамм близко подружился с гениальным физиком-теоретиком Полем Дираком, приехавшим в Лейден. Дирак разработал в эти годы сложную релятивистскую теорию электрона. Большинство работ Тамма того времени также были посвящены релятивистской квантовой механике. В Лейдене он начал работать над электродинамикой вращающегося электрона.
Почти весь 1929 год Тамм работал над единой теорией поля Эйнштейна, пытаясь выяснить поведение электрона. В следующем году Игорь Евгеньевич написал грандиозную работу по рассеянию света в кристаллах. Он представил квантовую теорию процесса, проквантовав упругие колебания, и ввел понятие о звуковых квантах – фононах. Следующей работой Тамма стало фундаментальное исследование рассеяния света на свободном электроне (теория комптон-эффекта). Ученый использовал вторичное квантование поля и обнаружил значения промежуточных состояний электронов, находящихся на отрицательных энергетических уровнях.
Хотя окончательная формула, полученная Таммом, совпала с более ранней формулой Клейна – Нишины, открытие значения отрицательной энергии электрона было огромным вкладом в теорию электрона, предложенную Дираком.
В то время позитрон (тождественная электрону частица, но с позитивным зарядом) еще не был открыт, и многие ведущие физики не приняли теорию Дирака, в частности существование отрицательных энергетических уровней электрона.
Поскольку все электроны, имеющие положительную энергию, должны были переместиться на уровень с наибольшей отрицательной энергией, Дирак и Тамм предполагали, что все уровни с отрицательной энергией были заполнены «дырками», теоретически предрекая наличие позитрона.
Кроме того, Тамм объяснил спиновые свойства электрона, что давало понимание тонкой структуры в спектре атома водорода, предложил специальный облегченный метод вычисления возмущений для дираковской частицы.
В 1930 году Тамм написал еще одну свою знаменитую работу о рассеянии света на двух электронах. В следующем году он вновь поехал за границу, побывал в Кембридже у своего близкого друга Дирака, погостил в Лейдене у Эренфеста.
Еще одной областью физики, заинтересовавшей Тамма, была квантовая теория металлов. Сначала вместе со своим талантливым студентом С. Шубиным ученый заложил основы теории фотоэффекта на металле. Сотрудники объяснили объемный эффект и поверхностный эффект, вызванный световым облучением.
Затем вместе с другим своим учеником, Д. Блохинцевым, Тамм исследовал выход электронов из металла и открыл существование особых энергетических состояний. Впоследствии эти состояния получили название «уровни Тамма». Находясь на одном из таких уровней, электрон не может ни войти внутрь металла, ни вылететь из него. Открытие «уровней Тамма» сыграло важную роль в развитии теории поверхностных и контактных свойств металлов и полупроводников.
Через некоторое время Тамм заинтересовался новой развивающейся областью – ядерной физикой.
Вместе со своим аспирантом С. Альтшулером Тамм на основе обширного экспериментального материала выдвинул предположение, что нейтрон обладает магнитным моментом. Идея Тамма казалась парадоксальной, многие физики отказались ее принять, но через некоторое время ее правота была признана.
В 1934 году гениальный физик Энрико Ферми представил революционную теорию бета-распада. Опираясь на эту теорию, Тамм предположил, что в результате обмена частицами между нуклонами возникают ядерные силы. Ученый провел целую серию расчетов, но оказалось, что хотя в результате обмена действительно возникают силы, но они на много порядков слабее значения, необходимого для объяснения устойчивости ядер.
Свою работу Тамм даже не хотел печатать, поскольку надеялся на совершенно другие результаты. Однако его исследования оказались очень важными. В следующем году японский физик Хидеки Юкава, ссылаясь на работу Тамма, открыл частицы – мезоны, обмен которыми и обеспечивал устойчивость ядра.