Richard Feynman

Richard Phillips Feynman (1918-1988) est un physicien américain, l'un des plus influents de la seconde moitié du , en raison notamment de ses travaux sur l'électrodynamique quantique, les quarks et l'hélium superfluide.

Il reformula entièrement la mécanique quantique à l'aide de son intégrale de chemin (qui généralise le principe de moindre action de la mécanique classique), et inventa les diagrammes qui portent son nom et qui sont désormais largement utilisés en théorie quantique des champs (dont l'électrodynamique quantique fait partie).

Pendant la Seconde Guerre mondiale, il fut impliqué dans le développement de la bombe atomique américaine.

Après la Seconde Guerre mondiale, il enseigna à l'université Cornell puis au Caltech, où il effectua des travaux fondamentaux, notamment dans la théorie de la superfluidité et des quarks.

Sin-Itiro Tomonaga, Julian Schwinger et lui sont colauréats du prix Nobel de physique de 1965 pour leurs travaux en électrodynamique quantique. Vers la fin de sa vie, son action au sein de la commission d'enquête sur l'accident de la navette spatiale Challenger l'a fait connaître du grand public américain.

Pédagogue remarquable et drôle, il est le rédacteur de nombreux ouvrages de vulgarisation reconnus. Parmi ces livres, les Feynman lectures on physics, un cours de physique de niveau universitaire qui, depuis sa parution, est devenu un classique pour tous les étudiants de premier cycle en physique et leurs professeurs. Il raconte aussi ses nombreuses aventures dans plusieurs ouvrages : Surely You're Joking, Mr. Feynman! (paru en français sous le titre Vous voulez rire, monsieur Feynman !) et What Do You Care What Other People Think?.

Biographie

Enfance et études 
Feynman est né le  à Far Rockaway dans le Queens, quartier de New York aux États-Unis. Ses parents, Lucille née Phillips et Melville Arthur Feynman sont d'origine polonaise et russe. De confession juive, ils se rendaient à la synagogue tous les vendredis, mais n'étaient pas très attachés au rituel dans leur pratique religieuse.

Son père, qui l'encourageait à poser des questions et à remettre en cause les choses communément admises, l'a durablement influencé. De sa mère, il tient un solide sens de l'humour, qui ne l'a jamais quitté.

Enfant durant la Grande Dépression, il s'amusait à réparer les radios du voisinage et montrait déjà un talent poussé pour les sciences et les travaux pratiques. Il s'était ainsi constitué un petit laboratoire, dans lequel il s'amusait à pratiquer diverses expériences, notamment électroniques.

Adolescent, il inventa par exemple un système pour couper les haricots, qu'il abandonna après s'être entaillé le pouce.

Il fut brillant tout au long de ses études secondaires, apprenant à 15 ans le calcul différentiel et intégral dans un livre que lui avait donné son professeur de mathématiques, constatant que celui-ci s'ennuyait au fond de la classe, et causait du chahut. Il continua à expérimenter et à réinventer pour lui des théories mathématiques, comme les dérivées fractionnaires à l'aide de ses propres notations.

Études universitaires 
Durant sa dernière année à la , Feynman remporta le championnat de mathématiques de l'université de New York. Il reçut donc une bourse pour étudier au Massachusetts Institute of Technology (MIT) où il obtint sa licence en 1939 après s'être orienté d'abord en électronique, puis en mathématiques, et enfin avoir assisté à tous les cours de physique offerts y compris  un cours de physique théorique, réservé aux étudiants de maîtrise.

Feynman obtint un score remarquable aux examens d'entrée de l'Université de Princeton en mathématiques et en physique, mais il eut une note très faible dans la partie littéraire de l'examen.

Durant ses études à l'Institute for Advanced Study de Princeton (IAS) (créé depuis peu), Feynman travailla sous la direction de John Wheeler sur le principe de moindre action appliqué à la mécanique quantique. Il établit là les bases des diagrammes de Feynman et de l'approche de la mécanique quantique par les intégrales de chemin. Il obtint son doctorat en 1942. Pendant qu'il préparait sa thèse, il épousa sa première femme, Arline Greenbaum (une amie d'enfance), atteinte de la tuberculose, maladie incurable à l'époque.

Le projet Manhattan 

Feynman était encore thésard, lorsque le physicien Robert R. Wilson l'encouragea à rejoindre le projet Manhattan (le projet de bombe atomique américaine entrepris durant la Seconde Guerre mondiale et basé à Los Alamos). Feynman affirma qu'il acceptait de joindre ses efforts à l'aventure, afin d'aider à éviter que l'Allemagne nazie parvienne la première à construire la bombe. Il s'immergea dans le travail au sein du projet, qui mêlait aux scientifiques américains la fine fleur de la physique européenne ayant fui le fascisme, tels Enrico Fermi ou Niels Bohr, et qui connut le succès quelques mois plus tard, avec l'explosion de la première bombe A sur le site de Trinity. Feynman assista au test et prétendit être la seule personne à avoir regardé l'explosion sans les lunettes noires distribuées à tout le monde : le pare-brise d'un camion aurait suffi à filtrer les dangereux rayons ultraviolets émis lors de l'explosion.

Comme jeune physicien, son travail sur le projet fut relativement éloigné des enjeux majeurs et consista d'abord à administrer le travail du groupe de calcul de la Theorical division ; en particulier, il mit en place avec Nicholas Metropolis un système de calcul utilisant les cartes perforées Hollerith d'IBM. Feynman se fit aussi remarquer en résolvant une des équations du projet qui était affichée sur un tableau (les équations affichées au tableau posaient problème et représentaient une sorte de défi), néanmoins sa solution ne fut pas retenue, car elle ne rendait pas compte physiquement des expériences.

Feynman travailla aussi à Los Alamos sur le calcul des équations modélisant le flux de neutrons à l'intérieur du «Water Boiler», un petit réacteur nucléaire d'essai. Il s'agissait de mesurer à quel moment de l'assemblage du matériel fissile on atteignait la masse critique. Après ce travail, il fut transféré aux installations d'Oak Ridge, où il aidait les ingénieurs à définir des procédures sûres de stockage de matériel, afin d'éviter les accidents de criticité (qui pouvaient intervenir en stockant par exemple du matériel fissile de part et d'autre d'un mur). Il effectua aussi un travail théorique et de calcul crucial sur la bombe à hydrure d'uranium qui plus tard s'avèrera irréalisable.

La compagnie de Feynman était appréciée par Niels Bohr car, contrairement à d'autres physiciens, il n'avait pas peur de discuter âprement avec la légende vivante qu'était Bohr. Feynman affirma qu'il avait autant de respect pour la réputation de Bohr que tout le monde, mais que lorsqu'il commençait à parler de physique, il oubliait tout le reste.

Du fait des recherches top-secrètes qui y étaient menées, Los Alamos était isolé, et, selon Feynman, il n'y avait pas grand-chose à faire là-bas.

Pour tromper son ennui, Feynman affirma qu'il avait appris à déchiffrer les combinaisons des coffres-forts protégeant les documents confidentiels. Feynman joua plusieurs plaisanteries à ses collègues ; un jour par exemple il trouva la combinaison d'une serrure en essayant les numéros qu'un physicien utiliserait (il s'agissait de 27-18-28, les premiers chiffres de e = 2,71828…), et il trouva que trois bureaux qui contenaient des notes sur les recherches sur la bombe avaient la même combinaison. Il laissa une série de notes sarcastiques en guise de farce (par exemple « Guess who » - « Devinez qui »), ce qui provoqua l'inquiétude de son collègue à propos de la présence d'un éventuel espion ou saboteur qui aurait eu accès à des documents secrets concernant la bombe. Par coïncidence, Feynman emprunta un jour la voiture du physicien Klaus Fuchs pour rendre visite à sa femme. On découvrit plus tard que Fuchs espionnait pour l'URSS.

Une autre fois, il découvrit qu'un capitaine travaillant dans son service avait un coffre-fort massif, plus sûr que tous ceux qu'avaient les scientifiques qui travaillaient sur la bombe, installé dans son bureau. Peu de temps après que ce capitaine eut quitté Los Alamos, Feynman découvrit qu'il n'avait jamais pensé à changer la combinaison du simple code d'origine, et que rien d'important n'était gardé à l'intérieur, alors que les secrets de la bombe étaient tenus dans des bureaux relativement peu sûrs. Ces anecdotes sont relatées par lui-même dans son livre Surely You're Joking, Mr Feynman!.

Il apprit également à cette époque à jouer des bongos, activité qu'il pratiqua en amateur, mais de manière enthousiaste, participant souvent à des représentations musicales à CalTech.

Feynman professeur 
Après la guerre et sur l'insistance de Hans Bethe, avec qui il avait travaillé à Los Alamos et malgré la proposition d'un poste à Berkeley émanant de Robert Oppenheimer, directeur scientifique du Projet Manhattan avec qui Feynman avait sympathisé, il fut nommé professeur à l'université Cornell à Ithaca dans l'État de New York, où il rencontra Freeman Dyson.

Cependant il ne s'y plut pas, considérant qu'il manquait d'inspiration et ne produisait rien de bon, et se dévouant à des problèmes moins utiles mais amusants, telle la physique d'une assiette tournoyante et en nutation. Il fut alors surpris de recevoir diverses offres de poste en provenance de plusieurs universités de premier plan.

Il finit par choisir de travailler au California Institute of Technology à Pasadena en Californie, bien qu'un poste à l'Institute for Advanced Study à Princeton, qui comptait notamment Albert Einstein parmi son personnel, lui fût offert. Feynman refusa d'aller à l'IAS parce qu’il n'y avait aucune obligation d'enseignement. En effet, il trouvait en ses étudiants une source d'inspiration et de réconfort durant ses périodes moins créatives. Il considérait que s’il n'était pas productif en tant que chercheur, il pouvait au moins enseigner. Un autre aspect majeur de sa décision était le fait qu'il voulait vivre dans un climat plus chaud que celui de l'État de New-York.

Durant une année sabbatique, il réétudia les Principia de Newton, et ce qu'il avait appris de Newton, il le transmit à ses élèves et à travers son Cours de Physique, où une approche géométrique des problèmes physiques est souvent privilégiée.

Les années à Caltech (1950 - 1988) 
Pendant ses années à Caltech, il travailla notamment sur l'électrodynamique quantique, la physique de l'hélium superfluide et la théorie des interactions faibles. Il y développa notamment les diagrammes de Feynman. Il s'intéressa aussi à la théorie quantique de la gravitation mais sans pouvoir s'y consacrer complètement. Il était en effet épuisé par le travail intensif qu'il fournissait sur ses multiples sujets d'étude majeurs de l'époque, y compris son Cours de physique.

En effet à cette époque on lui demanda de participer à l'enseignement des étudiants de premier cycle du Caltech (en anglais undergraduates, i.e. étudiants des quatre premières années). Après trois ans de travail, une série de cours parut, modèle de clarté et de vulgarisation, qui allaient devenir le Cours de physique de Feynman. Feynman reçut par la suite la médaille Oersted, récompense dont il tira beaucoup de fierté.

Il est l'un des premiers scientifiques à considérer la possibilité de fabriquer des calculateurs quantiques.

Après la mort de sa première femme, Feynman se remaria deux fois. Tout d'abord avec Mary Louise Bell (1917-2014), originaire de Neodesha, Kansas, union qui dura deux ans, puis avec la Britannique Gweneth Howarth. Ils restèrent unis jusqu'à la fin de leurs jours, eurent un enfant, Carl, et adoptèrent une fille, Michele. Sa femme est morte en 1989, l'année suivant son décès.

Feynman voyagea beaucoup à cette période de sa vie. Il enseigna par exemple un an au Brésil. Il envisagea également de visiter la province méconnue de Touva en Russie, mais ne put réaliser ce projet du fait de la guerre froide. Durant cette période, il découvrit qu'il était atteint d'un cancer. Celui-ci fut enrayé grâce à une intervention chirurgicale.

Il fut fait membre étranger de la Royal Society en 1965.

Commission Challenger 

Après l'explosion de la navette spatiale Challenger (1986), on demanda à Feynman de siéger dans la commission d'enquête, ce qu'il accepta de faire, après mûre réflexion. Durant les investigations, il reçut des indices d'une source interne et démontra à la télévision le rôle crucial joué par les joints des boosters, à l'aide d'un bout du matériau constituant les joints et d'un verre de glace. Ses idées différèrent des conclusions officielles, et étaient considérablement plus critiques envers la structure de management, qui avait négligé les inquiétudes des ingénieurs. Après plusieurs pétitions, le rapport de Feynman fut annexé au document officiel produit par la commission.

Maladie et mort 
En 1978 lui est découvert un cancer de l'estomac pour lequel il doit subir plusieurs interventions. La maladie resurgit en 1987 et Feynman est hospitalisé un an plus tard. Son état de santé se dégrade du fait de complications survenues après une nouvelle opération. Feynman décide de refuser des traitements supplémentaires et s'éteint le .

Ses derniers mots ont été :  (« Je détesterais mourir deux fois. C'est si ennuyeux. »).

Travaux de recherche 
 
L'essentiel de sa production date de cette époque.

 L'électrodynamique quantique (relativiste), à savoir l'étude des interactions  électromagnétiques entre particules (chargées) relativistes. Paul Dirac en avait jeté les premières bases, en donnant une description exacte des particules de spin 1/2 (fermions) et en proposant une équation qui prédisait leur comportement, ainsi que celui de leurs antiparticules. On doit à Feynman une formulation lagrangienne de l'électrodynamique quantique, ainsi qu'une technique perturbative, permettant de calculer les sections efficaces d'interaction entre particules. Pour calculer sans se tromper chaque terme du développement perturbatif, Feynman proposa une technique diagrammatique (les diagrammes de Feynman) utilisée de nos jours dans de nombreux domaines. Pour ce travail, il est colauréat avec Julian Schwinger et Sin-Itiro Tomonaga du prix Nobel de physique de 1965 .

 La physique de l'hélium superfluide : lorsque l'hélium est refroidi au-dessous d'une température critique (2,19K), il semble perdre sa viscosité. En appliquant les équations de la mécanique quantique et sa technique de l'intégrale de chemin, Feynman parvint à décrire la fonction de partition de l'hélium liquide. Il parvint en particulier à montrer que la superfluidité est un phénomène quantique qui se manifeste à une échelle macroscopique.
 La théorie des interactions faibles, qui se manifestent par exemple dans la désintégration d'un neutron en un proton, un électron et un anti-neutrino. Feynman et Murray Gell-Mann proposèrent une nouvelle description des interactions faibles. Cette description portait en germe l'hypothèse des bosons vectoriels Z, et W, découverts dans les années 1970, identifiés dans les années 1980, et responsables des interactions faibles.

Il développa aussi les diagrammes de Feynman, un outil qui permet de conceptualiser et de faciliter le calcul des interactions entre particules dans l'espace-temps, notamment les interactions entre l'électron et son antiparticule, le positron. Ces diagrammes lui permettaient de travailler avec des concepts qui auraient pu être moins approchables sans ceux-ci : comme la réversibilité du temps.

Les diagrammes de Feynman sont maintenant indispensables pour la théorie des cordes et la théorie M, et ils ont été étendus de façon topologique. L'idée de créer de tels diagrammes vint à Feynman avec le fait qu'en utilisant le modèle des sphères dures, les interactions pouvaient être pensées comme des collisions en première approximation. Il a fallu attendre des décennies pour que les physiciens pensent à analyser les nœuds des diagrammes de Feynman de façon approfondie, les lignes des diagrammes devenant des tubes pour des objets plus compliqués comme les cordes.

À partir des diagrammes d'un petit système de particules interagissant dans l'espace-temps, Feynman pouvait maintenant modéliser toute la physique en termes de spins de ces particules et de valeurs de couplages des forces fondamentales. Cependant le modèle des quarks rivalisait avec la formulation plus phénoménologique de Feynman, le modèle des partons. Feynman ne remettait pas en cause le modèle des quarks, par exemple quand le  (bottom) fut découvert, Feynman annonça aussitôt à ses élèves que cette découverte impliquait l'existence d'un  (top) qui fut effectivement découvert dix ans après sa mort.

Après ses succès en électrodynamique quantique, Feynman attaqua le problème de la théorie quantique de la gravitation. Par analogie avec le photon qui était de spin 1, il rechercha les implications qu'aurait une particule médiatrice du champ de gravitation de masse nulle et de spin 2. Il réussit à en déduire les équations de champ d'Einstein de la relativité générale, mais ne put aller beaucoup plus loin du fait de sa charge d'enseignement.

Vulgarisation - Pédagogie 

Feynman a été un vulgarisateur très influent, par ses cours et ses livres. Citons en particulier une conférence de 1959 sur les nanotechnologies intitulée  (« Il y a plein de place au fond »).

On se réfère souvent à Feynman comme au « Great explainer » (« le grand explicateur ») : en effet, il prenait beaucoup de soin dans ses explications aux étudiants, en mettant un point d'honneur à ne pas utiliser de formulations pédantes, mais à être le plus accessible possible aux autres.

Son principe de pédagogie était que s’il ne pouvait présenter un sujet durant un cours de première année, c'est que lui ne l'avait pas complètement compris. Feynman eut beaucoup de plaisir à présenter son explication de « niveau première année » de la connexion spin-statistique quantique (les particules de spins 1/2 se « repoussent », tandis que les particules de spin entier « s'agglomèrent »), une question sur laquelle il revint dans ses Cours de Physique, et qu'il résolut complètement en 1986 dans le Dirac memorial lecture.

Il s'opposa à l'apprentissage par cœur et aux autres méthodes d'enseignement qui mettaient l'accent sur la forme, plutôt que sur le fond, partout où il allait : que ce soit dans une conférence sur l'éducation au Brésil, où il critiqua sévèrement le système d'apprentissage, après y avoir enseigné pendant 10 mois, ou devant la commission d'État chargée de choisir les manuels scolaires.

Penser clairement et présenter clairement étaient des prérequis fondamentaux pour avoir son attention. Il était même périlleux de l'approcher quand on était insuffisamment préparé. Parmi ses étudiants, on peut citer le physicien français Jean Robieux et l'astrophysicien québécois Hubert Reeves.

Publications

Vulgarisation 
 Richard P. Feynman ; La nature de la physique, collection Points Sciences, Le Seuil (1980), . Traduction française de : The Character of Physical Law.
 Richard P. Feynman ; Lumière et matière - Une étrange histoire, InterEditions (1987), . Réédité en collection Points Sciences, Le Seuil (1992), . Traduction française de :  (1985) . Il s'agit de la transcription par Ralph Leighton d'une série de quatre conférences données en 1983 à l'université de Californie à Los Angeles sur le thème de l'électrodynamique quantique (premier cycle des conférences Alix Mautner).
 Richard P. Feynman ; Vous y comprenez quelque chose, Monsieur Feynman ?, Odile Jacob (1998), . Traduction française de : The Meaning of it all: thoughts of a citizen-scientist. Transcription de 3 conférences de vulgarisation scientifique portant sur des sujets chers à Feynman.

Ouvrages d'initiation à la physique 
Accessibles au niveau du premier cycle universitaire :
 Richard P. Feynman ; Le Cours de physique de Feynman (5 volumes); édition originale Addison Wesley 1963; éditions françaises Bilingua Addison Wesley  (1969), InterEditions (1979), Dunod (1999). Traduction française des célèbres Lectures on physics.
 Mécanique (2 volumes) : .
 Electromagnétisme (2 volumes) : .
 Mécanique quantique (1 volume) : .
 Richard P. Feynman ; Six Easy Pieces, Penguin (1998), . Avec CD de conférences enregistrées en amphi (de qualité cassette de l'époque).
 Richard P. Feynman ; Six Not So Easy Pieces, Penguin (1999), .
 Richard P. Feynman ; Leçons sur la physique, Odile Jacob (2007), . Extraits du Cours de physique de Feynman publié par InterÉditions, traduction en un volume des deux tomes américains sus-mentionnés (Six Easy Pieces et Six Not So Easy Pieces).

Ouvrages de niveau plus avancé 
 Richard P. Feynman & André Hibbs ; Quantum Mechanics and Path Integrals, McGraw-Hill (1965), .
 Richard P. Feynman ; Quantum Electrodynamics, Advanced Book Classics, Perseus Books Group (Réédition - 1998), .
 Richard P. Feynman ; The Theory of Fundamental Processes, Advanced Book Classics, Perseus Books Group (Réédition - 1998), .
 Richard Feynman & Steven Weinberg ; Particules et lois de la physique, collection Interéditions U, Dunod (1997), ASIN 2729602852. Traduction française de : Elementary particles & the laws of physics, Cambridge University Press (1987), . Textes des deux Dirac Memorial Lectures de 1986.
 Richard P. Feynman ; Statistical Mechanics: A Set of Lectures, Advanced Book Classics, Perseus Books Group ( - 1998), .
 Richard P. Feynman ; Lectures on Gravitation, Addison-Wesley (1995). Réédité par Penguin (1999), . Cette remarquable édition Penguin contient la série de 16 cours édités par Brian Hatfield, précédés par un avant-propos de John Preskill et Kip Thorne, et par une petite introduction au problème de la « gravitation quantique » de Brian Hatfield. Ces bonus très utiles mettent en perspective dans le contexte actuel le travail de Feynman réalisé en 1962-63. Il existe une traduction française : Leçons sur la gravitation, Odile Jacob (2001), , hélas sans l'avant-propos, ni l'introduction de l'édition Penguin.
 Richard P. Feynman ; Lectures on Computation, Perseus Books Group (2000), . Traduction :Leçons sur l'informatique, Odile Jacob (2006) .

Autres 
 Richard P. Feynman ; Vous voulez rire, monsieur Feynman !, InterEditions (1985), . Réédité par Odile Jacob (2000), . Éléments autobiographiques, traduction française de : Surely you're joking, Mr. Feynman (1985).
 Perfectly Reasonable Deviations from the Beaten Track - The Letters of Richard P. Feynman : compilation éditée par Michelle Feynmann (sa fille adoptive), Basic Books, 2005  ; partiellement traduit sous le titre Qu'en pensez-vous, monsieur Feynman ?, Dunod (2006), .
 Richard P. Feynman ; What Do You Care What Other People Think?. Éléments autobiographiques, une grande partie du livre est consacrée à l'enquête sur l'accident de Challenger.

Notes et références

Annexes

Bibliographie 
 . La biographie scientifique de référence sur Feynman, écrite à la demande de l'intéressé par un physicien qui l'a connu pendant plus de trente ans.
 . Biographie écrite par un journaliste.
 . L'histoire du développement de l'électrodynamique quantique, écrite par un physicien théoricien, spécialiste de l'histoire des sciences, qui a côtoyé les principaux acteurs de cette aventure.
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Émissions radiophoniques 
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Filmographie 
 Infinity, film de Matthew Broderick sorti en 1996 d'après l'autobiographie de Richard Feynman.

Articles connexes 
 Diagramme de Feynman
 Point de Feynman
 Théorie de l'absorbeur de Wheeler et Feynman

 Joan Feynman, sa sœur, astrophysicienne

Liens externes 
  Feynman Online website
  Vidéos de cours donnés comme professeur invité à l'Université d'Auckland (Nouvelle-Zélande)
  Le discours de Richard Feynman «There is plenty of room at the bottom»
(fr) La traduction française de "There's Plenty of Room at the Bottom" par Philippe Guglielmetti : "Il y a plein de place en bas"
  Discours de fin d'études aux étudiants du Caltech 1974 Culte de l'avion cargo
  The inconceivable nature of nature, monologue par Richard Feynman sur YouTube
   Richard Feynman, Conférences à l'université de Cornell en 1964 du Projet Tuva de Microsoft Research (vidéos sous-titrées en français)
   Richard Feynman, Conférences à l'université de Cornell en 1964 du Projet Tuva de Microsoft Research (vidéos sous-titrées en anglais)
  Chap. 11 des Leçons de Physique, « Vecteurs », en ligne et analysé sur le site BibNum.

Bases de données et dictionnaires 

Naissance à Far Rockaway
Naissance en mai 1918
Décès en février 1988
Décès à 69 ans
Décès à Los Angeles
Créativité
Docteur de l'université de Princeton
Histoire des sciences
Lauréat américain du prix Nobel
Récipiendaire de la National Medal of Science
Lauréat du prix Nobel de physique
Membre étranger de la Royal Society
Mort d'un cancer de l'estomac
Physicien américain du XXe siècle
 
Vulgarisateur scientifique
Électrodynamique quantique
Étudiant du Massachusetts Institute of Technology
Mort d'un cancer aux États-Unis
Éponyme d'un objet céleste