Richard Feynman
Các năm Caltech > Vật lý

Ở Caltech, Feynman khảo cứu vật lý của tính siêu chảy của heli lỏng siêu lạnh, hiện tượng mà heli thể hiện mất hoàn toàn độ nhớt khi chảy. Feynman cung cấp một cách giải thích bằng cơ học lượng tử cho lý thuyết siêu chảy của nhà vật lý Liên Xô Lev Landau. Năm 1941, Feynman chỉ ra các biên độ trong lý thuyết trường lượng tử có thể tính được bằng cách sử dụng tích phân đường mà tính tổng với các hệ số phù hợp đóng góp từ mọi lộ trình lịch sử khả dĩ của một hệ. Áp dụng phương trình Schrödinger đối với câu hỏi chứng minh rằng tính siêu chảy là thể hiện cho hiệu ứng lượng tử quan sát được ở cấp vĩ mô. Điều này đã hỗ trợ cho cách giải thích hiệu ứng siêu dẫn, nhưng lời giải đã vượt quá khả năng của Feynman. Hiện tượng siêu dẫn nhiệt độ thấp cuối cùng đã được giải thích bằng lý thuyết BCS, đề xuất bởi John Bardeen, Leon Neil Cooper, và John Robert Schrieffer vào năm 1957.
Cùng với Murray Gell-Mann, Feynman đã phát triển mô hình cho phân rã yếu, khi chỉ ra rằng dòng cặp trong quá trình là sự tổ hợp của các dòng véc tơ và dòng trục (một ví dụ của phân rã yếu là sự phân rã của neutron thành một electron, một proton, và một phản neutrino). Mặc dù E. C. George Sudarshan và Robert Marshak đã phát triển lý thuyết gần như đồng thời, đóng góp của Feynman với Murray Gell-Mann được coi là kinh điển bởi vì tương tác yếu gần như được miêu tả gọn gàng bằng dòng véc tơ và dòng trục. Do vậy lý thuyết đã kết hợp được lý thuyết phân rã beta của Enrico Fermi bằng cách giải thích sự vi phạm tính chẵn lẻ.
Từ biểu đồ của ông cho một vài hạt tương tác trong không thời gian, Feynman có thể mô hình mọi quá trình vật lý hạt cơ bản theo số hạng của spin của các hạt và phạm vi tác dụng của các tương tác cơ bản. Feynman đã thử giải thích tương tác mạnh chi phối hiệu ứng tán xạ nucleon bằng mô hình parton. Mô hình parton nổi lên như là mô hình bổ sung cho mô hình quark do Gell-Mann phát triển. Hai mô hình này ít có mối liên hệ với nhau; Gell-Mann đã chế giễu mô hình parton của Feynman chỉ là "đống giấy bỏ vào hòm". Giữa thập niên 1960, các nhà vật lý tin rằng quark chỉ là một khái niệm để giữ cho các số đối xứng và bảo toàn, chứ không phải là những hạt thực thể; quan sát thống kê các hạt omega trừ, nếu nó được giải thích như là tổ hợp của ba quark lạ, khi ấy được coi là không thể nếu quark tồn tại thực sự.
Các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thực hiện vào cuối thập niên 1960 cho thấy các nucleon (proton và neutron) chứa các hạt điểm gây ra sự tán xạ electron. Một cách tự nhiên các nhà vật lý hạt đã đồng nhất các hạt điểm này với các quark, nhưng mô hình parton của Feynman đã thử giải thích các dữ liệu thực nghiệm theo cách mà không cần phải đưa ra thêm các giải thiết mới. Ví dụ, dữ liệu cho thấy khoảng 45% động lượng năng lượng mang bởi các hạt trung hòa điện trong nucleon. Các hạt trung hòa điện này hiện nay được phát hiện ra chính là các gluon là những hạt tải lực tương tác giữa các quark, và số lượng tử màu (nhận ba giá trị) đã giải thích thành công vấn đề hạt omega trừ. Feynman đã không tranh luận hay phản đối mô hình quark; ví dụ, khi hạt quark thứ năm được phát hiện vào 1977, Feynman ngay lập tức chỉ ra cho các sinh viên của ông rằng khám phá này hàm ý sự tồn tại của hạt quark thứ sáu, mà nó được phát hiện gần một thập kỷ sau khi ông qua đời.
Sau sự thành công với điện động lực học lượng tử, Feynman chuyển sang lý thuyết hấp dẫn lượng tử. Bằng cách áp dụng phép tương tự với photon, mà có spin 1, ông khảo sát các hệ quả của trường hạt lượng tử tự do không có khối lượng với spin 2 và áp dụng cho phương trình trường Einstein của thuyết tương đối tổng quát, nhưng không đạt được nhiều kết quả. Công cụ tính toán mà Feynman đã khám phá cho hấp dẫn, "bóng ma" (ghosts), là "những hạt" bên trong các biểu đồ của ông mà có mối liên hệ "không đúng" giữa spin và thống kê, đã được chứng minh là một công cụ vô giá trong việc giải thích hành xử của hạt lượng tử của các lý thuyết Yang–Mills, ví dụ, cho sắc động lực học lượng tử và lý thuyết điện-yếu. Ông đã tham gia nghiên cứu tất cả bốn lực cơ bản trong tự nhiên: lực điện từ, lực yếu, lực mạnh và lực hấp dẫn. John và Mary Gribbin viết trong cuốn sách của họ về Feynman: "Chưa có ai khác có những đóng góp ảnh hưởng trong quá trình nghiên cứu tất cả bốn tương tác cơ bản".
Một phần như là cách để đưa công chúng quan tâm đến những tiến trình trong vật lý, Feynman treo giải thưởng $1.000 cho những ai giải được hai thử thách ông đặt ra trong công nghệ nano; mà William McLellan và Tom Newman đã giành được giải thưởng. Ông cũng là một trong những nhà khoa học đầu tiên nêu ra khả năng hiện thực hóa máy tính lượng tử. Trong các năm 1984–1986, ông đã phát triển phương pháp biến phân cho phép tính xấp xỉ tích phân đường, mà dẫn đến một công cụ mạnh cho phép biến đổi các khai triển nhiễu loạn phân kỳ thành khai triển hệ số cặp-mạnh (strong-coupling) hội tụ (lý thuyết nhiễu loạn biến phân) và, hệ quả là, trở thành phương pháp xác định có độ chính xác nhất cho giá trị lũy thừa tới hạn (critical exponent, trong chuyển pha) như được đo qua các thí nghiệm bằng vệ tinh.