Travail réalisé par : O. Dessombz, N. Malasne, T. Putelat, J. Bert

Feynman

Formal Nobel Portrait
R. Feynman, formal Nobel portrait
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

Sa vie en quelques points

Richard P. Feynman est né à New York le 11 Mai 1918.
Il étudie au MIT de 1935 à 1939 (B. Sc), puis à Princeton de 1939 à 1942 (Ph.D.).
Il participe au Projet Manhattan à Los Alamos de 1939 à 1945 (construction de la première bombe atomique américaine).
Il est ensuite professeur de physique théorique à l'Université de Cornell de 1945 à 1950, puis à Caltech (Institut de Technologie de Californie) de 1950 à 1959.
De 1959 à 1988, il occupe la chaire "Richard Chace Tolman" de professeur de physique théorique au Caltech. Pendant cette période, il reçoit un certain nombre de distinctions :
- 1962 E.C. Atomic Award
- 1965 Foreign Member of Royal Society
- 1965 Prix Nobel
- 1972 Oersted Medal for the instruction to Caltech
- 1973 Niels Bohr International Gold Medal
- 1986 Roger Commission

Il meurt le 15 Février 1988 à Los Angeles, Californie.

Le personnage...

The Most Remarkable Formula In Math : eip+1 = 0 [1]

Richard Phillips Feynman était un physicien théoricien de renom, prix Nobel de physique en 1965, et avant tout homme exceptionnel dans bien des domaines. On omet d'écrire combien la compréhension des lois de la Nature passionnait Feynman et combien il s'est attaché à en dévoiler les parties les plus cachées, comme un jeu sans fin avec l'Univers, et ce jusqu'à sa mort.
La notoriété de Feynman a dépassé le cadre des physiciens les plus pointus pour gagner peu a peu des classes différentes de la société. Ceci est la démonstration que l'esprit ouvert de Feynman, son caractère sympathique et sa passion contagieuse pour Dame Nature ont su conquérir nombre de personnes, de façon bien plus efficace que ne l'auraient fait tous les prix Nobel du Monde.

Qui est Feynman et qu'a-t-il fait ?

Depuis son plus jeune âge, il se passionne pour tout ce qui l'entoure et qui est sujet à réflexion. C'est ainsi qu'il dévore les livres de mathématiques et de physique, prenant trois ans d'avance sur ses camarades, avance qu'il gardera jusqu'à la fin de ses études et qui explique certainement le succès qu'il obtint dans ces matières. Plus tard, étudiant au MIT, il donne sa préférence à la physique car les mathématiques lui semblent n'aboutir qu'à d'incessants jeux de l'esprit.
En résumé, de solides bases en mathématiques, une passion dévorante pour la physique et une avance considérable dans ces domaines ne pouvaient qu'aboutir à une carrière exceptionnelle. Ces caractéristiques ne sont pas propres à Feynman, car la plupart des grands scientifiques de l'époque les partageaient. Mais Feynman poussait sa passion à l'extrême: à la fin de sa vie il admit que son travail était la physique, ses loisirs étaient la physique, ses temps libres étaient la physique. En bref, la physique était la source même de son existence.
Très jeune, il se distingue en travaillant sur la bombe atomique à Los Alamos, et Oppenheimer dira de lui qu'il était de loin le plus brillant des jeunes physiciens travaillant sous sa direction. Passée cette période troublée, la vie de Feynman fut consacrée à ses activités de recherche et d'enseignement menées en premier lieu à Cornell, puis au Caltech où il passa la majeure partie de son existence.
Ses contributions vont (pour ne citer que les plus importantes) de l'électrodynamique quantique, à la super-fluidité de l'hélium liquide et à la théorie des supraconducteurs.
Il laissera son nom aux fameux ``diagrammes de Feynman'' particulièrement appréciés des physiciens des hautes énergies pour leur extrême simplicité.

R. Feynman souriant devant son tableau
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

Cet esprit stupéfiant ira même jusqu'à prendre une année sabbatique (1960) afin de travailler dans un laboratoire de génétique et co-signer un article avec des chercheurs confirmés dans ce domaine ! Enfin, la notoriété de Feynman décolla lorsqu'il résolut le mystère de l'explosion de la navette Challenger en 1984.
Richard Feynman est resté unique dans bien des esprits pour plusieurs raisons : c'était quelqu'un d'assez extravagant, sans complexes (un peu comme Einstein), tranchant avec le modèle communément admis du scientifique froid et difficile d'accès. Comme le dit un de ses collègues, Feynman déprimé était juste un peu plus gai que quelqu'un d'exubérant. Il était un conférencier populaire, énergique, connu pour son insatiable curiosité, son esprit brillant et son tempérament enjoué. Les autres traits de caractère de Feynman étaient sa simplicité, sa modestie et son extrême intégrité.

Ses contributions scientifiques

as a challenge and an inspiration

En 1965, Richard Feynman partagea le prix Nobel de Physique avec Sin-Itiro Tomonaga et Julian Schwinger pour leurs contributions à la construction de l'électrodynamique quantique. Cette théorie permet de décrire les interactions entre le champ électromagnétique quantifié et les particules chargées. Elle représente l'exemple le plus simple d'une théorie relativiste quantique des champs de jauge.

``The fundamental problem of the day was that the quantum theory of electricity and magnetism was not completely satisfactory''. Cette phrase résume bien la conclusion a laquelle était arrivée Richard Feynman à la suite de sa lecture du célèbre livre de Paul Dirac pendant ses années d'études au MIT. Dès lors, il n'aura de cesse de construire une théorie quantique des champs qui évite l'écueil d'énergies infinies.

Ce problème avait pour origine, dans la théorie de Dirac, le fait qu'elle considérait à la fois le champ électromagnétique, les particules et leurs interactions dont certaines faisaient diverger l'énergie du système : les auto-interactions entre particules et l'infinité des degrés de liberté impliqués par le champ.

L'idée de Feynman était de construire, dans la cadre de la mécanique quantique, son électrodynamique sur un principe de moindre action à partir uniquement des particules et d'en déduire ensuite le champ. Ce fut l'objet de sa thèse (PhD Thesis, mai 1942) effectuée à Princeton. Il en avait auparavant dressé les bases avec John Wheeler en s'intéressant au problème de l'émission radiative d'un électron en mouvement. Ils s'appuyaient pour cela sur l'idée d'action à distance à vitesse de propagation finie introduite au XIXe siècle par Carl F. Gauss.

R. Feynman devant son tableau
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

La difficulté essentielle était de trouver une nouvelle méthode de quantification des systèmes classiques. Feynman avait en tête de reconstruire la mécanique quantique à partir du mouvement des particules décrit par un Lagrangien et non pas par un Hamiltonien. Ce point de vue avait aussi l'avantage de pouvoir traiter facilement les cas relativistes. Il devait ainsi inventer un analogue de l'intégrale d'action utilisée en mécanique classique : l'intégrale de chemin. Elle représente la superposition spatiale des fonctions d'onde, à un instant donné, pondéré d'un déplacement en phase rapide représenté par le Lagrangien. Elle décrit ainsi l'évolution de la fonction d'onde pour de petits intervalles de temps. Il construisait donc rigoureusement un propagateur reliant deux fonctions d'onde entre deux évènements différents de l'espace-temps. Feynman généralisait de cette façon le principe de Huygens (1678) qui permet de démontrer la trajectoire rectiligne des rayons lumineux à partir d'ondes sphériques. Il construisit donc un nouveau formalisme de la mécanique quantique dont les répercussions allaient être nombreuses. Il venait en effet de reconstruire, sur une base physique, les éléments de la théorie mathématique des fonctionnelles développée une vingtaine d'années plus tôt par V. Volterra. Cette théorie permet en effet de trouver les solutions des équations différentielles ordinaires linéaires vers lesquelles aboutissent de nombreux phénomènes physiques.

Pour en revenir à l'électrodynamique quantique, c'est-à-dire la théorie de l'interaction entre rayonnement et matière, Feynman devait résoudre ce fameux problème de quantités infinies qui intervenaient dès qu'on cherchait à effectuer des calculs plus précis en se servant de l'électrodynamique de Dirac. Il suivit les conseils de Hans Bethe avec qui il travaillait depuis son arrivée à Cornell après la seconde guerre mondiale. Il se concentra donc sur le problème du ``décalage de Lamb'' (1947) correspondant à la séparation des niveaux d'énergie 2s, 2p de l'atome d'hydrogène. Feynman réussit à résoudre ce problème (1949) en utilisant les méthodes développées pendant sa thèse conjointement avec un développement asymptotique du Lagrangien suivant le paramètre de structure a = e2/(h/2p) c @ 1/137.

Un positon absorbe un photon
Un positon absorbe un photon

Il inventa à cette occasion une méthode astucieuse pour calculer les coefficients de ce genre de développement : les diagrammes de Feynman. Ils traduisent graphiquement les interactions (photons) entre particules chargées (i.e. électron, positon, lepton chargé...). Les divergences occasionnées lors de ces développements furent évitées en imposant qu'elles se compensent selon des règles qui aboutirent à la procédure de renormalisation reformulée plus tard par Bogolioubov (1974).

À partir des années cinquante, au Caltech, Feynman s'intéressa au ``problème d'Onsager'' concernant la transition de phase du modèle d'Ising et à la théorie de l'hélium superfluide. La super-fluidité est un phénomène qui s'observe aux très basses température dans l'hélium liquide 4He : à mesure que la température diminue, ce liquide change de comportement brutalement à 2.19 K et s'écoule sans viscosité par de fins chenaux. Pour expliquer cette observation, deux conceptions s'opposaient : l'une construite par L. Landau à partir de l'hydrodynamique quantique et l'autre reposant sur une condensation de Bose selon F. London et L. Tisza. Ces deux derniers étaient sur la bonne voie. Il s'agissait donc pour Feynman de démontrer rigoureusement que l'hélium liquide peut subir une transition de phase. Il utilisa pour cela son approche de la mécanique quantique et son intégrale de chemins pour exprimer la fonction de partition du liquide.

L'électrodynamique quantique de Feynman unifia la mécanique quantique et l'électro-magnétisme en décrivant l'interaction rayonnement-matière. Cette théorie et les méthodes inventées apportèrent un profond renouvellement dans la physique théorique de la dernière moitié du vingtième siècle. En effet, si elle ne peut expliquer les interactions faibles, pour la radioactivité b, et fortes, pour les forces nucléaires, le sens apporté au principe de moindre action et à l'invariance de jauge reste essentiel à la construction de la physique moderne. À partir des années soixante, Feynman s'intéressa à l'interaction faible et à l'élaboration d'une théorie quantique de la gravitation. Là encore ses contributions furent remarquables.

Quelques précisions :
L'électrodynamique quantique vit le jour dans les années 1920 essentiellement grâce à Paul Dirac qui fut le premier à écrire une équation relativiste pour l'électron. Les principes de symétrie qui en découlèrent sont d'ailleurs d'une importance capitale dans la construction de la physique moderne. Le champ électromagnétique, ou ``rayonnement'', représenté par le tenseur électrodynamique F, obéit aux équations de Maxwell. Ces équations sont satisfaites si F dérive de façon antisymétrique du champ quadrivecteur potentiel A défini à un potentiel scalaire F près. Cette propriété fondamentale permet de définir la transformation de jauge A ® A-ÑF vis-à-vis de laquelle les équations de Maxwell sont invariantes. Le champ de matière, ou ``particule'', est représenté par la fonction d'onde y invariante par rapport aux changements de phase y® y exp(i e q) où e est la charge électrique. C'est dans le cas où cette propriété d'invariance est localisée spatialement, q(x), que les interactions entre champs électromagnétique et de matière sont décrites. Ces différentes quantités permettent de définir L le Lagrangien du système [2] dont l'évolution obéit à l'équation d'Euler-Lagrange. Le problème essentiel de l'électrodynamique quantique fut de résoudre cette équation. Dirac avait donné une bonne approximation au premier ordre de la solution. Mais, sa méthode divergeait aux ordres supérieurs du développement.

Sa pédagogie et sa vision de la physique

So I find that teaching and the students keep life going, and I would never accept any position in which somebody has invented a happy situation for me where I don't have to teach. Never. [3]

Richard Feynman a enseigné pratiquement toute sa vie, essentiellement au Caltech. Selon lui, enseigner était une nécessité pour un chercheur. Les questions des étudiants sont souvent sources de nouvelles recherches. Ils posent souvent de profondes questions auxquelles on a pensé quelquefois, et qu'on a abandonnées pendant un moment. Les étudiants peuvent ne pas se rendre compte des choses auxquelles on veut répondre, ou des subtilités soulevées, mais ils rappellent un problème en posant une question proche de ce problème. Et ce n'est pas facile de se rappeler à soi-même ces choses.

R. Feynman avec ses étudiants
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

Professeur aussi passionnant que passionné, il laissera en héritage aux jeunes physiciens le célèbre ``Cours de Physique de Feynman'' [4] écrit en collaboration avec Leighton et Sands, qui se différencie des autres ouvrages de ce genre par la clarté et la simplicité des explications et par le ton jovial de Feynman rayonnant à chaque ligne.
Il propose dans ses cours une approche spéciale de la physique. ``À aucun moment, l'outillage mathématique ne vient entraver la compréhension des phénomènes physiques'' (G. Delacôte).

R. Feynman en cours
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

Voilà comment il parlait de son enseignement [4] : ``... Toutefois, je ne désirais laisser aucun étudiant complètement en arrière, comme peut-être je l'ai fait. Je pense qu'une manière par laquelle nous pourrions aider davantage les étudiants, serait de faire plus d'efforts pour développer un ensemble de problèmes qui permettraient d'élucider certaines idées sur les cours. Les problèmes donnent une bonne occasion d'utiliser les matériaux des leçons et de rendre plus réalistes, plus complètes et plus ancrées dans les esprits, les idées qui ont été exposées.
Je pense cependant qu'il n'y a aucune solution à ce problème d'éducation autre que de réaliser que le meilleur enseignement ne peut être obtenu que lorsqu'il y a une relation directe et individuelle entre un étudiant et un bon professeur (une situation dans laquelle l'étudiant discute les idées, pense sur les choses et parle des choses). ... Mais à notre époque moderne nous avons tellement d'étudiants à enseigner qu'il nous faut essayer de trouver quelques substituts à l'idéal.''

R. Feynman en cours
Richard Feynman teaching Physics X.
Courtesy of the archives, California Institute of Technology

Soit dit en passant, ce que je viens de vous raconter là, c'est ce que j'appelle ``l'histoire de la physique des physiciens'', l'histoire telle qu'ils se la racontent... et qui est toujours fausse. Ce que je vous raconte là, c'est une espèce de saga conventionnelle que les physiciens racontent à leurs étudiants, lesquels à leur tour la racontent à leurs étudiants, et ainsi de suite. Ça n'a pas forcément grand-chose à voir avec le développement historique réel de la physique... ce que j'ignore évidemment! [5]

Bibliographie

[1]
extrait d'un cahier de Feynman, 15 ans.
[2]
L = f(F) + g(y) + h(A,y)
rayonnement particule interaction
[3]
'Surely You're Joking Mr. Feynman!' Adventures of a curious Character by Richard Feynman, Bantam Books (New York) 1986. Existe en traduction française : Vous voulez rire, Monsieur Feynman!, InterÉditions, 1985.
[4]
R.P. Feynman, Le cours de physique de Feynman, InterÉditions, 1979.
[5]
R.P. Feynman Lumière et matière. Une étrange histoire, InterÉditions, 1987.
[6]
R.P. Feynman, La nature de la physique, Seuil, coll. Points Sciences, 1980.
[7]
J. Gleick, Le génial professeur Feynman, Éditions Odile Jacob, 1994.
[8]
J. Mehra, The beat of a different drum: the life and science of Richard Feynman,
Clarendon Press Oxford, 1994.

Quelques liens sur la toile

Some web pages about Richard P. Feynman
R. Feynman Winner of the Nobel Prize in Physics
Feynman Online