Richard Feynman

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Richard Feynman (au centre) avec Robert Oppenheimer (à sa gauche) à Los Alamos à l'époque du projet Manhattan.

Richard Phillips Feynman (11 mai 1918 - 15 février 1988) est l'un des physiciens les plus influents de la deuxième moitié du XX^e siècle, en raison notamment de ses travaux sur l'électrodynamique quantique relativiste, les quark et l'hélium superfluide. Il reformula entièrement la mécanique quantique et l'électrodynamique avec ses diagrammes (les fameux diagrammes de Feynman) qui depuis sont largement utilisés à travers le monde. Musicien (joueur de bongo), pédagogue remarquable, rédacteur de nombreux ouvrages de vulgarisation, il a aussi été 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 quark. Il reçut en 1965 le prix Nobel de physique en compagnie de Julian Schwinger et de Sin-Itiro Tomonaga pour ses travaux en électrodynamique quantique. Vers la fin de sa vie, son action au sein de la commission d'enquête sur la catastrophe de la navette spatiale Challenger l'a fait connaître du grand public américain. Il est également connu pour ses nombreux livres, notamment les Feynman lectures on physics, un cours de physique de niveau universitaire qui, depuis sa parution, est devenu un classique pour tous les étudiants en physique au premier cycle 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? (Vous y comprenez quelque chose, monsieur Feynman ?). Richard Feynman fut donc avant tout un esprit libre qui se permettait de passer de la physique théorique au déchiffrage de hiéroglyphes mayas ou au forçage de coffres-forts.

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[modifier] Biographie

Feynman est né à Far Rockaway dans le Queens, quartier de New York (États-Unis) de deux parents d'origine juive polonaise et russe. Ceux-ci quoique se rendant à la synagogue tous les vendredis n'étaient pas très attachés au rituel dans leur pratique de la religion. 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 reparer les radios du voisinage et montrait déjà un talent poussé pour les sciences et les travaux pratiques. Ainsi adolescent, il inventa une machine à couper les haricots, qu'il abandonna après s'être entaillé le pouce.

Il fut brillant tout au long de ses études secondaires, maîtrisant à 15 ans le calcul différentiel et intégral. Il continua à expérimenter et à réinventer pour lui des théories de mathématiques, comme les dérivées fractionnaires à l'aide de ses propres notations.

[modifier] Études universitaires

Durant sa dernière année au lycée de far Rockaway, 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 reçut son bachelor 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 - pendant sa seconde année - un cours de physique théorique réservé aux étudiants de Master.

Feynman obtient 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'Institut for Advanced Studies de Princeton (IAS) (créé depuis peu et dirigé par Albert Einstein), Feynman travailla sous la direction de John Wheeler sur le principe de moindre action appliqué à la mécanique quantique. Il établit ici les bases des diagrammes de Feynman et de l'approche de la mécanique quantique par les intégrales de chemin. Il obtint son PhD 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.

[modifier] Le Projet Manhattan

Photo du badge d'identification de Feynman à Los Alamos.

Feynman était encore thésard lorsque le physicien Robert 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 fuit 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 suffit à filtrer les dangereux rayons ultraviolets émis lors de l'explosion.

Sa femme à qui il rendait visite à l'hôpital à Albuquerque durant les week-ends mourut en juillet 1945.

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, puis il mit en place avec Nicholas Metropolis un système de calcul utilisant des cartes perforés de IBM. Feynman se fit aussi remarquer en résolvant une des équations du projet qui était affiché sur un tableau (les équations affichées au tableau posaient problème et représentait une sorte de challenge), 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 uranium-hybride qui plus tard s'avérera irréalisable.

La compagnie de Feynman était apprécié 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, ou selon Feynman, il n'y avait pas grand chose à faire là-bas. Pour tromper son ennui, Feynman affirma qu'il avait apprit à déchiffrer les combinaisons des coffre-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 malfaisantes en guise de farce, 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 tout ceux qu'avaient les scientifiques qui travaillaient sur la bombe, installé dans son bureau. Peu de temps après que ce capitaine ait 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 relatés par lui-même dans son livre Surely You're Joking, Mr Feynman!.

[modifier] 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. Cependant il ne s'y plut pas, considérant qu'il manquait d'inspiration et ne produisait rien de bon, et se dédiant à des problèmes moins utiles mais amusants tels : 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 que 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 si 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.

On se réfère souvent à Feynman comme au "Great explaner" ("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 aux autres. Son principe était que si il ne pouvait présenter un sujet durant un cours de première année, il n'était 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 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.

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.

[modifier] Les années au Caltech

L'essentiel de sa production date de cette époque. Citons notamment :

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 fameux diagrammes de Feynman) très utilisée de nos jours dans de nombreux domaines. Pour ce travail, il fut recompensé par le Prix Nobel de physique 1965, obtenu en compagnie de Sin-Itiro Tomonaga et Julian Schwinger.

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 désintegration 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 $Z 0$ , et $W^\pm$ , 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 approchable 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 que en utilisant le modèle des sphères dures, les interactions pouvaient être pensées comme des colissions en première approximation. Il a fallu attendre des décennies pour que les physicens 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 terme de spins de ces particules et de valeurs de couplages des force forces fondamentales. Cependant le modèle des quark était rival à la formulation plus phénoménologique de Feynman, le modèle des partons. Feynman ne remettait pas en cause le modèle des quark, par exemple quand le 5^e quark (bottom) fut découvert, Feynman annonça aussitôt à ses élèves que cette découverte impliquait l'existence d'un 6^e quark (top) qui fut effectivement découvert dix ans après sa mort.

Après ses succès en électrodynamique quantique, Feynman attaqua le probème 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 reussit à dériver les équations de champ d'Einstein de la relativité générale, mais ne put aller beaucoup plus loin. Malheureusement, il était 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 4 premières années). Après trois ans de travail, une série de cours parut, modèle de clarté et de vulgarisation qui allaient devenir le célèbre Cours de physique de Feynman. Feynman reçut par la suite la médaille Oersted, récompense dont il tira beaucoup de fierté.

Feynman a été un vulgarisateur très influent, dans ses cours et ses livres. Citons en particulier une conférence sur les nanotechnologies Plenty of Room at the Bottom. Il compte également comme l'un des premiers scientifiques à considérer la possibilité de fabriquer les calculateurs quantiques.

Après la mort de sa première femme, Feynman se maria deux fois. Tout d'abord à Mary Louise Bell, originaire de Neodesha, Kansas, union qui s'acheva bientôt. Ensuite à la Britannique Gweneth Howarth, qui partagea son enthousiasme pour la vie. Ils restèrent unis jusqu'à la fin de leurs jours, eurent un enfant, Carl, et adoptèrent une fille, Michele.

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 problèmes administratifs liés à la Guerre froide qui faisait rage à l'époque. Durant cette période, il découvrit qu'il était atteint d'un cancer. Celui-ci fut stoppé grâce à une intervention chirurgicale.

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, la scène est demeurée célèbre, il 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.

En 1978 lui avait été découvert un cancer de l'estomac, il avait alors dû subir plusieurs interventions. La maladie revint en 1987, et Feynman fut hospitalisé un an plus tard. Son état de santé se dégrada du fait de complications survenues après une nouvelle opération. Feynman décida de mourir avec dignité et de ne pas accepter de traitements supplémentaires. Il mourut le 15 février 1988.

Ses derniers mots : « I would hate to die twice. It is so boring » (Je détesterais mourir deux fois. C'est si ennuyeux).

[modifier] Bibliographie

[modifier] Biographies

Richard P. Feynman ; Vous voulez rire, monsieur Feynman !, InterEditions (1985), ISBN 2-7296-0006-X. Réédité par Odile Jacob (2000), ISBN 2738107710. Éléments autobiographiques, traduction française de : Surely you're joking, Mr. Feynman (1985).

Richard P. Feynman ; Vous y comprenez quelque chose, monsieur Feynman ?, Odile Jacob (1998), ISBN 2738106285. Eléments autobiographiques (suite), traduction française de : What do you care what other people think?, W W Norton & Co Inc (1988), ISBN 0393320928. Consacré principalement à l'enquête sur l'accident de Challenger.

Richard P. Feynman ; Qu'en pensez-vous, monsieur Feynman ?, Dunod (2006), ISBN 2100493531. Sélection de lettres envoyés par le scientifique à divers correspondants entre 1939 et 1987.

Jagdish Mehra ; The beat of a different drum : the life and science of Richard Feynman, Oxford University Press (1994), ISBN 0-19-853948-0. 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.

James Gleick, Le génial professeur Feynman, Odile Jacob (1994), ISBN 2738102387. Biographie écrite par un journaliste.

Silvian S. Schweber ; Q.E.D. and the men who made it: Dyson, Feynman, Schwinger, and Tomonaga, Princeton University Press (1994), ISBN 0-691-03327-7. 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.

[modifier] Œuvres de Feynman

[modifier] Vulgarisation

Richard P. Feynman ; La nature de la physique, collection Points Sciences, Le Seuil (1980), ISBN 2020056585. Traduction française de : The Character of Physical Law.

Richard P. Feynman ; Lumière et matière - Une étrange histoire, InterEditions (1987), ISBN 2-7296-0154-6. Réédité en collection Points Sciences, Le Seuil (1999), ISBN : 2020147580. Traduction française de : QED: The Strange Theory of Light and Matter (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 ; The Meaning of it all: thoughts of a citizen-scientist, Basic Books (2005), ISBN 0465023940.

[modifier] Ouvrages d'initiation à la physique

Accessibles au niveau du premier cycle universitaire :

Richard P. Feynman ; Le cours de physique de Feynman (5 volumes), InterEditions (), réédité par Dunod (). Traduction française des célèbres Lectures on physics.
- Mécanique (2 volumes) : ISBN 2-10-004504-0 et ISBN 2-10-004135-5
- Electromagnétisme (2 volumes) : ISBN 2-10-004861-9 et ISBN 2-10-004316-1
- Mécanique quantique (1 volume) : ISBN 2-10-004934-8

Richard P. Feynman ; Six Easy Pieces, Penguin (1998), ISBN 0140276661. Avec CD de conférences enregistrées en amphi (de qualité cassette de l'époque).

Richard P. Feynman ; Six Not So Easy Pieces, Penguin (1999), ISBN 014027667X.

[modifier] Ouvrages de niveau plus avancé

Richard P. Feynman & André Hibbs ; Quantum Mechanics and Path Integrals, McGraw-Hill (1965), ISBN 0070206503.

Richard P. Feynman ; Quantum Electrodynamics, Advanced Book Classics, Perseus Books Group (Réédition - 1998), ISBN 0201360756.

Richard P. Feynman ; The Theory of Fundamental Processes, Advanced Book Classics, Perseus Books Group (Réédition - 1998), ISBN 0201360772.

Richard Feynman & Steven Weinberg ; Particules et lois de la physique, collection Interéditions U, Dunod (1997), ASIN 2729602852. Traduction française de : Elementary particles & th elaws of physics, Cambridge University Press (1987), ISBN 0-521-34000-4. Textes des deux Dirac Memorial Lectures de 1986.

Richard P. Feynman ; Statistical Mechanics: A Set of Lectures, Advanced Book Classics, Perseus Books Group (2ème édition - 1998), ISBN 0201360764.

Richard P. Feynman ; Lectures on Gravitation, Addison-Wesley (1995). Réédité par Penguin (1999), ISBN 0-14-028450-8. 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), ISBN 273811038X, hélas sans l'avant-propos, ni l'introduction de l'édition Penguin.