Dossier écrit diffusé dans l’épisode PodcastScience #209

Ce soir on va parler d’un des physiciens les plus importants de la seconde moitié du XXIème siècle : Richard Feynman. Ses apports à la théorie quantique des champs sont considérables. Je vais essayer d’expliquer ce que j’en ai compris.  En fait, il n’est pas du tout connu que pour son apport à la physique. Il a été un très grand professeur à Caltech en particulier. Il a d’ailleurs obtenu la médaille Oersted qui récompense les contributions notables dans le domaine de l’enseignement de la physique aux états unis dont il tirait une grande fierté. Il est aussi connu pour ses ouvrages autobiographiques dont je me suis inspiré pour ce dossier et pour sa participation à la commission d’enquêtes sur l’accident de challenger dont on parlera à la fin. Ah oui et puis il est synesthète Graphème → couleur, ce qui vous fait une belle jambe, mais j’ai écouté l’épisode 33 de podcast science depuis que je prépare ce dossier. Je vous conseille d’aller écouter ou réécouter si vous voulez en savoir plus.

Enfance et étude

Feynman nait en 1918 a Brooklyn (à New York) et développe rapidement des grandes capacités pour la physique. Il raconte dans “Vous voulez rire Monsieur Feynman” qu’il passait son temps étant enfant à aller réparer les postes de radios de tout le voisinage. A la fin du lycées, il gagne le prix de mathématiques de l’université de New York et obtient alors une bourse pour partir étudier au MIT (Massachusetts Institute of Technologies). Il va y rester jusqu’en 1939 puis aller faire son doctorat à Princeton.

Pendant ces années là il va faire beaucoup de physique, mais pas que. C’est à ce moment là que viendra aussi une sorte de répulsion pour les philosophes et les psychologues. Il casse pas mal de sucres sur leur dos dans ses livres (il a tellement réussi à se foutre de la gueule du psychologue de l’armée qu’il a été réformé après la guerre pour graves troubles psychiatriques. Pris de remord par la suite, il a écrit une lettre une lettre au service de recrutement de l’armée pour dire qu’il était un très bon prof et donc qu’il était plus utile à enseigner la physique que sur une base militaire en Allemagne, et que s’il devait être reformé ce devait être pour ça plutôt que pour grave problèmes psychiatrique, parce qu’il n’était pas fou. Mais bon ils ne l’ont pas cru).

Aussi, quand au MIT on lui demande de faire un devoir sur la conscience pour un cours de philosophie, il essaie de faire une description scientifique de ses propres rêves et des différentes phases de l’endormissement. Ce qui est assez étrange, c’est que si vous avez écouté l’épisode de podcast science sur les rêves lucides, Xilrian nous expliquait alors que faire ces choses régulièrement était une bonne manière de parvenir à faire des rêves lucides, ce qui ne manqua pas d’arriver. Dans le même genre, il va faire beaucoup un peu de caissons à isolation sensorielle dans sa vie essayant d’expérimenter sur des expériences de sorties du corps. Dans le même genre, il n’est pas vraiment clair s’il a un jour pris du LSD.

On voit déjà son côté  scientifique complet. Vraiment touche à tout. Il lit un jour un article sur les chiens limiers qui ont un odorat extraordinaire. Il va alors faire des tests avec sa femme de l’époque en lui demandant de toucher un livre au milieu de plusieurs et il devra deviner lequel. Et quand il remarque que son chien est effectivement capable de suivre ses pas dans sa maison, il va tenter à quatre pattes et le nez par terre, de voir si effectivement, il est capable de sentir sa trace. De la même façon, il va étudier, à Princeton, une colonie de fourmi.

Dans ma chambre à Princeton, il y avait une fenêtre dont le rebord était en forme de U. Un jour j’ai vu sortir d’un trou sur le rebord de la fenêtre des fourmis qui se sont mises à se promener. Du coup, je me suis demandé comment les fourmis font pour savoir où elles doivent aller. Sont-elles capables de se décrire les unes aux autres (comme le font les abeilles) l’endroit où se trouve la nourriture ? Ont elle un quelconque sens géométrique ?
Tout ça se sont des questions triviales et la réponse est bien connue. Mais moi je n’en savais rien. J’ai tendu une corde entre les deux branches du U de ma fenêtre, et j’y ai suspendu un morceau de carton plié en deux sur lequel j’ai déposé un peu de sucre. Je voulais que rien ne soit laisser au hasard, et en particulier que les fourmis ne puissent pas tomber sur le sucre par hasard ; pour cela, il fallait isoler le sucre des fourmis.
Après quoi, j’ai fabriqué avec des bouts de papiers recourbés des espèces d’embarcations, pour pouvoir transporter les fourmis d’un endroit à un autre. J’avais disposé mes embarcations en deux endroits différents : d’une part tout près du sucre, suspendues à la corde, et, d’autre part,sur le rebord de la fenêtre, là où se trouvaient les fourmis. Et puis, je me suis installé avec un bouquin, prêt à attendre tout l’après midi s’il le fallait qu’une fourmi veuille bien monter dans l’une des embarcations. La première qui s’est trouvée marcher sur une de mes barques, je l’ai transportée prés du sucre. Après avoir avoir transporté plusieurs fourmis, j’ai constaté que l’une d’entre elles se trouvait par hasard sur l’une des petites barques en papier disposée près du sucre. Je l’ai alors ramenée sur le bord de la fenêtre.
Je voulais grâce à cette expérience déterminer combien de temps il faudrait pour que les fourmis ait connaissance du fait qu’il fallait aller à la gare d’embarquement pour se faire transporter. Au début le message est très mal passé, mais au bout d’un moment, j’ai eu tellement de fourmis à transporter du sucre au bord de la fenêtre et du bord de la fenêtre au sucre que j’ai plus su ou donner de la tête.
J’ai alors commencé à transporter à transporter les fourmis qui venait du sucre en un autre endroit du bord de la fenêtre, différent du premier. Je voulais par la déterminer si les fourmis irait à la gare de manière à être transporté jusqu’au sucre, ou bien si elles chercheraient à retourner à l’endroit qu’elles venaient juste de quitter.
Au bout d’un certain temps, j’ai pu constater qu’il n’y avait plus personne à la gare et que par contre au second endroit du bord de la fenêtre, les fourmis s’agglutinaient, tournaient en rond, cherchant désespérément le sucre. J’en ai conclu provisoirement que les fourmis cherchent à revenir à l’endroit qu’elles viennent de quitter.

Vous voulez rire, Monsieur Feynman (traduction par F. Balibar et C. Guthman)

Il reviendra un peu à la biologie quand il sera à Caltech et il profitera de sa notoriété pour travailler avec des stars du domaine et faire des petits résultats. Il raconte cela avec l’émerveillement d’un élève de master qui découvre la recherche (alors qu’il est déjà prix Nobel à l’époque je crois), ce qui montre bien qu’avant d’être un grand physicien, c’est surtout un scientifique complètement passionné.

Pendant sa thèse, il est recruté (comme beaucoup de chercheurs en physique de Princeton de l’époque) pour aller travailler au projet Manhattan. Il raconte qu’il n’y est pas vraiment allé de gaité de coeur, mais qu’il se disait que si les allemands avaient la bombe avant ça ne serait pas très drôle. Il ne marque cependant pas trop de regrets dans son livre à ce sujet, contrairement à Oppenheimer, qui était beaucoup plus impliqué dans la fabrication.

Bon quand on lit son livre, on se rend compte qu’il devait être un peu chiant de temps en temps avec son côté “je ne fais pas comme les autres parce que je suis le plus malin”. Ainsi, quand on leur a demandé de prendre leur billet pour le Nouveau Mexique, on leur a dit de ne pas les prendre à Princeton parce si tout le monde prenait un Princeton-Albuquerque ça serait suspect. Du coup, tout le monde est allé dans une autre gare. Sauf Feynman, puisqu’il était le seul du coup, ce n’était pas suspect.

Ennui(s) à Los Alamos

Le lieu choisit à l’époque est Los Alamos, qui était un trou paumé en plein milieu du Nouveau Mexique, choisi justement pour son côté trou paumé. Il n’y a pas grand chose à faire. Du coup il s’emmerde un peu et passe pas mal de temps à faire chier les militaires qui s’occupent du camp. Ainsi, quand il découvre un trou dans la clôture utilisé par des ouvriers pour gagner du temps sans passer par l’entrée, il va s’en servir pour rentrer plusieurs fois de suite tout en continuant à sortir du camp par la porte. Exprès pour que le gardien à l’entrée remarque et le mette aux arrêts. Il va aussi organiser un grand concours de cryptographie avec sa femme. Sa femme avait la tuberculose (elle mourra en 1945) et devait rester à l’hôpital à Albuquerque où il allait la rejoindre le week end. Elle lui écrivait des mots codés et il devait les déchiffrer, et lui répondre en utilisant un nouveau code. Mais il sait bien que toutes les lettres sont relues par les militaires pour ne pas que l’existence du projet Manhattan soit révélé à l’extérieur. Il est convoqué à plusieurs reprises par ces militaires. Puis il a eu des ennuis avec une lettre contenant la phrase, “J’ai ordre de te demander de ne plus parler de la censure dans tes lettres…” qui évidemment lui revient car elle n’a pas passé la censure. Il passe donc son temps à tester en fait les règles qui sont mises en place pour voir jusqu’à où il peut aller. Une dernière anecdote qui pour moi est assez emblématique de cet esprit.

On nous avait donné des lunettes noires. Mais comment espéraient ils que nous pourrions voir quelque chose à 30 km avec des lunettes noires. Comme seuls les ultraviolets peuvent présenter un danger pour les yeux (la lumière visible est sans danger), je me suis installé derrière le par brise d’un camion (les ultraviolets ne traversent pas le verre) ; j’étais ainsi parfaitement protégé et parfaitement à l’aise.
A l’heure dite, une immense lueur d’un éclat insoutenable m’a ébloui et m’a obligé à baisser les yeux. J’ai alors vu sur le plancher du camion une immense tâche violette. Ce n’était évidemment qu’une impression rétinienne. J’ai donc relevé la tête et alors j’ai vu que la lumière qui était d’abord blanche virait au jaune, puis à l’orange, puis des nuages se sont formés, qui ont disparus immédiatement (ils étaient dus à des phases de compression et de dilatation de l’air). Finalement une boule orange, extrêmement brillante à commencer à s’élever dans le ciel et s’est mise à ondoyer, puis les bords se sont cernés de noir et j’ai vu se développer une grosse boule de fumée traversée d’éclairs de chaleur fulgurants.
Tout cela avait duré à peine une minute ; mais moi j’avais tout vu. Par ailleurs je crois bien être le seul à avoir tout vu. Par ailleurs je crois bien être le seul à avoir vu ce premier essai : tous les autres autour de moi n’avait rien vu à cause de leurs lunettes noires ; quant à ceux qui se trouvaient plus près ils n’avaient rien vu non plus car on leur avaient intimer l’ordre de se jeter à plat ventre sur le sol.

Vous voulez rire, Monsieur Feynman (traduction par F. Balibar et C. Guthman)

On voit donc qu’il est prêt à faire le malin pour montrer qu’il a raison au détriment de sa propre santé. En plus il se trompe : la lumière visible PEUT endommager l’oeil humain ! S’il vous plait ne reproduisez pas les expériences de Mr Feynman chez vous et protégez vous bien les yeux quand vous regardez une explosion nucléaire (ou une éclipse d’ailleurs).

Enfin, c’est à cette époque aussi qu’il a commencé sa carrière de grands forceurs de coffre forts. L’objectif était de s’amuser et de faire chier les militaires et ces collègues. On se dit qu’il était quand même assez irremplaçable, parce qu’il a quand même passé tout son séjour à tenter de démontrer par l’exemple que le programme le plus secret de l’humanité à se moment là n’était vraiment pas assez sécurisé. Bon je vous le laisserai lire ce chapitre, c’est très amusant.

Bon comme il le dit lui même, personne n’a vraiment fait de physique aux états unis à cette époque, car tous les bons physiciens sont à Los Alamos, où ils font surtout de l’ingénierie. On peut tout de même remarquer qu’il va commencer à faire de l’informatique là bas et qu’il aime bien ça. Il va y revenir à la fin de as vie de manière intensive et aider à la création du premier ordinateur massivement parallèle.

Les diagrammes de Feynman

Cornell university est son premier poste, juste après la guerre. Il est terriblement ennuyé au début car il a l’impression de ne rien trouver, et même d’avoir perdu l’envie de chercher. Mais c’est aussi à ce moment là qu’il réalise à quel point il aime enseigner. A ce moment là on lui a aussi proposé de rejoindre l’Institute for Advanced studies. C’est un laboratoire où les chercheurs n’ont pas d’obligation de résultats ou d’enseignement et peuvent se consacrer uniquement à la recherche. Einstein, Dirac et Gödel y sont passés par exemple. Feynman en dit cependant

Je ne pense pas que je pourrais vivre sans enseigner, pour une raison bien simple, c’est que quand je ne trouve rien, il me faut au moins quelque chose à quoi me raccrocher. Il faut que puisse me dire “au moins j’existe je fais quelque chose, je fais quelque chose, je ne suis pas inutile”. C’est purement psychologique.
J’avais pu observer lors de mon passage à Princeton dans les années 40, ce qu’il advenaient de tous ces génies que l’on avait rassemblé au sein de l’Institute for Advanced studies. Ils avaient été choisi pour leurs capacités intellectuelles hors du commun et on leur avaient offert la possibilité de vivre entre eux, confortablement installé au milieu des bois, sans aucune obligation d’enseignement, sans obligation d’aucune sorte. Vraiment ce n’était pas un sort enviable ; il n’y a plus alors qu’une seule chose à faire : penser et discuter. Hors les idées ne viennent pas toujours immédiatement ; et comme on est là pour avoir des idées, j’imagine que dans ce genre de situation, on doit se sentir quelque peu coupable, déprimé en tout cas. On commence à douter, à s’inquiéter de ce que les idées ne viennent pas. Et puis rien ne se passe et les idées ne viennent toujours pas.
Rien ne se passe car il n’y a pas d’activité réelle, pas de situation qui vous interpellent. On est coupé de l’ensemble des physiciens dans les laboratoires, les étudiants ne sont plus là pour vous poser des questions embarrassantes. C’est le vide.
Comme toujours dans l’activité intellectuelle, il y des moments où tout marche comme sur des roulettes, où les bonnes idées viennent aisément. Dans ce cas, le fait d’avoir à enseigner est ressentie comme une interruption, comme une contrainte horrible. Oui, mais il y a aussi des moments, qui eux durent beaucoup plus longtemps, où on est plutot sec : on a guère d’idées ; et dans ce cas là, si on a pas d’autres choses à faire, si on ne peut pas se dire : “Au moins j’ai fait mon cours aujourd’hui”, il y a de quoi devenir dingue.

Vous voulez rire, Monsieur Feynman (traduction par F. Balibar et C. Guthman)

Je trouve qu’il a un côté très décomplexant sur la recherche, en tout cas pour un chercheur. Après une période où il ne va pas trop faire de recherche selon ses propres dires, il va tout de même découvrir les diagrammes de Feynman, qui vont lui valoir un prix Nobel.

Feynman diagrams have revolutionized nearly every aspect of theoretical physics.

Les diagrammes de Feynman ont révolutionnés quasiment tous les domaines de la physique théorique.

David Kaiser, historien des sciences.

Le physicien Gilles Cohen-Tannoudji les décrit quant à lui comme “les partitions musicales du modèle standard”. Pour la description des diagrammes qui va suivre, je me suis inspiré d’une conférence de Gilles Cohen-Tannoudji. Gilles, c’est le frère de Claude Cohen-Tannoudji, prix Nobel de physique en 1997.

Au début, on a la dualité onde-corpuscule. Le problème de la dualité a duré pendant tout le XIXème siècle et vient du fait que certains phénomènes s’expliquent très bien avec des photons, des particules élémentaires de lumière, tandis que d’autres s’expriment très bien en considérant que la lumière est une onde. Prenons une source lumineuse ponctuelle que vous observez dans un miroir. Vous avez l’impression que cette lumière se propage en ligne droite, se réfléchie en un point et vous arrive dans l’oeil. Vous ne voyez pas tout le miroir qui brille. Du coup, on peut très simplement tracer des rayons lumineux, ce qu’on appelle l’optique géométrique, qui est finalement le chemin des photons. Mais comment relier ça avec le fait que la lumière est aussi une onde qui se propage dans toutes les directions ? Et bien au XIX, on a fait le calcul en prenant une onde. Et on a sommé toutes les contributions lumineuse sur tous les chemins possibles. Et on s’aperçoit que sur la plupart des chemins, le champ de la lumière, qu’on appelle champ électromagnétique, va faire des interférences destructives, et s’auto-annuler.

Au début du XXème, Louis De Broglie dit en particulier que tous les objets physiques peuvent présenter des propriétés d’ondes ou de particules. Du coup un électron par exemple est aussi décrit par un champ.

Maintenant, on va prendre une interaction entre un photon et un électron, que l’on appelle l’effet Compton. Vous pouvez traiter l’interaction en tant que particules classiques. La “boule” électron tape la “boule” photon et rebondi dans ce que l’on appelle un choc élastique. A la fin, on a à nouveau un photon et un électron, avec des propriétés différentes. Très bien.

Mais comme dans le cas de la lumière, si vous voulez décrire totalement cette interaction, vous allez devoir vous taper la somme sur tous les chemins. C’est à dire sur toutes les possibilités. Dans l’image ci dessous je montre deux exemples de diagrammes simples pouvant décrire l’interaction entre un photon (en bleu) et un électron (en noir) arrivant par la gauche (le passé), résultant aussi en un photon et un électron à droite (le futur). Dans Dans le cas (1), l’électron émet un photon puis un peu plus tard, interagit avec le photon arrivant et l’absorbe. Dans le cas (2), le photon à gauche créé une paire électron positron (qui est représenté dans ces diagrammes par une ligne noire avec une flèche qui va de la droite, vers la gauche, donc comme un électron avec une flèche qui va “vers le passé”). Ce positron, en rencontrant un peu plus tard l’électron qui arrive de la gauche, va créer un photon. Dans les deux cas, on a la même situation au début et à la fin, mais pas le même processus et ces deux processus sont possibles et doivent être pris en compte pour décrire totalement le phénomène.

Le vrai calcul devient apparemment effroyable (je dis apparemment, parce que je l’ai jamais fait moi même). Et que comme tous les physiciens sont aussi un peu matheux, ils ont horreurs de calculer. Les diagrammes de Feynman sont une façon de représenter les équations mathématiques qui décrivent le comportement des particules élémentaires. Il s’agit d’un diagramme dont une dimension représente l’espace et l’autre représente le temps. On peut ainsi répertorier tous les états possibles. A la fin, on utilise des règles qui permettent d’associer à chaque sommet une équation mathématique, ce qui permet de calculer ce qu’on veut de manière beaucoup plus facile. Il ne faut pas voir ces diagrammes comme une description de la réalité, mais comme une aide pour pouvoir décrire les équations de manière claire. On peut ainsi faire un calcul affreux avec des petits dessins.

Je suis conscient que cette explication est un peu courte et je m’en excuse, c’est sans doute car je n’ai pas assez bien compris cette théorie. Je vous renvoie à la conférence de Gille Cohen-Tannoudji, à ce site (en anglais) et à cette citation de Feynman:

Will you understand what I’m going to tell you? … No, you’re not going to be able to understand it. … That is because I don’t understand it. Nobody does.

Ce qui ressort pas mal de ses livres est cette capacité à se moquer parfois très méchamment des gens qui pensent tout savoir ou comprendre, tout en gardant une grande humilité lui même. Les gens avaient pas mal peur de lui à la fin de sa vie je crois.

Cette simplification de la théorie quantique des champs à permit de grandes avancées et en particulier à ouvert la voie à toute une branche de la physique des particules, qui ont alors commencé à pleuvoir.

Il raconte qu’une année il s’est retrouvé dans une tempête de neige à Ithaca, petite ville de l’état de New York, pas très loin de New York et qu’il a décidé de partir en Californie pour le reste de sa vie. Après avoir vécu un hiver sur la côte Est, je le comprends.

Il va aussi partir au Brésil pendant un moment et y intégrer une fanfare de Bongo qui est une sorte de tambour brésilien.

Il va en faire jusqu’à ce que sa fanfare gagne un prix local, dont il tire une grande fierté. Il va aussi partir au Japon pendant un moment, voyage dont il tire d’autres anecdotes amusantes.

Caltech

On peut aussi citer des avancements dans l’explication de la superfluidité de l’hélium 4. On s’était aperçu que lorsque l’hélium 4 est refroidi au-dessous d’une température critique (2,19K), il semble perdre sa viscosité. C’est à dire par exemple que si on le fait circuler dans un tuyau, sa vitesse est indépendante de la section du tuyau en question. Il a montré que cet effet était un effet quantique observé à l’échelle macroscopique.

Durant ces années à Caltech, on va lui proposer d’enseigner les cours de physique aux premières années. Il va se mettre à fond dans la tache et produire une oeuvre qui est toujours éditée (et qui est maintenant en ligne intégralement). Ces cours (les Lectures on Physics de Feynman) sont toujours un incontournable pour les enseignants de physique par leur approche révolutionnaire. (Je dois avouer que je ne les ai pas encore lu complètement, mais je pense aussi qu’il faut parvenir à une certaine maturité en physique pour en comprendre la portée).

En 1986, la navette Challenger explose quelques minutes après le décollage, en live sur CNN : la video du live avec un grand silence puis une voix qui sort un bel euphémisme “Obviously a major malfunction” est assez glaçante. On lui demande alors de faire partie de la commission d’enquête ce qu’il accepta après quelques hésitations. Il montre en direct à la télé que certains joints, en présence du froid, perdent de leur élasticité. Son rapport est très critique envers la hiérarchie de la NASA, qui ne comprenait parfois pas les concepts de bases manipulés par les ingénieurs.

Il y a encore énormément à dire sur Feynman encore, mais je finis par une petite anecdote qui montre que même sur son lit de mort, il continuait à se moquer des gens autour de lui. A la fin de sa vie, alors qu’il avait un cancer incurable, il continuait, comme le raconte son ami Danny Hillis dans une vidéo TEDx.

Pendant qu’il est tout seul, il en profite pour jeter un coup d’oeil rapide a la feuille de soin à côté de son lit. Un peu plus tard, son docteur rentre dans sa chambre d’hôpital et lui demande :

– Comment allez vous Professeur Feynman aujourd’hui ?

– Pas mal, mais j’ai l’impression que mon taux de sodium est un peu bas.

– C’est incroyable docteur Feynman, comment le savez vous ?

– Et bien, je me suis aperçu que ma capacité à factoriser des polynômes est dépendante de mon niveau de sodium…

3 livres écrits par Feynman

• Le plus célébre : Vous voulez rire Monsieur Feynman (1985) Beaucoup d’anecdotes, se lit très facilement.
• Plus ou moins la suite Qu’est-ce que ça peut vous faire ce que les autres pensent ? La dernière partie parle de la commission Challenger
• Un cycle de conférence Vous y comprenez quelques chose, Monsieur Feynman ? Il donne son avis sur un peut tout : les ovnis, les russes, la science

Autres

• Une conférence de Gille Cohen-Tannoudji sur les diagrammes de Feynman.
• Le site regroupant gratuitement toutes les Feynman Lectures on Physics.
• Le site de Microsoft research qui propose plusieurs vidéos d’un cycle de conférence donnée par Feynman en 1964 à Cornell et qui sont la base du volume 1 des Feynman Lectures on Physics. C’est pas extrêmement pratique, il faut installer un add-on à votre navigateur, mais ça vaut le coup.