ذرات بنیادی؛ از پل دیراک تا ریچارد فاینمن

به قسمت دوازدهم مجموعه مقالات گذری بر فیزیک کوانتوم خوش آمدید. در یازده قسمت گذشته، مباحث و اتفاقات بسیاری در جهان فیزیک را نقد و بررسی کرده‌ایم. در این قسمت وارد بحث ذرات بنیادی می‌شویم و گشت‌و‌گذار در دنیای ذرات می‌پردازیم. در این قسمت به سراغ دو تن از بزرگان علم فیزیک می‌رویم. یکی از آن‌ها بسیار آرام، متین و گاها منزوی و دیگری بسیار فعال و پر شور و هیجان است. در این قسمت با پل دیراک و ریچارد فاینمن آشنا می‌شویم و از اتفاقات علمی آن زمان را مرور می‌کنیم.

ریچارد فاینمن نامی شناخته شده در دنیای فیزیک است. او معلمی بی‌بدیل و فیزیکدانی خلاق بود. برخلاف بسیاری از فیزیکدانان به‌شدت خوش مشرب بود و حرف‌هایش برای همه اقشار جامعه جذابیت داشت، چرا که داستان‌سرایی حاذق بود. از سوی دیگر پل دیراک، یک فیزیکدان آرام و گریزان از جامعه بود. تمام زندگی او در دفتر کارش خلاصه می‌شود و غرق در زیبایی فیزیک و پیوند میان فیزیک و ریاضیات بود. 

این مقاله نزدیک به ۸ هزار کلمه محتوا دارد و برای آن که راحت‌تر مطالعه شود به ۲ قسمت تقسیم شده است. بدیهی است که این جنس مقالات با اخبار روزانه تفاوت ساختاری فاحشی دارند و هدف آن‌ها افزایش دانش، بینش و سواد حقیقی شما است. بنابراین اگر تمایل به خواندن آن دارید، حتما آن را ذخیره کنید و در طول مدت زمان حداقل ۲ روز مطالعه کنید. به مانند قسمت‌های قبلی، تمامی سعی نگارنده بر این بوده است، که مطالب به زبانی ساده و گیرا بیان شود و با بررسی، جمع‌آوری و مطالعه‌ی چندین کتاب سعی شده است، تا بر این اصل مهم خود وفادار بمانیم.

داستان زندگی پل دیراک مانند یک رمان روان شناختی غمگین است. او در تمام دوره‌ی کودکی، نوجوانی و اوایل بلوغ در بریستول انگلستان تحت سلطه‌ی یک پدر مردم گریز بود. چارلز دیراک ارتباطات اجتماعی را بی‌فایده می‌دانست و برداشت غم‌بار خود از زندگی را بر خانواده‌اش تحمیل می‌کرد. او در دانشگاه بریستول، زبان فرانسه تدریس می‌کرد و درس فرانسه را با خود به خانه نیز می‌آورد، به این صورت که پل را مجبور می‌کرد، تا سر میز شام با او فرانسه صحبت کند. این رفتار فاجعه‌بار، ریشه در کودکی چارلز دیراک در سوییس داشت که در بیست سالگی از خانه فرار کرده بود.

البته وضع پل به این بدی نشد ولی به پدرش علاقه‌ای هم نداشت. هنگامی که پل دیراک که در سال ۱۹۳۳ برنده جایزه نوبل شد، از پدرش برای شرکت در مراسم اعطای جوایز دعوت نکرد. و هنگامی که پدرش در سال ۱۹۳۶ درگذشت، پل در نامه‌ای به همسرش نوشت؛

اکنون احساس می‌کنم که خیلی آزادتر هستم.

درس‌های فرانسه در سر میز شام، مهارت کلامی چندانی برای پل به ارمغان نیاورد. در یک کلام، او ساکت بود! دیراک بعدها درباره‌ی کم حرفی خود چنین نوشت؛

چون فهمیدم، نمی‌توانم منظور خود را به فرانسه بیان کنم، تصمیم گرفتم که ساکت بمانم تا آن‌که حتی بخواهم به انگلیسی صحبت کنم. بنابراین از همان هنگام که خیلی هم زود شروع شد، خیلی کم حرف شدم!

ارتباطات او با همکارانش نیز به همین شکل ادامه داشت. او پاسخ همکاران را با کمترین کلمات ممکن می‌داد. او در پاسخ به پرسش‌های مستقیم بر مبنای واقعیات پاسخ می‌داد و ممکن بود پنج روز طول بکشد، تا بتوان یک پاسخ پنج کلمه‌ای او را فهمید. او به نیلز بور که برعکس او خیلی حرف می‌زد یک روز گفته بود؛

وقتی جوان بودم، آموختم که نباید هیچ جمله‌ای را آغاز کنم مگر بدانم که چگونه می‌خواهم آن را به پایان برم.

سلطه‌ی پدر، به‌صورت منفی دیراک را به سوی سرنوشتش راند. پل نمی‌توانست علیه نفوذ پدرش قیام کند و از این رو، کمبود زندگی اجتماعی و احساسی خود را با تمرکز بر ریاضی و فیزیک جبران می‌کرد.

معلم‌های دبیرستان، متوجه استعداد او شدند و تشویقش کردند. دانشگاه بریستول، جایی که پدرش تدریس می‌کرد انتخاب طبیعی او برای تحصیلات عالی بود. اما دروس دانشگاه او مناسب یک فیزیکدان خوش ذوق نبود، چارلز دیراک هردو پسر خود را مجبور کرد، که مهندسی بخوانند. رجینالد برادر پل که می‌خواست دکتر شود، در مهندسی موفق نبود و عاقبت بر اثر افسردگی شدید، دست به خودکشی زد. پل منفعل‌تر و کمتر در بند آینده بود، در دروس مهندسی موفق بود و درس‌های ارزشمندی از آن‌ها آموخت. او به این نکته پی برد، که شاید نتوان قوانین فیزیک را به نحو مناسبی با زبان ریاضی محض بیان کرد، بلکه برای این هدف شاید احکام ریاضی شهودی، مناسب‌تر باشند. بااین‌حال، کار عملی در زمینه‌ی مهندسی و فناوری به درد دیراک نمی‌خورد و پس از اتمام تحصیل، نتوانست کاری پیدا کند، بنابراین دو سال دیگر در دانشگاه بریستول ماند و به تحصیل ریاضی پرداخت.

کمبریج نجات بخش دیراک بود، در سال ۱۹۲۳ در سن بیست و یک سالگی به‌عنوان دانشجوی پژوهشگر به کمبریج رفت. یعنی برای گذراندن همان دوره‌ای که رادرفورد در دهه‌ی قبل از آن گذرانده بود. انتخاب اول دیراک پژوهش درباره‌ی «نظریه نسبیت» (برای اطلاع بیشتر به قسمت چهارم مراجعه کنید) بود. استاد راهنمای او در این پروژه رالف فاولر بود. این انتخاب برای دیراک مبارک بود، چرا که فاولر داماد رادرفورد بود و شاید تنها حلقه‌ی اتصال میان نظریه‌پردازان و آزمایشگران در آزمایشگاه کاوندیش به حساب می آمد.

به سختی می‌شد فاولر را برای مشاوره پیدا کرد، ولی این موضوع دیراک را چندان ناراحت نمی‌کرد، او تنها کار می‌کرد و نیاز به راهنمایی هر روزه نداشت. با راهنمایی‌های دورادور فاولر، دیراک وارد جهان نظریه‌ی اتمی و فیزیک آماری شد و چیزی را یافت که پیش‌تر در نظریه‌ی نسبیت، او را تحت تأثیر قرار داده بود؛ یعنی تصاویر زیبا و جذاب ریاضی از طبیعت!

دیراک بعدها می‌نویسد؛

فاولر من را با حوزه‌ی کاملا جدید اتم رادرفورد، بور و زومرفلد آشنا کرد. قبل از آن، چیزی درباره نظریه بور نشنیده بودم. این نظریه چشمانم را کاملا باز کرد. از اینکه می‌دیدم معادلات الکترودینامیک کلاسیک را نمی‌توان در مورد اتم به کار برد، خیلی شگفت زده شدم. من همیشه اتم‌ها را موجوداتی کاملا فرضی در نظر می‌گرفتم و حالا می‌دیدم کسانی هستند، که درواقع با ساختار اتم‌ها سروکار دارند. 

دیراک به‌زودی آموخت، که چگونه خلاقیت علمی خود را پرورش دهد و آن را بیان کند و بعد از حدود یک سال اقامت در کمبریج از یک دانشجو، به مرتبه‌ی یک دانشمند دارای کارهای منتشر شده ترقی پیدا کرد. طی دو سال بعد از آن، او به اولین دستاورد از مجموعه دستاوردهای عظیم خود در زمینه مکانیک کوانتومی دست یافت. او به ندرت با فیزیکدانان دیگر همکاری می‌کرد. از مجموع بیش از دویست و پنجاه مقاله‌ی منتشر شده‌ی او، تنها تعداد کمی با همکاری دیگران نوشته شده‌ است. او حتی تردید داشت تا در مورد نظریه‌هایش، پیش از انتشار، با همکارانش گفت‌وگو کند، او مخفی کاری نمی‌کرد، بلکه مانند اینشتین و گیبس به توانایی خود به‌عنوان یک نظریه پرداز آن قدر اطمینان داشت، که اساسا نیازی به تأیید دیگران احساس نمی‌کرد. بازدید کنندگانی که از گوتینگن و کپنهاگ به سراغ او می‌آمدند، از عادت‌های کاری دیراک متعجب می‌شدند، چرا که در آنجا، کار گروهی سازمان یافته عاملی ضروری برای پیشرفت به شمار می‌رفت.

هنگامی که دیراک از آموزش زیر نظر فاولر فارغ شد و شروع به مطالع و پژوهش درباره‌ی دنیای سریعا گسترش یابنده‌ی مکانیک کوانتومی کرد، متوجه وجود دو روش مختلف شد. یکی از این دو روش، مکانیک ماتریسی ( برای مطالعه‌ی بیشتر درباره‌ی آن به این مقاله مراجعه کنید) بود که از سوی اعضای مکتب گوتینگن (هایزنبرگ، بورن، و جوردان) حمایت می‌شد. روش دوم، مکانیک موجی شرودینگر(برای مطالعه‌ی بیشتر درباره‌ی آن به این مقاله مراجعه کنید) بود که در زوریخ سوییس هواداران بسیار داشت.

روش ماتریسی با جدول‌هایی از اعداد (ماتریس‌ها) کار می‌کند و از بعضی قواعد جبر شامل جمع، تفریق، ضرب، انعکاس، تبدیل و ... پیروی می‌کند. مکانیک موجی ریشه در حسابان دارد؛ معادله‌ی اساسی آن که معادله شرودینگر نامیده می‌شود، یک معادله‌ی انرژی به‌صورت معادله‌ی دیفرانسیل است.

برای دیراک این هضم این اتفاق از نظر ریاضی غیرقابل قبول بود و از نظر او مکانیک کوانتومی به دو روش مختلف نیاز نداشت، چرا که مکانیک ماتریسی و مکانیک موجی با مسائل یکسانی سروکار داشتند و به جواب‌های یکسانی نیز منجر می‌شدند. از این رو، هر دوی آن‌ها باید نماینده‌ی یک زبان ریاضی واحد و خوش ساخت‌تر باشند. دیراک نخست کار خود را بر این قاعده‌ی عجیب ضرب هایزنبرگ متمرکز کرد، که برای ماتریس‌های مکانیک هایزنبرگ xy مساوی yx نیست!

این سخت بدین معنا است که در ماتریس‌های هایزنبرگ xy برابر yx نیست و این یعنی xy - yx برابر صفر نیست. بنابراین ریاضی چیزی به اسم جابه‌جا گر را تعریف کرد، که چنین نمایش داده می‌شود؛

این موجود ریاضی شباهت ظاهری بسیاری با کروشه پواسون دارد. این موجود ریاضی را نظریه پردازان قرن نوزدهم به کار گرفتند، تا مکانیک نیوتونی را به‌صورت مختصر و جامع درآورند. دیراک در نخستین مقاله‌ی مهم علمی خود که در سال ۱۹۲۵ منتشر شد، نشان داد که میان مکانیک کلاسیکی که با کروشه‌های پواسون بیان می‌شود و مکانیک کوانتومی که با نمادگذاری کروشه‌های خودش بیان می‌شود، هماهنگی حیرت‌آوری وجود دارد. نظریه پردازان دیگر نیز در مسیر همین نظریه حرکت می‌کردند، اما کار استادانه دیراک چیز دیگری بود. ماکس بورن از دیدن مقاله‌ی دیراک به‌حدی شگفت زده شده بود که بعدها چنین یادآوری می‌کند؛

نام دیراک برای من کاملا نا آشنا بود. به‌نظر می‌رسید که مؤلف مقاله، جوانکی جویای نام باشد، با وجود این، همه چیز در مقاله‌ی او کاملا در جای خود و تحسین برانگیز بود.

این اتفاق چندان برای هایزنبرگ خوشایند نبود و او در نامه‌ای که برای پائولی نوشته بود، این نکته را ذکر می‌کند که یک انگلیسی توانسته تمام روابط ریاضی مربوط به کار او را مستقلا دوباره انجام دهد و این اتفاق چندان برای او و ماکس بورن خوشحال کننده نیست. اما به هرحال اهمیت کار دیراک در این بود، که نشان داد نظریه هایزنبرگ کاملا درست است. 

اما «جوانک» حرف‌ها بسیار زیادی برای گفتن داشت و این مقاله تنها شروع کار او بود. در سال ۱۹۲۶ او مکانیک کوانتومی را به سطح ریاضی بالاتری رساند، سطحی که در ورای دو قطبی مکانیک ماتریسی و مکانیک موجی قرار داشت و این در حقیقت همان «نظریه‌ی تبدیل» بود!

این نظریه به بیان ساده، نشان داد که چگونه می‌توان یک روایت از مکانیک کوانتومی را به روایت دیگر تبدیل کرد و نشان داد که انتخاب مکانیک ماتریسی یا مکانیک موجی تنها به سلیقه‌ی کاربر یا اقتضای موقعیت بستگی دارد. دیراک در نظریه‌ی تبدیل خود، جوهره‌ی منطقی مکانیک کوانتومی را نشان داد و به آن افتخار می‌کرد. او بعدها نوشت:

پیشبرد و به سرانجام رساندن این کار (نظریه‌ی تبدیل) بیش از هر مقاله‌ی دیگری که قبل یا بعد از آن درباره‌ی مکانیک کوانتومی نوشته‌ام برایم لذت‌بخش بوده است.

عادت دیراک به کار در انزوا موجب می‌شد، تا حتی همکاران او در کمبریج هم ندانند، که کار بعدی او چه خواهد بود. او به‌حدی خاموش و ساکت عمل می‌کرد که گویی کشفیات او از آسمان نازل و بر او یک شبه وحی می‌شدند. به همین ترتیب نظریه‌ی نسبیتی الکترون که بسیاری از تحلیل‌گران آن را بزرگ‌ترین کار دیراک در فیزیک می‌دانند در سال ۱۹۲۸ از آسمان فرو افتاد!

برای بررسی اجمالی مسئله‌ی انرژی باید از نزدیک نگاهی به معادله‌ی شرودینگر بیندازیم، برای یک الکترون آزاد (الکترونی که به اتم مقید نیست)، این معادله ‌مقدار انرژی جنبشی را برحسب تکانه محاسبه می‌کند. در مکانیک نیوتونی، انرژی جنبشی را با نماد E نشان می‌دهیم و با فرمول زیر محاسبه می‌شود؛

E = 1/2 mv²

که در آن m جرم ذره و v سرعت آن است. همچنین تکانه را با نماد p نمایش داده و فرمول آن چنین است؛ (حاصل ضرب جرم ذره در سرعت آن)

p = mv

بنابراین با کمی بازی ریاضی و ترکیب می‌توان به رابطه‌ی زیر دست پیدا کرد؛

E = p²/2m

شرودینگر قواعدی را فراهم کرد که این معادله‌ی کلاسیک را به یک معادله‌ی کوانتوم مکانیکی تبدیل کند که رفتارهای الکترون‌های آزاد را شرح می‌دهد. شکل معادله‌ی شرودینگر به‌صورت زیر است:

در این معادله ψ یکی از مهم‌ترین اجزای مکانیک کوانتومی است و آن را تابع موج می‌نامیم. بحث بیشتر درباره‌ی جزییات این معادله و حوادث مرتبط با تکامل با آن را به کتاب‌های فیزیک دانشگاهی می‌سپاریم و به‌طور کلی به کاری که دیراک انجام داد، می‌پردازیم. 

وظیفه‌ی دیراک، آن‌گونه که خودش می‌پنداشت آن بود، که معادله دیفرانسیلی به شکل معادله‌ی نسبیتی ابداع کند، که تا حد امکان از همان قواعدی پیروی کند، که پیش‌تر به شرودینگر کمک کرده بودند. این کار، مسئولیت بسیار سنگینی بود که به ابتکار ریاضی زیادی نیاز داشت. پس از دو ماه کار دیراک به آن‌چه می‌خواست رسید و معادله‌ی الکترون نسبیتی در زیباترین شکل خود درآمد:

iγ.∂ψ = mψ

مانند بعضی دیگر از معادلات بزرگ فیزیک نظری (مانند معادله‌ی میدان گرانشی اینشتین)، معادله‌ی الکترون دیراک، به آن سادگی که به‌نظر می‌رسد، نیست و تمام جنبه‌های دیفرانسیلی معادله در نماد ∂ متراکم شده است. این معادله الکترون آزادی را توصیف می‌کند، که تحت تأثیر یک میدان خارجی قرار ندارد. اگر این معادله را به‌گونه‌ای بسط دهیم تا تأثیر میدان الکترومغناطیسی اعمال شده را نیز در بر بگیرد، اتفاق شگفت‌آوری رخ می‌دهد، زیرا بدون آن‌که نظریه‌پرداز هیچ‌گونه قصد قبلی داشته یا دستکاری کرده باشد، خود معادله نشان می‌دهد، که الکترون‌ها حرکت اسپینی دارند. بدین ترتیب حدس همیشگی فیزیکدانان به یقین تبدیل شد و ثابت شد که نسبیت و اسپین به‌یک دیگر مربوط هستند.

در آن زمان، نظریه‌ی دیراک را یک معجزه به حساب آوردند. معجزه این نظریه آن بود، که حرکت اسپینی الکترون را استنتاج کرد. کاری که پیش از دیراک هیچ‌یک از نظریه‌های آن زمان به آن نزدیک هم نشده بودند. 

فیزیکدانان نظری برای ساختن نظریه‌های خود همان قدر که به روال‌های دقیق و منطقی نیازمند هستند، محتاج الهام هنرمندانه‌اند. بنابراین نمی‌توان تنها با تکیه بر استدلال سرراست، یک نظریه‌ی بزرگ پدید آورد، همان‌طور که نمی‌توان تنها به کمک یک کتاب درسی اصول آهنگ‌سازی، یک سمفونی بزرگ پدید آورد! یک آهنگساز موفق باید گوش دقیق تنظیم شده داشته باشد، به همین‌صورت یک نظریه پرداز باید بصیرت خوب تنظیم شده داشته باشد. آهنگساز و نظریه‌پرداز، هر دو در جست‌وجو و امید دستیابی به نوعی زیبایی در کارشان هستند.

دیراک معتقد بود، که یک قانون فیزیکی باید دارای زیبایی ریاضی باشد. این یک اصل اساسی برای او بود که فلسفه‌ی فکری وی را در بر می‌گرفت. دیراک خطاب به فیزیکدانان نظری می‌گوید؛

حداقل برای شروع، بگذارید که ریاضی راهنمای شما باشد. ابتدا با ریاضیات زیبا، به‌خاطر خود ریاضی، بازی کنید، سپس بررسی کنید که آیا این رویه شما را به یک فیزیک جدید راهنمایی می‌کند یا خیر. دنبال زمینه‌های مشترک بگردید، شاید بتوان وضعیت را این‌گونه تشریح کرد، که ریاضیدان در حال نوعی بازی است که قواعد آن را خود ابداع می‌کند، اما فیزیکدان مشغول یک بازی است، که قواعد آن را طبیعت وضع می‌کند! اما با گذشت زمان، آشکار خواهد شد که قواعد مورد علاقه‌ی ریاضیدان، همان قواعدی است که طبیعت برگزیده است!

اینشتین در جایی گفته بود که؛ «ریاضیات، اصل سازنده است» دیراک با این حرف کاملا موافق بود و در تأیید آن گفت:

شاید بتوان گفت، که خداوند ریاضیدان بسیار ماهری است و در ساخت عالم از ریاضیات بسیار پیشرفته‌ای استفاده کرده است.

دیراک بر این نکته تأکید داشت که زیبایی ریاضی، مترادف سادگی نیست. ساده‌ترین نظریه شاید بهترین نظریه باشد، ولی الزاما چنین نیست. به‌طور مثال نظریه‌ی گرانش نیوتن، بسیار ساده‌تر از نظریه‌ی اینشتین است ولی نظریه‌ی اینشتین عمیق‌تر است و بیشتر به خاطر زیبایی‌اش مورد تحسین قرار گرفته است. یکی از زیبایی‌‌های نظریه‌ی اینشتین که اکثریت فیزیکدانان با آن موافقند این است، که این نظریه بدون استدلال تجربی پدید آمده است و به‌خاطر ارزش‌های زیبایی شناختی آن باید درست باشد!

یکی از معروف‌ترین ابداعات دیراک، «تابع دلتا دیراک» نام دارد که با نماد δ نمایش داده می‌شود. هنگامی که دیراک استفاده از آن را آغاز کرد، به لحاظ ریاضی چندان مورد توجه نبود. مدت‌ها پس از آنکه او تابع دلتا را به‌طور تصادفی برای مکانیک کوانتومی خودش به کار گرفت، ریاضیدانان مشروعیت صوری آن را نشان دادند.

جولان دادن دیراک در دنیای ریاضیات به‌عنوان یک فیزیکدان، به مذاق بسیار از ریاضیدانان خوش نمی‌آمد و در حقیقت بزرگ‌ترین منتقدان او ریاضیدانان بودند. یک ریاضیدان آمریکایی به‌نام گرت برکوف در نامه‌ای نوشت؛

برخلاف انتظار، متوجه شدم درحالی‌که روش دیراک برای نمایاندن سیستم‌های فیزیکی بسیار متداول است، اما حاوی هیچ اصل شناخته شده‌ای از ریاضیات نیست. دیراک شماری آزادی‌های ریاضی برای خود قائل می‌شود. از نظر من دیراک دست‌کم در درک اصول، سازگاری منطقی و امکانات بسط یک نظریه‌ی اساسی نسبتا ضعیف است.

دیراک، قسمت اعظم کار سازنده‌ی خود را در خلال سال‌های ۱۹۲۵ تا ۱۹۳۳ انجام داد. در آن دوران، او به‌عنوان یکی از چهره‌های اصلی علم در قرن بیستم ظاهر شد و چهره‌ی فیزیک را دگرگون کرد. در سال ۱۹۳۲ استاد کرسی لوکاسی دانشگاه کمبریج شد، که زمانی متعلق به نیوتن بود. یک سال پس از استادی در کمبریج، دیراک جایزه‌ی نوبل را دریافت کرد. دیراک همواره از شهرت و تجمل‌گرایی گریزان بود و سکوت و فرار از جمعیت را ترجیح می‌داد. به همین دلیل در ابتدا قصد داشت که جایزه‌ی فیزیک نوبل را نپذیرد، چرا که از شهرتی که این جایزه برای او ایجاد می‌کرد، بیمناک بود. 

ارنست رادرفورد او را قانع کرد، که این جایزه را بپذیرد، چرا که از نظر رادرفورد، رد کردن این جایزه شهرتی بسیار بیشتر از پذیرفتن آن برای دیراک به ارمغان می‌آورد و این آن چیزی نیست که مرد انگلیسی دنبال آن باشد. 

دیراک که در دهه‌ی ۱۹۳۰ نظریه‌ای برای الکترون‌های آزاد تدوین کرده بود، قدم بعدی را برداشت و تلاشی طولانی را آغاز کرد، تا نظریه‌ای درباره‌ی الکترودینامیک کوانتومی (به اختصار آن را QED می‌نامند)  بسازد این نظریه درباره‌ی برهم کنش الکترون با الکترون یا ذرات بنیادی دیگر سخت می‌گفت.

متاسفانه خلاقیت و تلاش این بار او را یاری نکردند و درک او از زیبایی ریاضی، برخلاف کارهای گذشته‌اش، راهنمای او در اکتشاف موفقیت‌آمیز نشد. نظریه‌ای که در اواخر دهه‌ی ۱۹۴۰ در کانون توجه قرار گرفت و موجب حل مسائل الکترودینامیک شد، ویژگی‌هایی داشت، که دیراک نمی‌توانست آن‌ها را بپذیرد.

نظریه‌ی جدیدی که ریچارد فاینمن، جولیان شوینگر، شینی چیرو توموناگا و فریمن دایسون به وجود آوردند، به‌عنوان ابزاری برای محاسبه‌ی ویژگی‌های الکترون و بررسی برهم‌کنش‌های میان همه نوع ذرات بنیادی، موفقیت شگرفی یافت. اما معادلات نظریه حاوی کمیت‌های نامتناهی پنهان بود، که به شکل ریاضی نظریه صدمه می‌زدند.

دیراک به مدت چند دهه تلاش کرد، تا زیبایی را به معادلات الکترودینامیک بازگرداند ولی هرگز آن‌چه را که می‌جست، نیافت! او در سال ۱۹۷۹ در سن هفتاد و هفت سالگی در یک ارزیابی نومیدانه نوشت؛

در حقیقت، من تمام عمر خود را صرف یافتن معادلات بهتری برای الکترودینامیک کوانتومی کرده‌ام و تا به حال موفق نشده‌ام، ولی به این کار ادامه خواهم داد.

سرنوشت دیراک مانند اینشتین بود. اینشتین سال‌های بسیاری را صرف جست‌وجویی بی‌حاصل برای یافتن نظریه‌ی واحدی برای میدان‌های گرانشی و الکترومغناطیسی کرد.

دیراک و اینشتین از بعضی جهات شبیه به یکدیگر بودند. هر دو از دانشمندان بزرگ قرن و به‌دنبال زیبایی و سادگی در فیزیک نظری بودند. دیراک در سال‌های پایانی عمر خود بیش از آن‌که برای فیزیک سودمند باشد، به ریاضی معتاد شده بود و تا روزهای پایانی عمر خود نیز، دست از تحقیق و فعالیت بر نداشت. بهترین قدردانی از دیراک، کلامی است که نیلز بور درباره او بیان کرد. او گفت:

در میان تمام فیزیکدانان، پل دیراک ناب‌ترین روح و روان را دارد.

پایان قسمت اول

دانشمندان بزرگ نابغه‌اند و نابغه‌ها معمولا زندگی غیرعادی دارند. در مقالات قبلی نمونه‌های متعددی از این مدل دانشمندان را بررسی کرده‌ایم. ریچارد فاینمن، یکی از بزرگ‌ترین نابغه‌های علمی بود و در عین‌حال یکی از نامتعارف‌ترین زندگی‌ها را داشت.

او بیشتر عمر خود را در جامعه‌ی دانشگاهی گذراند. مدت کوتاهی در دانشگاه کورنل مشغول بود و سایر زمان را در دانشگاه کلتک گذراند. فاینمن گاهی از مسیر دانشگاه خارج می‌شد و سر از کلوپ‌های شبانه و قمار سر در می‌آورد. فاینمن علاوه‌بر دانش فیزیک، خوش قیافه و بلند قد بود و مهارت زیادی در تعریف کردن داستان‌های سرگرم‌کننده داشت. 

همسر اول فاینمن به بیماری سل دستگاه لنفاوی مبتلا بود. هنگامی که ریچاد دانشجوی تحصیلات تکمیلی پرینستون بود، آرلین همسر او در بیمارستان در همان حوالی بستری بود. همسر اول فاینمن در سال ۱۹۴۵ درگذشت و هم زمانی این اتفاق با درگذشت پدر وی در سال بعد، افسردگی و مشکلات روحی متعدد را برای او در پی داشت.

فاینمن چه به‌عنوان فیزیک‌دان و چه در بخش‌های دیگر زندگی، همواره یک ماجراجو بود. او نمی‌توانست به یک مسئله پژوهشی روی آورد، مگر آن‌که کل موضوع را به شیوه‌ی خودش بازسازی کند یا به آن جهتی تازه دهد. روی تخته سیاهش در کالتک این پیام نوشته شده بود؛

آن‌چه را نمی‌توانم خلق کنم، نمی‌توانم بفهمم!

فاینمن در پایان نامه‌ی دکترای خود رهیافتی کاملا جدید به مکانیک کوانتومی داشت، که با رویکرد هایزنبرگ، شرودینگر و دیراک تفاوت داشت، سپس این روش را با موفقیت چشمگیری برای نظریه برهم کنش‌های الکترون و فوتون به کار گرفت.

او هیچ ترسی از تردید و عدم قطعیت نداشت. تردید، انگیزه‌ی او بود و به اکتشاف می‌انجامید. او از اینکه حل یک معما معمولا به معمای دیگری می‌انجامید، ناراحت نمی‌شد، چرا که شناخت بیشتر به معمای ژرف‌تر و شگفت‌انگیزتری می‌انجامید و باعث نفوذ در عمق بیشتر می‌شد. هرگز نگران پاسخ ناامید کننده نمی‌شد و با دلخوشی و اعتماد به نفس هر سنگ جدیدی را زیر و رو می‌کرد، تا به شگفتی باورنکردنی می‌رسید. 

یکی از کتاب‌های فاینمن با عنوان «حتما شوخی می‌کنید آقای فاینمن» این چنین آغاز می‌شود؛

حقایقی در مورد زمان‌بندی من؛ من در سال ۱۹۱۸ در شهرکی به‌نام «فار راک‌اوی» در حومه‌ی نزدیک به دریای نیویورک به دنیا آمدم.

ساکنان فار راک‌اوی مردمانی سخت‌کوش بودند و زندگی متوسط آبرومندانه‌ای داشتند. پدر ریچارد فردی حکیم بود، که شاید اگر امکانات لازم را داشت، دانشمند می‌شد. خواهر ریچارد، جوآن، نیز فیزیکدان شد. برخلاف بسیاری از فیزیکدانان، ریچارد ارتباط بسیار خوبی با خانواده‌ی خود داشت و به‌خصوص با پدر خود ارتباط عمیقی داشت. در حقیقت پدر ریچارد، اولین آموزگار او بود. 

ریچارد در دبیرستان به ریاضیات و علوم طبیعی علاقه‌مند بود. او مقدمات حسابان را از کتاب «حسابان برای اهل عمل»، که به کتابخانه مدرسه اضافه شده بود، خودش خواند. سپس در کلاس فیزیک ممتاز آبرام بادر شرکت کرد. بادر مکانیک آماری و مکانیک کوانتومی را در دانشگاه کلمبیا خوانده بود، اما وقتی پولش تمام شد، در دوره‌ی دکتری ترک تحصیل کرد و به معلمی روی آورد.

او معلمی مطلع و دلسوز بود و به سرعت متوجه استعداد ریچارد شد. پس از مدتی بادر کتاب حسابان پیشرفته فردریک وودز را به ریچارد معرفی کرد تا مطالعه کند. پس از یک ماه ریچارد کتاب را کامل خواند و به پرسش‌های بادر پاسخ داد. 

بادر درس‌های جالبی از فیزیک را به ریچارد آموخت. او بر اهمیت تابع‌های انرژی تأکید کرد. او متذکر شد، مجموع تابع انرژی جنبشی (با علامت T نشان داده می‌شود) و تابع انرژی پتانسیل(با علامت V نشان داده می‌شود) «هامیلتونی» خوانده می‌شود با علامت H نشان داده می‌شود. 

H = T + V

با استفاده همین دو تابع، یک تابع دیگر تعریف می‌شود و به آن «لاگرانژی» می‌گویند، که به شکل زیر تعریف می‌شود و حاصل تفاضل انرژی پتانسیل از انرژی جنبشی است.

H = T - V

تابع هامیلتونی در معادله‌های دیفرانسیلی ظاهر می‌شود و برای توصیف حرکت جسم باید آن را حل کرد (یعنی از آن انتگرال گرفت) و این کار گاهی دشوار است. تابع لاگرانژی از راه ریاضی کاملا متفاوتی به همان نتیجه می‌انجامد. روش آن نیز چنین است که در هر مسیر ممکنی که جسم متحرک دنبال می‌کند، نسبت به زمان انتگرال می‌گیرند تا تابع دیگری موسوم به «کنش» به دست بیاید که آن را با S نشان می‌دهند؛

S = ∫Ldt

جنبه‌ی خاص کنش، موسوم به اصل کم‌ترین کنش، آن است که برای هر مسیر واقعی که جسم متحرک دنبال کند، کنش کمترین مقدار، کمینه است. این تابع عملا مقید شده است تا کمینه‌ترین مسیری را که متحرک می‌تواند دنبال کند، مشخص کند. شهود فیزیکی موضوع برای ریچارد به‌شدت جذاب بود و درباره‌ی آن گفت؛

به‌جای معادله‌های دیفرانسیل، این خاصیت ویژگی‌های کل مسیر را مشخص می‌کند و این من مجذوب خود کرده است. این بزرگ‌ترین کشف زندگی من بود و سایر عمرم در تمام کارهایم به گونه‌ای با «کنش» بازی کردم و همواره برای من دوست داشتنی بوده است.

ریچارد از دبیرستان با موفقیت فارغ‌التحصیل شد و بیشتر امتیازهای ممکن را بدست آورد. دانشگاه مرحله‌ی بعدی برای او بود. او در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) پذیرفته شد و در پاییز سال ۱۹۳۵ به‌همراه دیگر دانشجویان وارد کمبریج ماساچوست شد.

فاینمن ابتدا به لحاظ فکری در MIT سرگردان بود. رشته ریاضی برایش جالب بود، تا آن‌که از مدیر گروه ریاضی پرسید؛ با داشتن مدرک ریاضی به‌جز تدریس چه می‌توان کرد؟ و مدیر گروه پاسخ داد: خب، می‌توانید آمارگر، محاسبه نرخ‌های بیمه در شرکت بیمه شوید و اضافه کرد، دانشجویانی که این پرسش‌ها را مطرح می‌کنند معمولا جوهر و ویژگی‌های ریاضیدان‌ها را ندارند.

انتخاب بعدی فاینمن مهندسی برق بود، اما دریافت که ذوق آن را هم ندارد و در نهایت با حذف برخی رشته های دیگر، سرانجام به فیزیک رسید. این انتخابی عاقلانه بود؛ چرا که MIT یک گروه فیزیک قوی داشت.

مدیر گروه فیزیک، جان اسلیتر همکار بور و مؤلف یک کتاب درسی پرمحتوا بود. یکی از کتاب‌های او به‌نام «آشنایی با فیزیک نظری» برای دانشجویان سال آخر و دوره‌ی تحصیلات تکمیلی الزامی بود. فاینمن و دوست استثنایی او تد ولتون با اندکی دلواپسی تصمیم گرفتند، که این درس را در سال دوم بگذرانند، اما جای نگرانی نبود؛ چرا که آنان به سطح دانشجویان سال آخر رسیده بودند.

آنان متون مقدماتی مکانیک کوانتومی و نسبیت را خودشان خوانده و در باره‌ی آن‌ها بحث کرده بودند. در آن زمان (اواسط سال‌های ۱۹۳۰)، مکانیک کوانتومی هنوز موضوعی جدید بود و در دوره‌های درسی استاندارد با عمق کمی تدریس می‌شد. بنابراین از طرف گروه آموزشی، تصمیم گرفته شد که مکانیک کوانتومی کارامد در یک دوره‌ی خاص به فاینمن، ولتون و یک دانشجوی دیگر به‌طور فشرده تدریس شود. آنان کار را با اصول مکانیک کوانتومی پیچیده‌ی دیراک آغاز کردند و سپس روی یک پروژه‌ی پژوهشی که شامل محاسبات مفصلی درباره‌ی ویژگی‌های اتمی با توابع موج هیدروژن یا هیدروژن مانند، متمرکز شدند.

در آن زمان کامپیوترها و ماشین‌ حساب‌های الکتریکی هنوز وجود نداشتند. بنابراین کار با معادله‌های مکانیک کوانتومی درعین‌حال که جذابیت فیزیکی داشت، یک روی سخت و خسته‌کننده به‌نام محاسبات داشت. بااین‌حال این دو نفر خسته نشدند و کار را به سرانجام رساندند. در آن هنگام، فاینمن به مقدار کافی، شناخت از نسبیت و مکانیک کوانتومی به دست آورده بود، که معادله‌ی معتبری برای مکانیک کوانتومی نسبیتی پیشنهاد کند.

سال آخر حضور فاینمن در MIT با یک کشف بزرگ در پایان‌نامه‌ی او خاتمه یافت. اسلیتر از او خواسته بود، تا این واقعیت را توضیح دهد، که چرا کوارتز بر اثر گرم شدن کمتر از مواد دیگر (اکثریت مواد) منبسط می‌شود. فاینمن حل این مسئله را چنین شرح می‌دهد؛

ابتدا فرض کردم کوارتز در فضا ثابت است، اندازه آن هم ثابت است و در جست و جوی آن برآمدم، که چه نیروها و تنش‌هایی بر آن وارد می‌شوند. سپس برای شروع تجزیه و تحلیل این موضوع، قضیه‌ای را بیان و ثابت کردم، که آن را شیمی فیزیکدانان به‌عنوان وسیله‌ای استاندارد برای محاسبات مولکولی پذیرفته‌اند. این قضیه بیان می‌کند که به‌طور کلی، در کوارتز یا جاهای دیگر، هسته‌ی اتم نیروی الکتروستاتیک هسته‌ها و الکترون‌های اطراف را حس می‌کند. الکترون‌ها در مکانیک کوانتومی به‌صورت لکه‌های ابر مانند سه‌بعدی در نظر گرفته می‌شوند.

نسخه‌ی خلاصه شده این پایان نامه در ژورنال معتبر Physical Review Letters منتشر شد. برای تحصیلات تکمیلی، فاینمن در نظر داشت که کار خود را در MIT ادامه دهد، اما پس از صحبت‌هایی که با اسلیتر داشت، تصمیم گرفت که به پرینستون کوچ کند.

پرینستون دستیاری پژوهشی را به فاینمن پیشنهاد کرد و به او گفته شد که استاد مشاور او، یوجین ویگنرا خواهد بود. ویگنر نظریه‌پرداز کوانتومی مجارستانی بود، که به نسل دیراک، فرمی، هایزنبرگ و پائولی تعلق داشت. هنگامی که فاینمن وارد پرینستون شد، متوجه شد که یک تغییر کوچک ایجاد شده است و استاد او جان ویلر خواهد بود. ویلر تنها شیش سال از فاینمن بزرگ‌تر بود و اهمیت ویژه‌ای برای دانشجویان خود قائل بود. فاینمن در نخستین جلسه با ویلر، به ژست ساعت جیبی او توجه کرد و در جلسه‌ی بعدی ساعت خودش را درآورد و عمدا درکنار ساعت ویلر گذاشت. هر دو به‌شدت خندیدند و به سراغ کار فیزیک رفتند.

یکی از مسائل عجیبی که ویلر روی آن کار می‌کرد، مشکل دیر پای نظریه‌ی الکترون، یعنی «خود- انرژی» الکترون بود. الکترون‌ها بار دارند و بارهای الکتریکی، میدان الکترومغناطیسی تولید می‌کنند، که به نوبه‌ی خود با الکترون برهم‌کنش دارد. انرژی این خود-برهم‌کنش را در صورتی می‌توان با نظریه‌ی کلاسیک یا کوانتومی محاسبه کرد، که الکترون اندازه محدودی داشته باشد. اما نظریه نسبیت این محدودیت را ایجاد می‌کند که مجاز نمی داند، الکترون‌ها به‌جز نقطه، چیز دیگر باشند؛ یعنی باید شعاع آن‌ها صفر باشد!

این واقعیت که ظاهرا ساده و بی ضرر به‌نظر می‌رسد، ده‌ها سال نظریه پردازان را ناکام گذاشته بود. وقتی آنان می‌کوشیدند، تا خود-انرژی یک الکترون با اندازه-نقطه را محاسبه کنند، مقدار بی‌نهایت به دست می‌آوردند، نتیجه‌ای که ازلحاظ ریاضی بی‌معنی است. بی نهایت‌ها اعداد معتبری نیستند، آنان را نمی‌توان با اطمینان جمع، ضرب یا تقسیم کرد.

مشکل بی نهایت به این علت بروز می‌کند که نظریه فرض می‌کند، برهم‌کنش‌های الکترون را میدان‌های الکترومغناطیسی منتقل می‌کنند. ویلر پیشنهاد کرد برای اصلاح ریشه‌ای نظریه، مفهوم میدان را کنار بگذاریم، در این صورت نظریه از مفهوم مشکل آفرین برهم‌کنش الکترون با خودش خلاص می‌شود. این یک بازگشت به اصل «کنش-از دور» بود، که با ظهور نظریه میدان سرکوب شده بود.

ویلر و فاینمن موفق به بسط یک نظریه‌ی کلاسیک معتبر شدند، اما از عهده یافتن یک نظریه کوانتومی متناظر آن، برنیامدند. با این همه، فاینمن گام مهمی در این جهت برداشت و راهی یافت، تا مکانیک کوانتومی را بازنویسی کند، به‌طوری ‌که متکی بر یک معادله دیفرانسیل، مانند معادله‌ی شرودینگر نباشد، چرا که معادلات دیفرانسیل زبان ریاضی صحیحی برای رهیافت ویلر نبودند. فاینمن احتمال وقوع یک رویداد مانند عبور یک الکترون از یک نقطه در فضا و زمان به نقطه‌ی دیگر را با جمع‌بندی مهم هر مسیر ممکن که دو رویداد را به یکدیگر متصل کند، محاسبه کرد. ویلر چنان تحت تأثیر دستاورد شاگردش قرار گرفت، که این اتفاق را به اطلاع اینشتین رساند و از فاینمن تعریف کرد.

درحالی‌که فاینمن و ویلر مبانی فیزیک را یکی از پس دیگری می‌کاویدند، زندگی شخصی فاینمن ناآرام بود. وضعیت سلامتی، آرلین، نامزد ریچارد فاینمن، روزبه‌روز وخیم‌تر می‌شد و در نهایت مشخص شد که آرلین به بیماری سل سیستم لنفاوی مبتلا شده است و هیچ‌گاه بهبود نخواهد یافت. با وجود مخالفت شدید اطرافیان، ریچارد و آرلین تصمیم به ازدواج گرفتند، آنان در سال ۱۹۴۲ به‌طور رسمی ازدواج کردند.

بازی با دُم شیر

در پاییز سال ۱۹۳۹، جنگ جهانی دوم در اروپا آغاز شد. در ابتدای سال، نیلز بور اخبار شکافت هسته‌ای را برای فیزیکدانان آمریکایی آورد و با همراهی ویلر، یک نظریه شکافت اورانیم طراحی کرد. در سال ۱۹۳۹، اینشتین پذیرای دو پناهنده‌ی مجارستانی؛ لئو زیلارد و یوجین ویگنر شد و نامه‌ی آنان برای رئیس جمهور روزولت را امضا کرد.

مضمون نامه، هشدار امکان و خطرهای غیرقابل تصور سلاح‌های هسته‌ای بود. واکنش دولت آمریکا در ابتدا کند و اداری مآبانه بود، اما در سال ۱۹۴۱، با پیشروی ارتش آلمان در اروپا، بمباران پرل هاربور توسط ژاپنی‌ها و اطلاع از اینکه شکافت اورانیم در آلمان کشف شده است، پروژه اورانیم ایالات متحده، با آهنگ غیرمنتظره‌ای پول و متخصص جذب می‌کرد. در اواخر سال ۱۹۴۲ همه فعالیت‌ها به گروه‌هایی از مهندسان ارتش محول شد، که مدیر کل امور اجرایی آن ژنرال لسلی گرووز بود.

فاینمن پس از تردید اولیه درباره‌ی فعالیت مرتبط با جنگ، به پروژه‌ای در پرینستون پیوست، که مدیر آن رابرت ویلسون بود. هدف این کار توسعه‌ی دستگاهی به‌نام ایزوترون (isotron) برای جدا کردن ایزوتوب کمیاب اورانیوم-۲۳۵ از اورانیوم-۲۳۸ فراوان بود. اما روش ویلسون چندان مورد پسند قرار نگرفت و در رقابت با طرح‌های دیگر کنار گذاشته شد.

در سال ۱۹۴۳ زمانی فرا رسید، که آزمایشگاه بمب در لوس آلاموس، نیومکزیکو، تحت مدیریت رابرت اپنهایمر درهایش را گشود. اپنهایمر در سراسر کشور به گشت‌و‌گذار پرداخت، تا فیزیکدانان، شیمیدانان، مهندسان و ریاضیدانان مورد نظرش را استخدام کند. فاینمن در بهار سال ۱۹۴۳، جزو نخستین کسانی بود که به اپنهایمر پیشنهاد شد. بدین ترتیب ریچارد و همسرش آرلین راهی سانتافه شدند. آرلین در یک آسایشگاه مخصوص استقرار یافت و ریچارد آخر هر هفته به او سر می‌زد. 

استعداد فاینمن در لوس آلاموس به سرعت او را بر سر زبان‌ها انداخت. هانس بته، فیزیکدان هسته‌ای که از دانشگاه کورنل برای ریاست یکی از بخش‌های نظری آمده بود، به‌شدت تحت تأثیر استعداد فاینمن قرار گرفت و او را به سرپرستی یک گروه برگزید. در آن زمان فاینمن تنها بیست و پنج سال داشت و جوان‌ترین فرد حاضر در لوس آلاموس بود. گروه تحت رهبری فاینمن، مسؤلیت بخش محاسبات را بر عهده داشت. در آن زمان، کامپیوترها چندان توسعه نیافته بودند. در حقیقت «کامپیوترها» کسانی بودند که با ماشین حساب‌های مکانیکی کار می‌کردند.

محدودیت‌های لوس آلاموس همه ساکنان آن را تحت تأثیر قرار داده بود، اما بیش از همه فاینمن را آزار می داد. او و آرلین با سانسور می جنگیدند. او در لوس آلاموس کاملا بی‌قرار بود و مدام به فکر انجام کارهای خلاقانه و گاها عجیب و غریب بود. گاهی شب‌ها در حالت نامتعادل آواز می‌خواند، یا به‌دنبال کلک زدن به ماشین کوکولا بود. (دستگاهی که در آن سکه می‌اندازند و به‌طور خودکار نوشابه را بر می‌دارند) 

یکی از تفریح‌های او بازکردن قفل گاو صندوق‌ها بود. او با ترکیب کردن، نبوغ، صبر و روانشناسی کاربردی تبدیل به یک قفل بازکن حرفه‌ای شده بود. او قفل کمد همکاران خود را باز می‌کرد و برای آنان یادداشت‌های ترسناک و دلهره‌آور به‌جای می‌گذاشت و همکاران خود را به‌جهت غفلت‌های امنیتی سرزنش می‌کرد. این شوخی‌های فاینمن سبب آن شده بود، که تصور شود او جاسوس است و چیزی نمانده بود، ریچارد با شیطت‌هایش سر خود را به باد دهد!

در سال ۱۹۴۵، آرلین درگذشت و ریچارد به‌شدت از این اتفاق متاثر شد. اما برخلاف زندگی شخصی ریچارد، وضعیت کاری روزبه‌روز بهتر می‌شد. در جولای ۱۹۴۵، پروژه‌ی بمب، با آزمایش ترینیتی یک بمب پلوتونیومی به اوج تماشایی و ابهت رسیده بود. به‌طور کلی همه‌ی حاضرین در لوس آلاموس(احتمالا به‌جز بخش امنیت) از عملکرد فاینمن رضایت کامل داشتند و از عملکرد او تعریف و تمجید بسیار انجام می‌شد.

فعالیت او به‌قدری درخشان بود که وی سیلی از پیشنهاد‌ها برترین دانشگا‌های ایالات متحده برای حضور در هیئت علمی را دریافت کند. شاخص‌ترین نام‌های این لیست دانشگاه برکلی و کورنل بود. در نهایت فاینمن تصمیم گرفت تا به دانشگاه کورنل ملحق شود، چرا که کار کردن با هانس بته برای او جذاب بود و هانس در کورنل حضور داشت. بدین ترتیب فاینمن ۲۷ ساله استاد دانشگاه کورنل شد.

در تابستان سال ۱۹۴۷، بیست و پنج فیزیکدان در جزیره‌ شلتر گردهم آمدند. حضور در این همایش تنها با دعوت بود و نخبگان جامعه فیزیک از جمله اپنهایمر، بته، فاینمن، ویلر، ویلیس لم و جولیان شوینگر حضور داشتند. این همایش مدل آمریکایی همایش‌های سولوی بود.

جولیان شوینگر معاصر فاینمن و مانند فاینمن درباره نظریه برهم کنش‌های الکترون - فوتون، که به‌عنوان الکترودینامیک کوانتومی یا QED معروف شده بود، به‌شدت کار می‌کرد. شوینگر در نوجوانی محجوب، استثنایی و شدیدا علاقه‌مند به فیزیک و ریاضیات بود. وقتی وارد کالج شهر نیویورک (CCNY) شد، هیچ چیز دیگری برای او اهمیت نداشت. او به کلاس نمی رفت و وقت خود را در کتابخانه صرف خواندن کتاب‌های فیزیک پیشرفته می‌کرد؛ مقالات دیراک تأثیر فراوانی روی او داشت.

وضعیت درسی شوینگر در CCNY  چندان قابل تعریف نبود. اما او دید عمیقی نسبت به مباحثی فیزیک مانند مکانیک کوانتومی داشت. در نهایت با نظر مثبت هاینس بته و با وجود مدرک نه‌چندان خوب، شوینگر در دانشگاه کلمبیا پذیرفته شد.

شوینگر کار تحقیقی دوره‌ی کارشناسی خود در کلمبیا را پیش از آن‌که فارغ التحصیل شود، تکمیل کرده بود و درحالی‌که هنوز دانشجوی کارشناسی بود، مقاله‌ای درباره پراکندگی نوترون منتشر کرد و ادامه آن کار، پایان نامه دکتری او شد. او خجالتی بودنش را کنار گذاشت و شیوه تدریس ماهرانه‌ای به‌دست آورد. شوینگر در غیاب رابی، مکانیک کوانتومی تدریس می‌کرد.

در سال ۱۹۴۸ فرصت آن پیش آمده بود، که شوینگر صحنه گردانی کند. او نظریه دقیق الکترودینامیک کوانتومی را بسط داده بود، که جابه‌جایی لمب را به درستی محاسبه می‌کرد. یک جنبه ضروری از نظریه شوینگر، که از بعضی گذشتگان وام گرفته بود، حذف همه جملات بی‌نهایت از منظر و قرار دادن آن‌ها در عامل‌هایی بود، که شامل جرم و بار الکترونی اندازه گیری شده بودند. این روال «باز بهنجارش» نظریه را از نظر ریاضی مشکوک می‌سازد، چرا که بی‌نهایت‌ها هنوز در جای خود هستند، اما آن‌ها دیگر مانعی برای محاسبات به وجود نمی‌آورند.

نظریه شوینگر پیچیده بود. او آن را در یک جلسه طولانی در یک روز تمام، ارائه کرد. به‌جز اپنهایمر، معدودی دیگر هم بیانات او را تا آخر دنبال کردند. به‌نظر دایسون، نظریه شوینگر «بنابر اصول متعارف ساخته شده و شاهکاری از فن ریاضی بود.»

فاینمن نیز در این همایش ارائه داشت، اما چندان چشمگیر نبود. او هم، نظریه کارآمدی از الکترودینامیک کوانتومی داشت، که جابه‌جایی لمب محاسبه می‌کرد، اما اساس آن شهودی و تصویری بود، آن چیزی نبود که مخاطبان برجسته همایش با آن مأنوس باشند. دایسون در این رابطه می‌نویسد:

درک فیزیک فاینمن از این لحاظ برای مردم عادی دشوار بود، که او از معادلات استفاده نمی‌کرد. او جواب‌ها را صرفا به‌صورت ذهنی و بدون مطرح کردن معادلات می‌نوشت. او تصویری فیزیکی از مسیر وقایعی که روی می‌دهند، در ذهن داشت و این تصویر راه‌حل‌ها را با کمترین محاسبه به او می‌داد. بدیهی است کسانی که زندگی خود را به حل کردن مسئله گذرانده بودند، از کار او مبهوت می‌شدند، ذهن آنان تحلیلی، اما ذهن فاینمن تصویری بود.

فاینمن می‌دانست که کارش درست است، اما برای قانع کردن دیگران نیاز به وسیله ریاضی داشت. در نهایت یک بریتانیایی تبار به‌نام فریمن دایسون با ترکیب کردن نظریه‌ی فاینمن و شوینگر یک مقاله نفس‌گیر منتشر کرد که درک ما از چگونگی تعامل ماده و نور را برای ایجاد دنیای ملموس گسترش می‌داد. این نظریه در نهایت منجر به گسترش الکترودینامیک کوانتومی یا همان QED شد. گرچه در نهایت دایسون سهمی از جایزه نوبل فیزیک نبرد، اما فاینمن در سال ۱۹۶۵ جایزه‌ی فیزیک نوبل را مال خود کرد.

فاینمن در اواسط سال‌های ۱۹۶۰، سهم عمده‌ای در نظریه سه نیرو، از چهار نوع نیروی بنیادی که فیزیکدانان می‌شناختند داشت. این سه نیرو شامل برهم‌کنش‌های الکترومغناطیسی، برهم‌کنش‌های ضعیف و برهم‌کنش‌های گرانشی بود. فاینمن، پس از کسب جایزه نوبل در سال ۱۹۶۵، توجه خود را به چهارمین نیروی بنیادی معطوف کرد، نیرویی که واسطه «برهم‌کنش‌های قوی» در داخل و میان ذرات تشکیل‌دهنده هسته‌ها، پروتون‌ها و نوترون‌ها بود.

ساختار داشتن پروتون‌ها و نوترون‌ها، برخلاف الکترون‌ها که بی‌ساختار تلقی می‌شوند، دهه‌ها برکسی پوشیده نبود. مدل فاینمن برای ساختار هادرون طوری طراحی شده بود، تا با آزمایش‌هایی که آن وقت در مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد انجام می‌شد سازگار باشد. در این مرکز پروتون‌ها با الکترون‌های فوق‌العاده پرانرژی بمباران می‌شدند. «هادرون» اصطلاحی عام برای پروتون‌ها، نوترون‌ها و ذرات دیگری است که با برهم‌کنش‌های قوی آن‌ها را به هم پیوند می‌دهد.

اگر رهیافت دیداری معمولی فاینمن را در نظر بگیریم، او از خود می‌پرسید؛ اگر یک الکترون پرسرعت بود که به یک هادرون نزدیک و با آن برهم کنش می‌کرد، چه میدید. فرض اصلی او این بود، که هادرون‌ها حاوی ذرات باردار سخت نقطه‌ای به‌نام «پارتون» هستند، که تقریبا آزادانه درون محدوده هادرون شناورند.

آثار نسبیتی نیز چشمگیر خواهد بود؛ هادرون‌ها، از دیدگاه الکترون‌ها، کلوچه وار پهن شده‌اند و زمان آن‌ها نیز کند شده است، به‌طوری‌ که پارتون‌ها تقریبا ساکن به‌نظر می‌رسند. اکثر الکترون‌ها از میان هادرون کلوچه‌ای، بدون برهم‌کنش می‌گذرند، اما تعدادی از آن‌ها همچون گلوله بیلیارد با پارتون‌ها برخورد می‌کنند. این مدل ساده‌ای بود (که شباهت‌هایی با تصویری که رادرفورد برای شمارش پراکندگی ذرات آلفا به کار می‌برد نیز داشت) که در میان نظریه‌پردازان و آزمایشگران شتاب‌دهنده استنفورد، رواج یافت.

مورای گل-مان نیز نظریه‌ای برای ساختار هادرون داشت که شامل ذرات نقطه‌ای محصور می‌شد. مدل کوارک صریح‌تر از مدل پارتون فاینمن بود؛ کوارک‌ها حامل بار الکتریکی بودند، که کسری از بار پروتون بود و سه تای آن‌ها که با برهم‌کنش قوی به هم می‌پیوستند، یک پروتون تولید می‌شد.

در ابتدا فاینمن یکی از منتقدان این مدل بود، برای مدتی خود گل‌-مان درباره واقعیت ابتکارش تردید داشت. به‌خصوص قبول کردن بار کسری برای نظریه پردازان دشوار بود؛ بار پروتون همواره غیرقابل تقسیم در نظر گرفته می‌شد. این امر که دلیلی برای وجود کوارک آزاد خارج از محدوده هادرون وجود نداشت و هنوز هم ندارد، به موضوع کمکی نمی‌کند.

فاینمن تا سال ۱۹۷۰ که مجموعه‌ی بزرگی از داده‌ها درباره‌ی ذرات را، با دو تن از دانشجویانش، کامل کرد در مورد کوارک‌ها تردید داشت. اما سرانجام متقاعد و طرفدار «کوارک» شد. او در مقاله‌ی گزارش بررسی نوشت؛

تصویر کوارک می‌تواند سرانجام کل میدان فیزیک هادرون را در برگیرد. داده‌ها به طرزی مرموز، برازش خوبی از یک مدل خاص را نشان می‌دهند.

البته گل-مان از اینکه زمان زیادی طول کشید، تا فاینمن کوارک‌ها را بپذیرد، کمی آزرده خاطر بود.

فاینمن به ندرت، با پذیرفتن درجات افتخاری، دعوت به ایراد سخنرانی‌ها و انتصاب به عضویت کمیته‌ها، نقش یک دانشمند ممتاز وظیفه‌شناس بی‌نقص را بازی می‌کرد. اما وقتی یک مسئولیت همگانی را می‌پذیرفت، پیامدهای شگرفی داشت، خدمت او در کمیسیونی که فاجعه چلنجر را تحقیق می‌کرد، بیش از هر کار دیگری که کرده بود، مورد توجه همگان قرار گرفت.

در هشتم ژانویه سال ۱۹۸۶، شاتل فضایی چلنجر، در یک هوای فوق‌العاده سرد، سکوی پرتاب در فلوریدا را ترک کرد. هفتاد و سه ثانیه پس از پرواز، شاتل منفجر شد و هر هفت سرنشین آن در دم کشته شدند. چند روز پس از حادثه، ویلیام گراهام رئیس اداره ملی هوانوردی و فضا (NASA)، با مراجعه به فاینمن از او خواست تا به کمیسیونی بپیوندد، که درباره حادثه تحقیق می‌کند.

فاینمن درباره اهمیت علمی برنامه شاتل و رفتن به واشینگتن که محل اجلاس کمیسیون بود، تردید داشت. او در کتابش با عنوان «به چه چیز اهمیت می دهید؟» می‌گوید:

من مرامی دارم که به هیچ جای نزدیک واشینگتن نروم و با دولت هیچ کاری نداشته باشم.

او دلیل دیگری هم برای نرفتن داشت، که نمی‌گفت. او از سال ۱۹۷۸ با نوع نادری از سرطان شکم مبارزه می‌کرد و در سال ۱۹۸۶، درست پیش از فراخوان NASA، دریافته بود که او دچار نوع نادری سرطان مغز استخوان نیز شده است. در نهایت فاینمن پس از گفت‌وگویی که با دوستان خود داشت، تصمیم گرفت، که این پیشنهاد را بپذیرد و چمدانش را برای سفر به واشنگتن بست. او پیش از عزیمت به واشنگتن به سرعت طرح موتور پیش‌رانش شاتل را مطالعه کرد و به‌طور کلی با روند آن آشنا شد، سپس شبانه به واشینگتن پرواز کرد، تا به موقع در نخستین اجلاس حاضر شود.

رویکرد فاینمن بسیار متفاوت از دیگر اعضای کمیسیون بود. چرا که او هیچ‌گونه وابستگی به هیچ‌نهادی نداشت و همین امر باعث می‌شد که به‌طور موشکافانه و دقیق به‌دنبال چرایی حادثه باشد. این در حالی است که بعضی دیگر از اعضای کمیسیون، مانند نیل آرمسترانگ معتقد بود که تحقیق در رابطه با این موضوع ضرورتی ندارد.

اصلی‌ترین دلیل این حادثه «حلقه‌های O شکل» قلمداد می‌شد. این لاستیک‌ها به‌عنوان واشر آب‌بندی میان بخش‌های موشک‌های سوخت جامد قرار می‌گرفتند. هر یک از آن‌ها در حدود یک چهارم اینچ و محیط آن‌ها سی و هفت فوت بود. حلقه‌های معمولی یک شکاف ساکن را آب بندی می‌کند، فاینمن این گونه توضیح می‌دهد؛

در مورد شاتل، با افزایش فشار در موشک، شکاف منبسط می‌شود و برای حفظ آب‌بندی، لاستیک باید با سرعت کافی منبسط شود، تا شکاف را ببندد و در هنگام پرتاب در کسری از ثانیه شکاف باز شود. بنابراین خاصیت کشسانی لاستیک یکی از موارد بسیار مهم طرح ساختمان شاتل می‌شود.

همچنین مهندسان تیوکول، شرکت سازنده این واشرها، در شب پیش از پرتاب، به هنگام بازبینی آمادگی پرتاب به NASA تذکر دادند، که اگر دما زیر ۱۲ درجه سلسیوس باشد، شاتل نباید پرواز کند. دمای صبح هنگام پرتاب شاتل منفی دو درجه سلسیوس بود، که نزدیک به ۱۵ درجه از دمای کف کمتر است. 

فاینمن در یک ارائه‌ی عمومی به‌همراه یک انبردست و یک گیره‌ی کوچک C در مقابل دوربین‌ها چنین توضیح داد؛

من این حلقه‌ی لاستیکی را از درزگیر مورد استفاده راکت‌ها ساخته‌ام. آن را در یخ گذاشتم و کشف کردم که وقتی برای مدتی با این گیره C شکل به آن فشار می‌آوریم و سپس گیره را بر می‌داریم، لاستیک به حالت اولیه برنمی‌گردد، بلکه به همان شکل و اندازه باقی می‌ماند. به عبارت دیگر، دست کم به مدت چند ثانیه و بیشتر از آن، هنگامی که لاستیک در دمای ۰ درجه سلسیوس باشد، خاصیت کشسانی در این ماده به‌خصوص وجود ندارد. باور من این است که این موضوع برای مسئله ما اهمیت خاصی دارد.

فاینمن ماه‌ها وقت خود را صرف این بررسی کرد، به مراکز فضایی در فلوریدا، آلاباما، تگزاس و مراکز پیمانکاران سفر کرد. در نهایت گزارش او چندان به مذاق کمیسیون خوش نیامد. گزارش او در نهایت به‌صورت پیوست کنار گذاشته شد. او کار خود را با این گفته به پایان رساند:

برای یک فناوری موفق، واقعیت باید، مقدم بر روابط عمومی باشد، زیرا طبیعت را نمی‌توان فریب داد.

فاینمن بنابر قضاوت همتایانش، معلم بزرگی بود. اما همچون دیگر فعالیت‌هایش، او راه خودش را رفت. در کالتک هرگز در گردهمایی اعضای گروه فیزیک شرکت نمی‌کرد، از کارهای کمیته اجتناب می‌کرد، هرگز در پی کمک‌های مالی تحقیقاتی نبود، سخنرانان سمینار را با پرسش‌های کنایه‌آمیز به ستوه می‌آورد و دانشجوی دکتری معدودی را می‌پذیرفت. یکی از همکاران او در کالتک می‌گوید؛

بیشتر ما از او می‌ترسیدیم، در گردهمایی‌های دانشکده، اگر کسی چیزی می‌گفت که او با آن موافق نبود، با زبانی تند او را سرجایش می نشاند. حماقت را ابدا تحمل نمی‌کرد.

در دانشکده هیچکس به او نزدیک نمی‌شد، از سوی دیگر در دفترش همیشه به روی دانشجویان باز بود و سال‌های بسیار یک درس غیررسمی به‌نام فیزیک X را تدریس می‌کرد که موضوع آن را دانشجویان انتخاب کردند. هرکسی به‌جز اعضای دانشکده می‌توانست در جلسات درس او حاضر شود.

برای فاینمن، کلاس درس صحنه نمایش معلمی بود. در آنجا می باید درام، شگفتی، کمدی و فصاحت کلام وجود داشته باشد. پس از سال‌ها فعالیت، او تصمیم گرفت که عصاره‌ی فهم خود از فیزیک را دراختیار دانشجویان قرار دهد، بنابراین تصمیم به تدریس فیزیک سال اول دانشگاه گرفت و تا سال‌های متمادی به این امر اهتمام ورزید. او به منتقدانی که درباره بی‌روح بودن علم گلایه می‌کردند چنین پاسخ می‌دهد:

شاعران می‌گویند علم، زیبایی ستارگان را نادیده می‌گیرد، چرا که آن‌ها(دانشمندان) ستارگان را صرفا گوی‌هایی از گاز هیدروژن می‌دانند. هیچ چیز «ساده» نیست! من هم می‌توانم ستارگان را شبانگاه در آسمان بیابان ببینم و زیبایی آن‌ها را احساس کنم. ولی آیا آن‌ها را کمتر از آنچه هست میبینم یا بیشتر؟ پهنه‌ی آسمان تخیل مرا به کار می‌اندازد، چشم کوچک من می‌تواند نور چند میلیون ساله را ببیند، از یک طرح عظیم که من جزئی از آنم شاید خمیرمایه من از ستاره بعضا فراموش شده‌ای بیرون افتاده باشد، آن طور که فورا بیرون می‌افتد. این طرح چیست و چه مفهومی دارد، یا چرا چنین است؟ ضرری ندارد که اندکی بیشتر درباره‌ی این معمای مرموز بدانیم! زیرا حقیقت بسیار حیرت انگیزتر از آن است که هر یک از هنرمندان گذشته تصور می‌کردند. چرا شاعران امروزی از آن صحبت نمی‌کنند. شاعران چگونه کسانی‌اند که اگر سیاره مشتری مردی بود در باره‌ آن سخن می‌گفتند، اما اگر کره‌ی چرخان بسیار بزرگی از متان و آمونیاک باشد، باید سکوت کنند؟

برای دانشجویان، مخاطبان، همکاران، دوستان و حتی رقیبان حضور فاینمن، بیش از همه نیروی حیاتی بانشاط و ماندگار بود. او چیزی را از دست نمی‌داد و درباره‌ی همه چیز کنجکاو بود. او از گفتن اینکه «من باید چیزی باشم که نیستم» لذت می‌برد. او طبل نواز ماهری شد. او زیست‌شناسی یادگرفت و به‌عنوان دستیار آموزشی به هنگام فرصت مطالعاتی، در گروه زیست‌ شناسی کالتک کار کرد. او یکی از نخستین کسانی بود، که به امکانات فناوری دستگاه‌های بسیار کوچک و بهره‌برداری از آن‌ها پی برد، این فناوری امروزه نانوتکنولوژی نامیده می‌شود. او به‌طور شایسته‌ای به فنونی از هنرهای تصویری، ترسیمی و رمز گشایی دست یافت. 

من هم نگران مرگ هستم اما وقتی به اندازه‌ی من عمر کنی و داستان‌های بی‌شماری برای  مردم تعریف کرده باشی، حتی پس از مرگ هم به‌طور کامل از یاد نخواهی رفت.

سرانجام در ۱۵ فوریه‌ی ۱۹۸۸ ریچارد فاینمن مرد تکرار نشدنی دنیای فیزیک چشم از جهان بست.