Академик (с 1966), академик-секретарь Отделения ядерной физики АН СССР (1968—1988), советник президиума РАН (с 1988).
Основные работы по квантовой механике и физике элементарных частиц. Предложил теорию так называемых нелокализуемых полей в виде некоммутативности поля и координаты (1940). Разработал составную модель элементарных частиц (1953), на основе которой предсказывал возможность возбуждённых состояний адронов (1955). Ему принадлежат фундаментальные исследования по физике нейтрино (1957). Обосновал целесообразность проведения нейтринных экспериментов на больших глубинах под землёй и возможность проведения нейтринных опытов на ускорителях (1958). Впервые выдвинул гипотезу о том, что полные сечения рассеяния лептонов на нуклонах с ростом энергии стремятся к сечениям упругих рассеяний на точечных нуклонах (1963). Выдвинул идею о возможном существовании элементарных частиц предельно больших масс — максимонов (1965), а также фридмонов — частиц с микроскопическими полной массой и размерами, являющихся по своей структуре почти замкнутыми вселенными.
В 1955 году подписал «Письмо трёхсот».