Feynmanův diagram, grafická metoda znázornění interakcí elementárních částic, kterou ve 40. a 50. letech 20. století vymyslel americký teoretický fyzik Richard P. Feynman. Feynmanovy diagramy, které byly zavedeny při vývoji teorie kvantové elektrodynamiky jako pomůcka pro vizualizaci a výpočet účinků elektromagnetických interakcí mezi elektrony a fotony, se nyní používají pro znázornění všech typů interakcí částic.

Britannica Kvíz

Kvíz o fyzice

Kdo jako první vědec provedl experiment s řízenou řetězovou jadernou reakcí? Jaká je měrná jednotka pro počet cyklů za sekundu? Vyzkoušejte si své fyzikální znalosti v tomto kvízu.

Feynmanův diagram je dvourozměrné zobrazení, ve kterém je jedna osa, obvykle vodorovná, zvolena jako reprezentace prostoru, zatímco druhá (svislá) osa představuje čas. Rovné čáry se používají pro znázornění fermionů – fundamentálních částic s polovičními celočíselnými hodnotami vlastního momentu hybnosti (spinu), jako jsou elektrony (e-) – a zvlněné čáry se používají pro bosony – částice s celočíselnými hodnotami spinu, jako jsou fotony (γ). Na pojmové úrovni lze fermiony považovat za částice „hmoty“, na které působí síla vznikající výměnou bosonů, takzvaných „nosičů sil“ neboli částic pole.

Na kvantové úrovni dochází k interakcím fermionů prostřednictvím emise a absorpce částic pole spojených se základními interakcemi hmoty, zejména elektromagnetickou silou, silnou silou a slabou silou. Základní interakce se proto na Feynmanově diagramu jeví jako „vrchol“ – tj. spojnice tří čar. Tímto způsobem se například dráha elektronu jeví jako dvě přímé čáry spojené se třetí, zvlněnou čárou, kde elektron vyzáří nebo pohltí foton. (Viz obrázek.)

Feynmanovy diagramy používají fyzici k velmi přesným výpočtům pravděpodobnosti nějakého procesu, jako je například rozptyl elektronu a elektronu v kvantové elektrodynamice. Výpočty musí zahrnovat členy odpovídající všem přímkám (představujícím šířící se částice) a všem vrcholům (představujícím interakce) zobrazeným v diagramu. Kromě toho, protože daný proces může být reprezentován mnoha možnými Feynmanovými diagramy, musí být příspěvky každého možného diagramu zahrnuty do výpočtu celkové pravděpodobnosti, že určitý proces nastane. Porovnání výsledků těchto výpočtů s experimentálními měřeními odhalilo mimořádnou úroveň přesnosti, která se v některých případech shoduje na devět významných číslic.

Nejjednodušší Feynmanovy diagramy zahrnují pouze dva vrcholy, které představují emisi a absorpci částice pole. (Viz obrázek.) V tomto diagramu elektron (e-) emituje foton v bodě V1 a tento foton je o něco později pohlcen jiným elektronem v bodě V2. Emise fotonu způsobí odraz prvního elektronu v prostoru, zatímco absorpce energie a hybnosti fotonu způsobí srovnatelnou výchylku na dráze druhého elektronu. Výsledkem této interakce je, že se částice od sebe v prostoru vzdalují.

Jedním ze zajímavých rysů Feynmanových diagramů je, že antičástice jsou znázorněny jako částice běžné hmoty pohybující se zpět v čase – tedy s obrácenou hlavou šipky na přímkách, které je znázorňují. Například v jiné typické interakci (znázorněné na obrázku) se elektron srazí se svou antičásticí, pozitronem (e+), a obě anihilují. Při srážce vznikne foton, který následně v prostoru vytvoří dvě nové částice: mion (μ-) a jeho antičástici, antimion (μ+). V diagramu této interakce jsou obě antičástice (e+ a μ+) znázorněny jako příslušné částice pohybující se zpět v čase (směrem do minulosti).

Možné jsou i složitější Feynmanovy diagramy, které zahrnují emisi a absorpci mnoha částic, jak je znázorněno na obrázku. V tomto diagramu si dva elektrony vymění dva samostatné fotony, čímž vzniknou čtyři různé interakce v bodech V1, V2, V3 a V4.

.