Feynman diagram, graficzna metoda przedstawiania oddziaływań cząstek elementarnych, wynaleziona w latach 40. i 50. przez amerykańskiego fizyka teoretycznego Richarda P. Feynmana. Wprowadzony podczas rozwoju teorii elektrodynamiki kwantowej jako pomoc w wizualizacji i obliczaniu efektów oddziaływań elektromagnetycznych pomiędzy elektronami i fotonami, diagramy Feynmana są obecnie używane do przedstawiania wszystkich typów oddziaływań cząstek.

Britannica Quiz

All About Physics Quiz

Kto jako pierwszy naukowiec przeprowadził eksperyment kontrolowanej łańcuchowej reakcji jądrowej? Jaka jest jednostka miary dla cykli na sekundę? Sprawdź swoją wiedzę z zakresu fizyki w tym quizie.

Diagram Feynmana jest dwuwymiarową reprezentacją, w której jedna oś, zwykle pozioma, jest wybierana do reprezentowania przestrzeni, podczas gdy druga (pionowa) oś reprezentuje czas. Linie proste służą do przedstawiania fermionów – cząstek elementarnych o pół-integralnych wartościach własnego pędu (spinu), takich jak elektrony (e-)- a linie faliste są używane dla bozonów – cząstek o całkowitych wartościach spinu, takich jak fotony (γ). Na poziomie koncepcyjnym fermiony mogą być traktowane jako cząstki „materii”, które doświadczają działania siły wynikającej z wymiany bozonów, tzw. cząstek będących nośnikami siły lub cząstek pola.

Na poziomie kwantowym oddziaływania fermionów zachodzą poprzez emisję i absorpcję cząstek pola związanych z podstawowymi oddziaływaniami materii, w szczególności z siłą elektromagnetyczną, siłą silną i siłą słabą. Podstawowe oddziaływanie pojawia się więc na diagramie Feynmana jako „wierzchołek”, czyli skrzyżowanie trzech linii. W ten sposób droga elektronu, na przykład, jawi się jako dwie linie proste połączone z trzecią, falistą linią, gdzie elektron emituje lub absorbuje foton. (Patrz rysunek.)

Diagramy Feynmana są używane przez fizyków do bardzo dokładnych obliczeń prawdopodobieństwa dowolnego procesu, takiego jak rozpraszanie elektron-elektron, na przykład, w elektrodynamice kwantowej. Obliczenia muszą zawierać wyrażenia odpowiadające wszystkim liniom (reprezentującym rozchodzące się cząstki) i wszystkim wierzchołkom (reprezentującym oddziaływania) pokazanym na diagramie. Ponadto, ponieważ dany proces może być reprezentowany przez wiele możliwych diagramów Feynmana, wkład każdego możliwego diagramu musi być wprowadzony do obliczeń całkowitego prawdopodobieństwa zajścia danego procesu. Porównanie wyników tych obliczeń z pomiarami eksperymentalnymi ujawniło niezwykły poziom dokładności, z dokładnością do dziewięciu cyfr znaczących w niektórych przypadkach.

Najprostsze diagramy Feynmana mają tylko dwa wierzchołki, reprezentujące emisję i absorpcję cząstki pola. (W tym diagramie elektron (e-) emituje foton w punkcie V1, a ten foton jest nieco później pochłaniany przez inny elektron w punkcie V2. Emisja fotonu powoduje odrzut pierwszego elektronu w przestrzeni, podczas gdy absorpcja energii i pędu fotonu powoduje porównywalne odchylenie toru ruchu drugiego elektronu. W wyniku tego oddziaływania cząstki oddalają się od siebie w przestrzeni.

Jedną z intrygujących cech diagramów Feynmana jest to, że antycząstki są przedstawiane jako zwykłe cząstki materii poruszające się do tyłu w czasie – czyli z odwróconą strzałką na liniach, które je przedstawiają. Na przykład, w innym typowym oddziaływaniu (pokazanym na rysunku), elektron zderza się ze swoją antycząstką, pozytonem (e+), i obie ulegają anihilacji. W wyniku zderzenia powstaje foton, który następnie tworzy w przestrzeni dwie nowe cząstki: mion (μ-) i jego antycząstkę, antymion (μ+). Na diagramie tego oddziaływania obie antycząstki (e+ i μ+) są przedstawione jako odpowiadające im cząstki poruszające się wstecz w czasie (w kierunku przeszłości).

Możliwe są również bardziej złożone diagramy Feynmana, obejmujące emisję i absorpcję wielu cząstek, jak pokazano na rysunku. W tym diagramie dwa elektrony wymieniają dwa oddzielne fotony, wytwarzając cztery różne oddziaływania odpowiednio w V1, V2, V3 i V4.

.