Feynman-diagram, en grafisk metod för att representera elementarpartiklars växelverkan, uppfunnen på 1940- och 50-talen av den amerikanske teoretiske fysikern Richard P. Feynman. Feynman-diagrammen introducerades under utvecklingen av teorin om kvantelektrodynamik som ett hjälpmedel för att visualisera och beräkna effekterna av elektromagnetiska interaktioner mellan elektroner och fotoner, men används nu för att skildra alla typer av partikelinteraktioner.

Britannica Quiz

Allt om fysik Quiz

Vem var den första vetenskapsmannen som genomförde ett experiment med en kontrollerad nukleär kedjereaktion? Vad är måttenheten för cykler per sekund? Testa din fysikförmåga med det här frågespelet.

Ett Feynman-diagram är en tvådimensionell representation där en axel, vanligtvis den horisontella axeln, väljs för att representera rymden, medan den andra (vertikala) axeln representerar tiden. Raka linjer används för att avbilda fermioner-fundamentalpartiklar med halva heltalsvärden av inneboende vridmoment (spin), t.ex. elektroner (e-)-och vågiga linjer används för bosoner-partiklar med heltalsvärden av spin, t.ex. fotoner (γ). På en konceptuell nivå kan fermioner betraktas som ”materia”-partiklar som upplever effekten av en kraft som uppstår genom utbytet av bosoner, så kallade ”kraftbärare” eller fältpartiklar.

På kvantnivå sker fermionernas växelverkan genom att emittera och absorbera de fältpartiklar som är förknippade med materiens fundamentala växelverkan, särskilt den elektromagnetiska kraften, den starka kraften och den svaga kraften. Den grundläggande växelverkan framträder därför i ett Feynman-diagram som en ”vertex” – dvs. en korsning av tre linjer. På detta sätt framstår t.ex. en elektrons väg som två raka linjer som är kopplade till en tredje, vågig, linje där elektronen avger eller absorberar en foton. (Se figuren.)

Feynman-diagram används av fysiker för att göra mycket exakta beräkningar av sannolikheten för en viss process, t.ex. elektron-elektronspridning, till exempel inom kvantelektrodynamiken. Beräkningarna måste inkludera termer som är likvärdiga med alla linjer (som representerar fortplantningspartiklar) och alla hörn (som representerar interaktioner) som visas i diagrammet. Eftersom en viss process kan representeras av många möjliga Feynman-diagram måste dessutom bidragen från varje möjligt diagram tas med i beräkningen av den totala sannolikheten för att en viss process kommer att inträffa. Jämförelse av resultaten av dessa beräkningar med experimentella mätningar har avslöjat en extraordinär nivå av noggrannhet, med överensstämmelse till nio signifikanta siffror i vissa fall.

De enklaste Feynman-diagrammen omfattar endast två hörn, som representerar emissionen och absorptionen av en fältpartikel. (Se figuren.) I detta diagram avger en elektron (e-) en foton vid V1, och denna foton absorberas något senare av en annan elektron vid V2. Utsändningen av fotonen får den första elektronen att rekylera i rummet, medan absorptionen av fotonens energi och rörelsemängd orsakar en jämförbar avböjning i den andra elektronens bana. Resultatet av denna växelverkan är att partiklarna rör sig bort från varandra i rymden.

En fascinerande egenskap hos Feynman-diagrammen är att antipartiklar representeras som vanliga materiepartiklar som rör sig bakåt i tiden – det vill säga med pilhuvudet omvänt på de linjer som avbildar dem. I en annan typisk växelverkan (som visas i figuren) kolliderar till exempel en elektron med sin antipartikel, en positron (e+), och båda förintas. Vid kollisionen skapas en foton som sedan bildar två nya partiklar i rymden: en muon (μ-) och dess antipartikel, en antimuon (μ+). I diagrammet över denna växelverkan representeras de båda antipartiklarna (e+ och μ+) som sina motsvarande partiklar som rör sig bakåt i tiden (mot det förflutna).

Mer komplexa Feynman-diagram, som involverar emission och absorption av många partiklar, är också möjliga, vilket visas i figuren. I detta diagram utbyter två elektroner två separata fotoner, vilket ger upphov till fyra olika interaktioner vid V1, V2, V3 respektive V4.

.