最后更新：2023年12月20日

费曼图

什么是费曼图？

费曼图是粒子物理学中用于表示不同物理过程（各种事件和现象）的强大图形工具，例如扩散、湮灭和粒子产生。每个过程都由一组与粒子间相互作用相关的特定规则来描述。它们由美国物理学家理查德·费曼（1918-1988）于20世纪40年代提出。

在费曼图引入之前，量子场论（QFT）领域的计算难以直观呈现。在拓扑量子计算（TQC）中，粒子不再被视为点状存在，而是量子场的局部显现。每种粒子都与一个充满整个空间的量子场相关联。例如，电子与电子场相关联。

费曼图用于计算不同量子过程（量子隧穿、电子跃迁、退相干、纠缠、衰变等）的概率振幅。每个图对过程的总概率都有贡献，将所有相关图的贡献求和，即可得到所考虑过程的总概率。

在上述费曼图中，入射粒子和出射粒子的性质是可测量的。它们的能量或动量必须遵循爱因斯坦的质能等价方程（E² - p²c² = m²c⁴）。这种相互作用使电子能够交换质量和能量，从而导致它们的湮灭。

e-电子和e+正电子的静止质量约为0.511 MeV。当这两个粒子湮灭时，它们的总质量转化为能量。该能量以两个γ光子的形式释放，每个光子的能量为0.511 MeV。电子和正电子具有大小相等但方向相反的动量。当这两个粒子湮灭时，它们的总动量转化为两个光子的动量。光子沿相反方向发射，从而保持动量守恒。当电子消失时，光子便会产生。

费曼图的主要方面

线条代表粒子。线条的颜色表示粒子的类型。例如，蓝色线条代表电子，绿色线条代表光子，红色线条代表夸克等。- 实线代表费米子（电子和夸克）。- 波浪线代表规范玻色子（光子和W/Z玻色子），并附有其符号。- 虚线代表虚粒子的交换，例如夸克之间相互作用中的胶子交换。希格斯玻色子用虚线表示，并附有其符号。- 双箭头线代表反粒子（正电子、反质子等），它们是普通粒子的反物质对应物。- 带有双向箭头的波浪线代表中性粒子（中子、中微子、光子），它们可以与带正电或负电的粒子相互作用。- 带有特定标签的线条代表某些理论特有的奇异粒子（轴子、快子）。

费曼图中的箭头并不表示粒子的时间方向，它们仅表示粒子的类型。不过，通常将普通粒子表示为朝向未来运动，而反粒子则表示为朝向过去运动。 - 费米子用带箭头的线表示。对于普通粒子，箭头指向未来；对于反粒子，箭头指向过去。 - 反费米子用箭头方向相反的带箭头的线表示。对于普通粒子，箭头指向过去；对于反粒子，箭头指向未来。

顶点代表时空中的一个点，粒子在此处发生相互作用。它们由粒子线相交的连接点表示。顶点是费曼图中粒子线进入或离开的具体位置。- 对于涉及光子交换的电磁相互作用，顶点通常表示为粒子线（例如电子）发射或吸收光子的点。其图形表示可能类似一个分叉，即一条线分裂成两条。- 在夸克之间的强相互作用中，顶点由粒子线（夸克）发射或吸收胶子来表示。胶子作为强相互作用的力载体，也由线条表示，其顶点形状可能与电磁相互作用的叉状类似。- 弱相互作用（如β衰变）涉及W和Z玻色子。与这些相互作用相关的顶点可由粒子线发射或吸收这些玻色子来表示。

顶点之间的连线代表粒子在时空中的传播。连接两个顶点的每条线对应特定粒子在这两个相互作用点之间的轨迹。 - 顶点之间的线遵循特定方向，表示粒子传播的时间方向。在典型图示中，时间从左向右推进。从左向右的粒子线代表粒子向未来传播。 - 顶点之间的线在绘制时需遵守电荷及其他物理量的守恒定律。特定过程中进入和离开的粒子必须满足这些守恒规则。 - 在某些情况下，顶点之间的线可能代表虚粒子的交换，这些虚粒子虽不可直接观测，但对概率振幅的计算至关重要。

量子数，如电荷、味和角动量（自旋），由粒子及其相互作用表示。量子数是亚原子粒子的固有特性，它们不随时间变化，也不依赖于粒子的状态。在费曼图中，量子数由特定符号表示：电荷用圆圈表示，味用字母表示，角动量用箭头表示。 - 粒子的电荷通常用字母“q”表示，可以是正、负或零。电子带负电荷（-），而电子的反粒子——正电子带正电荷（+）。 - 味指粒子的类型，无论是特定味的夸克（上、下、奇、粲、顶、底）还是特定代的轻子（电子、μ子、τ子）。在粒子味语境中，味量子数常用字母“f”表示。例如，对于不同类型的微中子，电子味、μ子味和τ子味分别对应f=1、2、3。 - 角动量（也称自旋）常用字母“s”或符号“S”表示，以约化普朗克常数ħ为单位。可能的自旋值包括0、1/2、1等。费米子（自旋为1/2的粒子）通常用实线表示，规范玻色子（自旋为1的粒子）通常用波浪线表示，希格斯玻色子（自旋为0的粒子）在某些图中可用特殊线条表示。 - 磁量子数用于描述粒子角动量在磁场中的取向，常用字母“m”或“m_s”表示。

费曼图

什么是费曼图？

费曼图的主要方面

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