Diagrama de Feynman , um método gráfico de representar as interações de partículas elementares, inventado nas décadas de 1940 e 1950 pelo físico teórico americano Richard P. Feynman . Introduzido durante o desenvolvimento da teoria da eletrodinâmica quântica como uma ajuda para visualizar e calcular os efeitos das interações eletromagnéticas entre elétrons e fótons , os diagramas de Feynman agora são usados para representar todos os tipos de interações de partículas.
No nível quântico as interações dos férmions ocorrem através da emissão e absorção das partículas de campo associadas às interações fundamentais da matéria, em particular a força eletromagnética, a força forte e a força fraca . A interação básica, portanto, aparece em um diagrama de Feynman como um“vértice” — ou seja, uma junção de três linhas. Desta forma, o caminho de um elétron , por exemplo, aparece como duas linhas retas conectadas a uma terceira linha ondulada onde o elétron emite ou absorve um fóton . (Veja a .)
Os diagramas de Feynman mais simples envolvem apenas dois vértices, representando a emissão e a absorção de uma partícula de campo. (Veja a .) Neste diagrama um elétron ( e − ) emite um fóton em V 1 , e este fóton é então absorvido um pouco mais tarde por outro elétron em V 2 . A emissão do fóton faz com que o primeiro elétron recue no espaço, enquanto a absorção da energia e do momento do fóton causa uma deflexão comparável no caminho do segundo elétron. O resultado dessa interação é que as partículas se afastam umas das outras no espaço.
Uma característica intrigante dos diagramas de Feynman é que as antipartículas são representadas como partículas de matéria ordinária movendo-se para trás no tempo — isto é, com a ponta da seta invertida nas linhas que as representam. Por exemplo, em outra interação típica (mostrada na ),
Diagramas de Feynman mais complexos, envolvendo a emissão e absorção de muitas partículas, também são possíveis, conforme mostrado na . Neste diagrama, dois elétrons trocam dois fótons separados, produzindo quatro interações diferentes em V 1 , V 2 , V 3 e V 4 , respectivamente.
A física quântica descreve o funcionamento do Universo no nível das minúsculas partículas, como elétrons e fótons de luz, que o compõem. A maioria de nossas experiências cotidianas vem da interação das partículas de matéria entre si e com a luz, o que pode ser explicado pela eletrodinâmica quântica (QED).
Essa teoria detalhada renderia o Prêmio Nobel de Física para Richard Feynman, Julian Schwinger e Sin-Itiro Tomonaga. Muito de seu pensamento original envolvia matemática complexa, pois era necessário lidar com um grande número de interações potenciais, cada uma com probabilidades diferentes.
Mas Feynman percebeu que essas interações poderiam ser representadas por diagramas simples – padrões que definem a interação entre luz e matéria. Eles não apenas tornaram o QED mais compreensível, mas os diagramas de Feynman também forneceram uma ferramenta visual para tornar práticos os cálculos de outra forma impossíveis.
Cada diagrama combina uma série de linhas onde, por exemplo, linhas retas representam partículas de matéria e linhas onduladas são fótons. Estes são padrões no espaço-tempo, mas representam a interação de partículas. Um exemplo simples pode mostrar dois elétrons se repelindo eletromagneticamente, com um fóton passando entre eles como um portador de força.
Os diagramas de Feynman foram necessários para refletir o estranho comportamento das partículas quânticas, que não guarda nenhuma semelhança com a ação dos objetos físicos que as compõem. Para ver por que os diagramas eram tão significativos, precisamos dar um passo atrás no que faz a física quântica parecer tão bizarra.
QED: eletrodinâmica quântica
A física quântica começou com a percepção de Einstein de que os fótons eram reais, logo se expandindo para explicar a estrutura do átomo. É a ciência do muito pequeno, onde a realidade parece não ter a certeza determinista do mundo que normalmente observamos, mas sim as probabilidades dominam.
A eletrodinâmica quântica, onde os diagramas de Feynman foram usados pela primeira vez, considera as interações de partículas quânticas que dependem do eletromagnetismo. No uso comum, 'eletromagnetismo' soa como se tratasse apenas de eletricidade e magnetismo, o que de certa forma é. Mas precisamos entender que ela é responsável pela grande maioria das interações cotidianas no mundo que vivenciamos.
A luz é um fenômeno eletromagnético. Da mesma forma, a maioria das interações entre os átomos é eletromagnética. Assim, por exemplo, quando você se senta em uma cadeira, é a força eletromagnética agindo entre os átomos da cadeira e os átomos do seu corpo que impede que seus átomos simplesmente passem pelos da cadeira.
A força eletromagnética é uma das quatro forças fundamentais do Universo. As outras três são a gravidade e as interações forte e fraca – essas duas forças estão envolvidas no núcleo dos átomos. Tendemos a pensar na gravidade como algo avassalador, mas na verdade ela é de longe a mais fraca das quatro forças, bilhões de bilhões de vezes mais fraca que o eletromagnetismo.
Se você duvida disso, pense em um imã de geladeira. Toda a atração gravitacional da Terra está tentando puxá-la para o chão. Tudo o que o prende à geladeira é a força eletromagnética de seu minúsculo ímã. O ímã vence.
Na teoria quântica, as forças passam de um lugar para outro como resultado dos chamados portadores de força – partículas que viajam entre os dois objetos que se atraem ou se repelem. É por isso que, por exemplo, um ímã pode atrair um pedaço de ferro à distância. Talvez surpreendentemente, o portador de força do eletromagnetismo é uma partícula que já conhecemos – o fóton.
Normalmente somos apresentados ao fóton como a partícula de luz, mas toda vez que há uma interação eletromagnética entre partículas de matéria, um fluxo de 'fótons virtuais' entre as partículas produz o efeito de uma força. O termo 'virtual' aqui é decididamente enganoso. Parece que isso significa que as partículas não existem. O que realmente se refere, porém, é que os fótons nunca são observados, pois passam de uma partícula para outra sem escapar.
Como resultado, quase toda interação eletromagnética – o que significa quase toda interação de matéria que não envolve gravidade – é o resultado de uma partícula de matéria emitindo um fóton, ou uma partícula de matéria absorvendo um fóton, ou ambos.
Diagramas de Feynman
Os diagramas de Feynman são projetados como uma forma de ilustrar essas interações eletromagnéticas e de explorar e quantificar as muitas variantes que a estranha natureza da física quântica fornece e que não seriam esperadas de outra forma.
Nos diagramas, as partículas de matéria são representadas por linhas retas e os fótons por linhas sinuosas. (Existem outros tipos de linha quando o uso do diagrama é expandido além do simples QED.) Não há uma convenção clara sobre qual eixo é o tempo e o espaço. Muitas vezes, o tempo é o eixo vertical em um Feynman, mas onde for mais conveniente, pode ser o eixo horizontal.
Os elementos mais comuns mostrados em tal diagrama são que um fóton viaja de um local para outro; uma partícula de matéria (em sua forma mais simples, um elétron) viaja de um lugar para outro; ou uma partícula de matéria emite ou absorve um fóton. Quase tudo pode ser construído a partir desses componentes simples.
Mas por causa das peculiaridades da física quântica, uma ação aparentemente simples pode resultar em uma infinidade de diagramas. Tome um exemplo aparentemente simples de dois elétrons se movendo. Sabemos onde começam e onde terminam.
Mas como eles passam de estar localizados em A e B para estar em C e D? A possibilidade mais simples é que o elétron de A termine em C, e o de B em D. Outra probabilidade é que o elétron de A termine em D e o de B em C.
Observe que não podemos dizer o que aconteceu, pois não sabemos a rota que os elétrons seguiram, nem sabemos qual elétron é qual. Uma das coisas definitivas sobre as partículas quânticas, como os elétrons, é que elas não têm características distintivas. Eles são verdadeiramente idênticos.
Isso é bastante simples, mas existem outras possibilidades. Os elétrons, como outras partículas quânticas, podem passar por um processo conhecido como espalhamento. Isso geralmente é representado como um elétron ricocheteando no outro, como um par de bolas em uma mesa de sinuca. No entanto, os elétrons são partículas eletricamente carregadas e a interação eletromagnética funciona por meio de fótons.
Assim, outro diagrama mostraria um fóton passando de um elétron para o outro, como resultado alterando os caminhos dos elétrons para que eles terminassem em C e D. Isso poderia surgir de várias maneiras.
Cada um dos diferentes diagramas possíveis terá uma probabilidade anexada a ele. À medida que adicionamos possibilidades mais improváveis, o resultado se torna cada vez mais próximo da realidade. É divertido que a física quântica seja, em certo sentido, a ciência mais precisa que temos. Como Feynman certa vez observou, a diferença entre suas previsões e a realidade é comparável à espessura de um fio de cabelo na escala de distância entre Nova York e Los Angeles.
No entanto, por outro lado, as previsões da física quântica são baseadas em probabilidades e, embora possamos nos aproximar do valor real, sempre será o limite de levar em consideração todos os diagramas possíveis, em vez de um simples resultado.
Embora os diagramas de Feynman às vezes tenham setas indicando uma direção de viagem, muitas vezes elas não são necessárias. Tomemos, por exemplo, o fóton viajando entre os elétrons nos diagramas mostrados acima.
É perfeitamente aceitável dizer que o fóton viaja na direção em que viaja para o futuro, mas, na prática, a matemática usada para fazer o cálculo não importa se o fóton viaja para frente ou para trás no tempo. Assim como os diagramas não costumam distinguir uma direção, o fóton é descrito como sendo “trocado” pelas partículas, em vez de viajar de uma partícula específica para outra.
Não examinaremos todos os diagramas possíveis para essa interação simples (na verdade, seria impossível, e mesmo tentar seria altamente tedioso). Mas, apenas para mostrar como mais e mais complexidade poderia ser adicionada, uma próxima possibilidade poderia ser a troca de dois fótons ao longo do caminho, produzindo um par de eventos de dispersão. Quando chegamos a um evento como este, a contribuição já é algo como uma parte em 10.000.
Observe, aliás, que os diagramas são mais do que ilustrações visuais – eles são um mecanismo para basear os cálculos. Os cálculos reais podem se tornar dolorosamente confusos, mas os diagramas fornecem os padrões para embasá-los de maneira acessível.
Fontes de replicação e aprendizagem: https://www.britannica.com/ e BBC Science Focus.
