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Diagrama de Feynman para niños

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Los diagramas de Feynman son dibujos especiales que usan los científicos para entender y calcular cómo interactúan las partículas más pequeñas del universo. Imagina que son como mapas que muestran los caminos que siguen estas partículas cuando chocan o se transforman.

Fueron creados por un físico estadounidense llamado Richard Feynman en 1948. Estos diagramas hacen que los cálculos complicados de la teoría cuántica de campos sean mucho más fáciles de visualizar y resolver. También se usan en otras áreas de la física, como la física del estado sólido, para estudiar sistemas con muchas partículas.

Cuando las partículas chocan, pueden tomar muchos caminos diferentes. Los diagramas de Feynman nos ayudan a dibujar todos esos caminos posibles y a calcular la probabilidad de cada uno. Aunque a veces los cálculos pueden parecer infinitos al principio, los científicos usan una técnica llamada "renormalización" para obtener resultados precisos que coinciden muy bien con lo que se observa en los experimentos.

Además de ser una herramienta matemática, los diagramas de Feynman nos dan una idea más clara de cómo funcionan las interacciones entre partículas.

¿Quién fue Richard Feynman?

Archivo:RichardFeynman-PaineMansionWoods1984 copyrightTamikoThiel bw
Richard Feynman en 1984

Richard Feynman (1918-1988) fue un físico muy famoso que ganó el Premio Nobel de Física en 1965. Era conocido por su forma única de explicar ideas complejas de manera sencilla y por su curiosidad insaciable. Además de los diagramas de Feynman, también desarrolló la "integral de caminos", otra forma de entender la mecánica cuántica.

¿Para qué sirven los diagramas de Feynman?

Los diagramas de Feynman son una forma gráfica de representar las interacciones entre partículas. Aunque las ecuaciones que describen estas interacciones son muy complejas, los diagramas las simplifican visualmente.

Simplificando interacciones de partículas

Por ejemplo, la interacción entre electrones y fotones se describe con ecuaciones muy largas. Los diagramas de Feynman traducen estas ecuaciones en dibujos claros. Esto no significa que no necesitemos las matemáticas, pero los diagramas hacen que sea más fácil entender lo que está pasando.

Se usan mucho para calcular cómo se dispersan las partículas en teorías cuánticas, como la electrodinámica cuántica. Para ello, se suman las probabilidades de todos los diagramas posibles que describen un evento.

También se aplican en la física del estado sólido, que estudia cómo se comportan los materiales, y en la física estadística.

¿Cómo se construyen los diagramas de Feynman?

Los diagramas de Feynman se forman con símbolos básicos que representan diferentes tipos de partículas.

Símbolos de partículas

  • Fermiones: Son las partículas que forman la materia, como los electrones o los quarks. Se dibujan con líneas continuas que tienen una flecha. La dirección de la flecha indica si es una partícula (hacia adelante en el tiempo) o una antipartícula (hacia atrás en el tiempo).
  • Bosones: Son las partículas que transmiten las fuerzas, como los fotones (que transmiten la fuerza electromagnética) o los gluones (que transmiten la fuerza fuerte). Se representan con líneas onduladas o en espiral.
  • Bosones escalares: Como el bosón de Higgs, se suelen dibujar con líneas discontinuas.

En la mayoría de los diagramas, el tiempo avanza de izquierda a derecha.

Aquí tienes algunos símbolos comunes:

  • Archivo:Feynman-particle
    Fermión
  • Archivo:Feynman-particle-pos
    Antifermión
  • Archivo:Feynman-wave
    Bosones que transmiten la interacción débil
  • Archivo:Feynman-gluon
    Gluón (transmite la interacción fuerte)
  • Archivo:Feynman-higgs
    Bosón de Higgs

Y algunos ejemplos de partículas específicas:

  • Archivo:Feynman-electron
    Electrón
  • Archivo:Feynman-positron
    Positrón
  • Archivo:Feynman-muon
    Muón
  • Archivo:Feynman-neutrino
    Neutrino
  • Archivo:Feynman-photon
    Fotón
  • Archivo:Feynman-Z-boson
    Bosón Z
  • Archivo:Feynman-W-plus-boson
    Bosón W+
  • Archivo:Feynman-W-minus-boson - Kopie
    Bosón W

Vértices y propagadores

Los diagramas de Feynman tienen:

  • Líneas externas: Representan las partículas que entran o salen de una interacción.
  • Vértices: Son los puntos donde las líneas se encuentran. Aquí es donde las partículas interactúan: pueden crearse, destruirse o cambiar de dirección.
  • Líneas internas (propagadores): Conectan los vértices. Representan partículas "virtuales" que existen por un instante durante la interacción, pero no se pueden observar directamente.

Un mismo vértice puede representar diferentes procesos si se cambia la dirección de las partículas. Por ejemplo:

  • Archivo:Feynman-electron-positron-annilation
    Fusión entre electrón y positrón liberando un fotón
  • Archivo:Feynman-electron-photon-emission
    Emisión de un fotón por un electrón
  • Archivo:Feynman-positron-photon-fusion
    Absorción de un fotón por un positrón
  • Archivo:Feynman-photon-to-electron-positron-decay
    Descomposición de un fotón en un electrón y un positrón

Ejemplos de interacciones

Dispersión de Møller

Este es un ejemplo de cómo dos electrones se dispersan (chocan y cambian de dirección). Se dibujan dos electrones entrando y dos saliendo. La interacción se produce a través de un bosón virtual (como un fotón).

  • Archivo:Feynman-electron-positron-coupling-vertical
    Dos fermiones (como un electrón y un positrón) interactuando a través de un bosón virtual (como un fotón)
  • Archivo:Feynman-electron-positron-coupling
    Otro diagrama equivalente para la dispersión de Møller

El proceso completo de dispersión se calcula sumando las contribuciones de todos los diagramas posibles.

Efecto Compton

El efecto Compton es cuando un fotón choca con un electrón y le transfiere parte de su energía, cambiando de dirección. Aquí se suman dos diagramas posibles para describir este efecto:

  • Archivo:Feynman-compton-scattering
    Un diagrama para el efecto Compton
  • Archivo:Feynman-compton-scattering-vertical
    Otro diagrama para el efecto Compton

Reglas de Feynman

Las reglas de Feynman nos dicen qué interacciones son posibles entre las partículas.

Fotones

Los fotones interactúan con cualquier partícula que tenga carga eléctrica.

  • Archivo:Feynman-e-e-gamma
    Interacción entre electrones, positrones y fotones
  • Archivo:Feynman-mu-mu-gamma
    Interacción entre muones y fotones

Bosones Z

El bosón Z interactúa con casi todas las partículas elementales, excepto los gluones. Los neutrinos, por ejemplo, no interactúan con los fotones, pero sí con los bosones Z.

  • Archivo:Feynman-ny-ny-Z
    Interacción entre bosón Z y neutrinos
  • Archivo:Feynman-e-e-Z
    Interacción entre electrones, positrones y bosón Z
  • Archivo:Feynman-mu-mu-Z
    Interacción entre muones, anti-muones y bosón Z

Bosones W

Los bosones W son especiales porque pueden cambiar el "sabor" de las partículas. Esto significa que un tipo de partícula puede transformarse en otro, como un electrón en un neutrino. Esto es muy importante en procesos como la desintegración beta.

  • Archivo:Feynman-ny-l-W
    Interacción entre leptones con carga negativa, neutrinos y bosón W
  • Archivo:Feynman-l-ny-W
    Interacción entre neutrinos, leptones con carga positiva y el bosón W
  • Archivo:Feynman-beta-decay
    β-desintegración de un neutrón: un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino
  • Archivo:Feynman-beta-plus-decay
    β+-desintegración de un protón: un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino

Gluones

Archivo:Synthese+
Representación gráfica de la neutralización de las cargas de color, similar a la mezcla de colores

Los gluones son los que transmiten la fuerza fuerte, que mantiene unidos a los quarks dentro de partículas como los protones y neutrones. Los quarks tienen una propiedad llamada "carga de color" (que no es un color real, sino una forma de clasificarlos). Los gluones se encargan de equilibrar estas "cargas de color".

Existen ocho tipos diferentes de gluones. Como los gluones también tienen "carga de color", pueden interactuar entre sí, lo que es una característica única de la fuerza fuerte.

Bosones de Higgs

El bosón de Higgs interactúa con todas las partículas que tienen masa. Es decir, no interactúa con los fotones ni con los gluones, porque estas partículas no tienen masa. Según el Modelo Estándar de la física de partículas, las partículas elementales obtienen su masa gracias a su interacción con el campo de Higgs.

Diagramas de Feynman en la cultura popular

Los diagramas de Feynman han aparecido en la serie de televisión The Big Bang Theory, mostrando su importancia y reconocimiento en el mundo de la ciencia.

Galería de imágenes

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Feynman diagram Facts for Kids

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Diagrama de Feynman para Niños. Enciclopedia Kiddle.