Diagrama de Feynman para niños
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.
Contenido
¿Quién fue Richard Feynman?
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:
Y algunos ejemplos de partículas específicas:
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:
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).
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:
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.
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.
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.
Gluones
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
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En este diagrama de Feynman, un electrón y un positrón se aniquilan, produciendo un fotón (representado por la onda sinusoidal azul) que se convierte en un par quark-antiquark, después de lo cual el antiquark irradia un gluón representado por la hélice verde).
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Interacción entre los dos bosones W con carga diferente (la línea de tiempo corre de arriba abajo)
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Interacción entre los dos bosones W con carga diferente y dos fotones (la línea de tiempo corre de arriba abajo)
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Interacción entre los dos bosones W con carga diferente y dos bosones Z (la línea de tiempo corre de arriba abajo)
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Interacción entre los dos bosones W con carga diferente, un bosón Z y un fotón (la línea de tiempo corre de arriba abajo)
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Diagrama sin bucles (árbol)
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Diagrama con un bucle (1-loop)
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Diagrama con dos bucles (2-loop)
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Otro diagrama con dos bucles (2-loop)
Véase también
En inglés: Feynman diagram Facts for Kids
