Feynman diyagramları nedir, ne işe yarar? Feynman diaygramlarının özellikleri, parçacık fiziği denklemlerinde kullanımı hakkında bilgi.
Feynman Diyagramları
Feynman diyagramları karmaşık parçacık fiziği denklemlerinde anlatılanları kısa yoldan göstermek için zekice tasarlanmış şemalardır. Her parçacık etkileşimi bir noktada buluşan üç okla gösterilir; bu oklardan biri gelen parçacığı, biri çıkan parçacığı ve biri de kuvvet taşıyan parçacığı ifade eder. Fizikçiler bunlardan birçoğunu birbirine ekler ve gerçekleşen etkileşimlerin olasılıkları üzerine çalışırlar.
Richard Feynman Kaliforniyalı karizmatik bir parçacık fizikçisiydi. Çok güzel ders anlatımıyla ün salmış bir hocaydı ve iyi bongo çalardı. Parçacıkların etkileşimlerini gösteren simgesel bir dil geliştirdi. Bu gösterim* basitliğinden dolayı hâlâ kullanılmaktadır. Feynman karmaşık matematik denklemlerini kısa yoldan göstermek için oklar kullandı. Buna göre her parçacık bir okla gösterilir. Gelen için bir ok, çıkan için bir ok ve etkileşimi göstermek için de dalgalı bir ok kullanılır. Yani parçacıklar arasında gerçekleşen her etkileşim bir noktada (yani köşe noktasında) buluşan üç okla gösterilebilir. Daha karmaşık etkileşimler de bu şekillerden birkaç tanesi birleştirilerek ifade edilir.
Feynman diyagramları yalnızca bir grafik araç değildir. Atomaltı parçacıkların etkileşim mekanizmasını göstermenin yanı sıra bu diyagramlar, fizikçilere o etkileşimlerin gerçekleşme olasılıklarını hesaplamada da yardımcı olur.
Çizimler
Feynman diyagramlarında parçacıkların etkileşimlerini anlatmak için parçacıkların güzergahlarını gösteren bir dizi ok kullanılır.
Diyagramlarda genellikle sağa gidildikçe zaman da ilerler; bu nedenle etkileşime giren ve çıkan elektronlar sağa yönelmiş oklarla gösterilir. Hareketi anlatmak için de genellikle hafif eğimli olurlar. Karşı parçacıkların (bunlar gerçek parçacıkların zamanda geriye giden karşılıkları olduğundan) okları geriye doğru yani sağdan sola olur. Burada birkaç örnek verilmiştir.
Bu diyagramda foton yayan bir elektron gösteriliyor olabilir. Gelen elektron (soldan gelen ok) üçlü kesişim noktasında elektromanyetik bir etkileşime girer ve yeni bir elektron (sağa devam eden ok) ile bir foton (dalgalı çizgi) üretir. Parçacıklar belirtilmemiştir – yalnızca etkileşimin mekanizması gösterilmiştir. Bu gösterim foton yayan bir proton için de kullanılabilir.
Burada gelen bir elektron (ya da başka bir parçacık) bir foton soğuruyor ve daha enerjili bir elektron üretiyor.
Bu diyagramda oklar ters yönlü, yani bunlar karşı parçacıklar olmalı. Burada bir karşı elektron ya da karşı proton (soldaki ok) bir foton soğuruyor ve yeni bir pozitron (sağdaki ok) üretiyor.
Burada da bir elektron ile bir pozitron birleşiyor ve yok oluyorlar. Bu sırada ortaya çıkan enerji de foton olarak yayılıyor.
Üç uçlu köşe noktalarından ikisi ya da daha fazlası birleştirilerek bir dizi olay gösterilebilir. Burada bir parçacık ile bir karşı parçacığın birleşip yok olduğu ve ortaya çıkan fotonun da sonra bozunarak yine bir parçacık-karşı parçacık çiftine dönüştüğü gösteriliyor.
Bu köşeler birçok farklı etkileşim tipini göstermek için kullanılabilir. Her türlü parçacık için, kuarklar ve leptonların yanı sıra, bunlarla ilgili kuvvetlerin -elektromanyetik, zayıf ve güçlü çekirdek kuvvetlerinin- taşıyıcıları için de kullanılabilirler. Hepsi de aynı temel kuralları izler. Enerji korunmalıdır; diyagramda giren ve çıkan çizgiler gerçek parçacıkların (yalıtılmış olarak var olamayan serbest bir kuarkın değil de nötronun ya da protonun) olmalıdır. Ama bununla birlikte, sonuçta yalnızca gerçek parçacıklar kalacak şekilde bir temizlik yapıldığı sürece ara aşamalarda her türlü atomaltı parçacık ve sanal parçacık da yer alabilir.
Olasılık
Bu diyagramlar yalnızca etkileşimleri kısa yoldan ve uygun biçimde gözümüzde canlandırmaya yaramıyordu, aynı zamanda etkileşimin olasılığı hakkında da fikir veriyordu. Dolayısıyla karmaşık denklemlerin güçlü birer matematiksel anlatımıydılar. Bir etkileşimin ne kadar olası olduğunu ortaya çıkarmak için oraya giden kaç değişik yol olduğunu bilmeniz gerekir. İşte, diyagramların kendini gösterdiği yer burasıdır. Etkileşimlerin her türlü olası varyasyonunu yani sizi başlangıçtan sonuca götüren ve birçok başka etkileşim daha içeren bütün yolları çizerek bunların gerçekleşme olasılıklarını hesaplayabilirsiniz.
KED
Feynman bu diyagramları 1940’lı yıllarda kuantum elektrodinamiğini (KED) geliştirmeye çalışırken buldu. KED’in ardında yatan fikir “Fermat’nın ışığın yayılması ilkesi”ne oldukça benzer: Işık olası bütün yollardan ilerler ama en olası yol ışığın (büyük bölümünün aynı fazda ilerleyeceği) en hızlı ilerlediği yoldur. Aynı yaklaşımın elektromanyetik alanlara uygulanmasıyla 1927’den sonra kuantum alan teorisi geliştirilmiş ve o da zamanla KED’e dönüşmüştür.
KED, fotonların aracılık ettiği elektromanyetik etkileşimleri tanımlar; yani kuantum mekaniğini bir elektrik alan tanımı ve atomaltı parçacıklarla birleştirir. Feynman bütün olası etkileşimlerin olasılıklarını çözmeye çalışırken bu grafik notasyonu geliştirmiştir. KED’den sonra fizikçiler bu resmi daha da genişletip ona kuantum kromodinamik (KKD) denen, kuarkların renk kuvveti alanı teorisini de dahil ettiler. Sonra da KED zayıf çekirdek kuvveti ile birleşerek “elektrozayıf” kuvveti oluşturdu.
