फेनमैन आरेख

सैद्धांतिक भौतिकी में, एक फेनमैन आरेख उप-परमाणु कणों के व्यवहार और बातचीत का वर्णन करने वाले गणितीय अभिव्यक्तियों का एक चित्रमय प्रतिनिधित्व है। इस योजना का नाम अमेरिकी भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने 1948 में आरेखों को पेश किया था। उप-परमाणु कणों की परस्पर क्रिया जटिल और समझने में कठिन हो सकती है; फेनमैन आरेख एक सरल दृश्य देते हैं कि अन्यथा एक रहस्यमय और अमूर्त सूत्र क्या होगा। डेविड कैसर के अनुसार, "20वीं शताब्दी के मध्य से, सैद्धांतिक भौतिकविदों ने महत्वपूर्ण गणना करने में मदद करने के लिए इस उपकरण की ओर तेजी से रुख किया है। फेनमैन आरेखों ने सैद्धांतिक भौतिकी के लगभग हर पहलू में क्रांति ला दी है।" जबकि आरेख मुख्य रूप से क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत पर लागू होते हैं, उनका उपयोग अन्य क्षेत्रों में भी किया जा सकता है, जैसे कि ठोस-राज्य सिद्धांत । फ्रैंक विल्ज़ेक ने लिखा है कि जिन गणनाओं ने उन्हें 2004 का भौतिकी का नोबेल पुरस्कार जीता था, "फेनमैन आरेखों के बिना सचमुच अकल्पनीय होता, जैसा कि [विल्ज़ेक की] गणनाओं ने हिग्स कण के उत्पादन और अवलोकन के लिए एक मार्ग स्थापित किया।"

फेनमैन ने पॉज़िट्रॉन की अर्नस्ट स्टुएकेलबर्ग की व्याख्या का इस्तेमाल इस तरह किया जैसे कि यह समय में पीछे की ओर जाने वाला इलेक्ट्रॉन हो। इस प्रकार, फेनमैन आरेखों में एंटीपार्टिकल्स को समय अक्ष के साथ पीछे की ओर बढ़ने के रूप में दर्शाया गया है।

Feynmann Diagram Gluon Radiation

सैद्धांतिक कण भौतिकी में संभाव्यता आयामों की गणना के लिए बड़ी संख्या में चर के बजाय बड़े और जटिल इंटीग्रल के उपयोग की आवश्यकता होती है। फेनमैन आरेख इन समाकलनों को आलेखीय रूप से निरूपित कर सकते हैं।

एक फेनमैन आरेख एक क्वांटम यांत्रिक या सांख्यिकीय क्षेत्र सिद्धांत के संक्रमण आयाम या सहसंबंध समारोह में एक परेशान योगदान का एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व है। क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के कैननिकल फॉर्मूलेशन के भीतर, एक फेनमैन आरेख विक के परेशान S -मैट्रिक्स के विस्तार में एक शब्द का प्रतिनिधित्व करता है। वैकल्पिक रूप से, क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत का पथ अभिन्न सूत्रीकरण, कणों या क्षेत्रों के संदर्भ में, प्रारंभिक से अंतिम स्थिति तक प्रणाली के सभी संभावित इतिहासों के भारित योग के रूप में संक्रमण आयाम का प्रतिनिधित्व करता है। संक्रमण आयाम तब क्वांटम प्रणाली के प्रारंभिक और अंतिम राज्यों के बीच S -मैट्रिक्स के मैट्रिक्स तत्व के रूप में दिया जाता है।

प्रेरणा और इतिहास

इस आरेख में, एक काओन, जो एक अप और अजीब एंटीक्वार्क से बना है, कमजोर और दृढ़ता से तीन पायनों में विघटित होता है, जिसमें मध्यवर्ती चरणों में एक डब्ल्यू बोसॉन और एक ग्लूऑन शामिल होता है, जिसे क्रमशः ब्लू साइन वेव और ग्रीन स्पाइरल द्वारा दर्शाया जाता है।]] कण भौतिकी में बिखरने वाले क्रॉस-सेक्शन की गणना करते समय, कणों के बीच की बातचीत को एक मुक्त क्षेत्र से शुरू करके वर्णित किया जा सकता है जो आने वाले और बाहर जाने वाले कणों का वर्णन करता है, और एक इंटरैक्शन हैमिल्टनियन सहित यह वर्णन करने के लिए कि कण एक दूसरे को कैसे विक्षेपित करते हैं। बिखरने का आयाम सभी संभावित मध्यवर्ती कण राज्यों पर प्रत्येक संभावित अंतःक्रिया इतिहास का योग है। हैमिल्टनियन कृत्यों की बातचीत की संख्या गड़बड़ी विस्तार का क्रम है, और क्षेत्रों के लिए समय-निर्भर गड़बड़ी सिद्धांत को डायसन श्रृंखला के रूप में जाना जाता है। जब मध्यवर्ती समय में मध्यवर्ती राज्य ऊर्जा eigenstates (एक निश्चित गति के साथ कणों का संग्रह) होते हैं, तो श्रृंखला को पुराने जमाने की गड़बड़ी सिद्धांत (या समय-निर्भर/समय-आदेशित गड़बड़ी सिद्धांत) कहा जाता है।

डायसन श्रृंखला को वैकल्पिक रूप से फेनमैन आरेखों के योग के रूप में फिर से लिखा जा सकता है, जहां प्रत्येक शीर्ष पर ऊर्जा और गति दोनों संरक्षित होते हैं, लेकिन जहां ऊर्जा-गति चार-वेक्टर की लंबाई आवश्यक रूप से द्रव्यमान के बराबर नहीं होती है, अर्थात मध्यवर्ती कण तथाकथित ऑफ-शेल हैं । फेनमैन आरेख "पुराने जमाने" शब्दों की तुलना में बहुत आसान हैं, क्योंकि पुराने जमाने के तरीके कण और एंटीपार्टिकल योगदान को अलग मानते हैं। प्रत्येक फेनमैन आरेख कई पुराने जमाने के शब्दों का योग है, क्योंकि प्रत्येक आंतरिक रेखा अलग-अलग या तो एक कण या एक एंटीपार्टिकल का प्रतिनिधित्व कर सकती है। एक गैर-सापेक्ष सिद्धांत में, कोई एंटीपार्टिकल्स नहीं होते हैं और कोई दोहरीकरण नहीं होता है, इसलिए प्रत्येक फेनमैन आरेख में केवल एक शब्द शामिल होता है।

फेनमैन ने किसी फील्ड थ्योरी लैग्रैंजियन से किसी दिए गए आरेख के लिए आयाम ( फेनमैन नियम, नीचे ) की गणना के लिए एक नुस्खा दिया। प्रत्येक आंतरिक रेखा आभासी कण के प्रसारक के एक कारक से मेल खाती है; प्रत्येक शीर्ष जहां रेखाएं मिलती हैं, लैग्रेंजियन में एक अंतःक्रियात्मक शब्द से प्राप्त एक कारक देता है, और आने वाली और बाहर जाने वाली रेखाएं ऊर्जा, गति और स्पिन लेती हैं।

गणितीय उपकरण के रूप में उनके मूल्य के अलावा, फेनमैन आरेख कण अंतःक्रियाओं की प्रकृति में गहरी भौतिक अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं। कण हर तरह से उपलब्ध हैं; वास्तव में, मध्यवर्ती आभासी कणों को प्रकाश की तुलना में तेजी से प्रचारित करने की अनुमति है। प्रत्येक अंतिम स्थिति की संभावना तब ऐसी सभी संभावनाओं को जोड़कर प्राप्त की जाती है। यह क्वांटम यांत्रिकी के कार्यात्मक अभिन्न सूत्रीकरण से निकटता से जुड़ा हुआ है, जिसे फेनमैन द्वारा भी आविष्कार किया गया था - पथ अभिन्न सूत्रीकरण देखें।

इस तरह की गणनाओं के भोले-भाले अनुप्रयोग अक्सर ऐसे आरेख उत्पन्न करते हैं जिनके आयाम अनंत होते हैं, क्योंकि छोटी दूरी के कण अंतःक्रियाओं को कण आत्म-अंतःक्रियाओं को शामिल करने के लिए सावधानीपूर्वक सीमित प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। अर्नस्ट स्टुएकेलबर्ग और हंस बेथे द्वारा सुझाई गई और डायसन, फेनमैन, श्विंगर और टोमोनागा द्वारा लागू की गई पुनर्सामान्यीकरण की तकनीक इस प्रभाव की भरपाई करती है और परेशान करने वाली अनंतताओं को समाप्त करती है। पुनर्सामान्यीकरण के बाद, फेनमैन आरेखों का उपयोग करते हुए गणना प्रयोगात्मक परिणामों से बहुत अधिक सटीकता के साथ मेल खाती है।

फेनमैन आरेख और पथ अभिन्न विधियों का उपयोग सांख्यिकीय यांत्रिकी में भी किया जाता है और इसे शास्त्रीय यांत्रिकी पर भी लागू किया जा सकता है।

वैकल्पिक नाम

मुर्रे गेल-मान ने हमेशा स्विस भौतिक विज्ञानी अर्न्स्ट स्टुएकेलबर्ग के बाद फेनमैन आरेखों को स्टुकेलबर्ग आरेखों के रूप में संदर्भित किया, जिन्होंने कई साल पहले इसी तरह के संकेतन को तैयार किया था। स्टुकेलबर्ग क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत के लिए एक स्पष्ट रूप से सहसंयोजक औपचारिकता की आवश्यकता से प्रेरित थे, लेकिन समरूपता कारकों और छोरों को संभालने के लिए एक स्वचालित तरीके के रूप में प्रदान नहीं किया, हालांकि वह समय कण में आगे और पीछे के संदर्भ में सही भौतिक व्याख्या खोजने वाले पहले व्यक्ति थे। पथ, बिना पथ-अभिन्न।

ऐतिहासिक रूप से, सहसंयोजक गड़बड़ी सिद्धांत के एक पुस्तक-रखने वाले उपकरण के रूप में, रेखांकन को फेनमैन-डायसन आरेख या डायसन ग्राफ़ कहा जाता था, क्योंकि जब उन्हें पेश किया गया था, तब पथ अभिन्न अपरिचित था, और फ्रीमैन डायसन की व्युत्पत्ति पुराने जमाने की गड़बड़ी से हुई थी। पहले के तरीकों में प्रशिक्षित भौतिकविदों के लिए सिद्धांत का पालन करना आसान था। फेनमैन को आरेखों के लिए कड़ी पैरवी करनी पड़ी, जिसने समीकरणों और रेखांकन में प्रशिक्षित स्थापना भौतिकविदों को भ्रमित किया।

भौतिक वास्तविकता का प्रतिनिधित्व

मौलिक बातचीत की अपनी प्रस्तुतियों में, कण भौतिकी के दृष्टिकोण से लिखे गए, जेरार्ड टी होफ्ट और मार्टिनस वेल्टमैन ने मूल, गैर-नियमित फेनमैन आरेखों को हमारे वर्तमान ज्ञान के सबसे संक्षिप्त प्रतिनिधित्व के रूप में लेने के लिए अच्छे तर्क दिए। मौलिक कणों के क्वांटम प्रकीर्णन की भौतिकी। उनकी प्रेरणाएँ जेम्स डेनियल ब्योर्केन और सिडनी ड्रेल के विश्वासों के अनुरूप हैं:

फेनमैन रेखांकन और गणना के नियम क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत को एक ऐसे रूप में सारांशित करते हैं जो प्रयोगात्मक संख्याओं के निकट संपर्क में है जिसे कोई समझना चाहता है। यद्यपि रेखांकन के संदर्भ में सिद्धांत के कथन का अर्थ गड़बड़ी सिद्धांत हो सकता है, कई-शरीर की समस्या में चित्रमय विधियों के उपयोग से पता चलता है कि यह औपचारिकता गैर-परेशान वर्णों की घटनाओं से निपटने के लिए पर्याप्त लचीली है। . . गणना के फेनमैन नियमों के कुछ संशोधन स्थानीय विहित क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत की विस्तृत गणितीय संरचना को अच्छी तरह से रेखांकित कर सकते हैं। . .

वर्तमान में, कोई विरोधी राय नहीं है। क्वांटम क्षेत्र सिद्धांतों में फेनमैन आरेखों को फेनमैन नियमों द्वारा लैग्रैंजियन से प्राप्त किया जाता है।

आयामी नियमितीकरणकण-पथ व्याख्या फेनमैन आरेखों के मूल्यांकन में इंटीग्रल को नियमित करने की एक विधि है; यह उन्हें मान प्रदान करता है जो एक सहायक जटिल पैरामीटर d के मेरोमॉर्फिक कार्य हैं, जिन्हें आयाम कहा जाता है। डायमेंशनल रेगुलराइजेशन फेनमैन इंटीग्रल को स्पेसटाइम डायमेंशन d और स्पेसटाइम पॉइंट्स के आधार पर इंटीग्रल के रूप में लिखता है।

कण-पथ व्याख्या

एक फेनमैन आरेख कण अंतःक्रियाओं के संदर्भ में क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत प्रक्रियाओं का प्रतिनिधित्व है। कणों को आरेख की रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है, जो कण के प्रकार के आधार पर, एक तीर के साथ या बिना घुमावदार या सीधे हो सकते हैं। एक बिंदु जहां रेखाएं अन्य रेखाओं से जुड़ती हैं, एक शीर्ष है, और यह वह जगह है जहां कण मिलते हैं और बातचीत करते हैं: नए कणों को उत्सर्जित या अवशोषित करके, एक दूसरे को विक्षेपित करते हुए, या बदलते प्रकार।

तीन अलग-अलग प्रकार की रेखाएँ हैं: आंतरिक रेखाएँ दो शीर्षों को जोड़ती हैं, आने वाली रेखाएँ "अतीत" से एक शीर्ष तक फैली हुई हैं और एक प्रारंभिक स्थिति का प्रतिनिधित्व करती हैं, और बाहर जाने वाली रेखाएँ एक शीर्ष से "भविष्य" तक फैली हुई हैं और अंतिम स्थिति का प्रतिनिधित्व करती हैं। बाद के दो को बाह्य रेखाओं के रूप में भी जाना जाता है)। परंपरागत रूप से, आरेख का निचला भाग भूतकाल और ऊपर वाला भविष्य होता है; दूसरी बार, अतीत बाईं ओर है और भविष्य दाईं ओर है। आयामों को बिखेरने के बजाय सहसंबंध कार्यों की गणना करते समय, कोई अतीत और भविष्य नहीं होता है और सभी रेखाएं आंतरिक होती हैं। कण तब छोटे x पर शुरू और समाप्त होते हैं, जो उन ऑपरेटरों की स्थिति का प्रतिनिधित्व करते हैं जिनके सहसंबंध की गणना की जा रही है।

फेनमैन आरेख एक प्रक्रिया के लिए कुल आयाम में योगदान का एक सचित्र प्रतिनिधित्व है जो कई अलग-अलग तरीकों से हो सकता है। जब आने वाले कणों के एक समूह को एक-दूसरे को बिखेरना होता है, तो इस प्रक्रिया को एक ऐसा माना जा सकता है, जहां कण सभी संभावित रास्तों पर यात्रा करते हैं, जिसमें समय में पीछे जाने वाले रास्ते भी शामिल हैं।

फेनमैन आरेख अक्सर स्पेसटाइम आरेख और बुलबुला कक्ष छवियों के साथ भ्रमित होते हैं क्योंकि वे सभी कण बिखरने का वर्णन करते हैं। फेनमैन आरेख ऐसे रेखांकन हैं जो एक बिखरने की प्रक्रिया के दौरान कण की भौतिक स्थिति के बजाय कणों की बातचीत का प्रतिनिधित्व करते हैं। बबल चैम्बर चित्र के विपरीत, केवल सभी फेनमैन आरेखों का योग किसी दिए गए कण अंतःक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है; कण हर बार जब वे परस्पर क्रिया करते हैं तो एक विशेष आरेख का चयन नहीं करते हैं। योग का नियम सुपरपोजिशन के सिद्धांत के अनुरूप है - प्रत्येक आरेख प्रक्रिया के कुल आयाम में योगदान देता है।

विवरण

एक फेनमैन आरेख कुछ प्रारंभिक क्वांटम राज्य से कुछ अंतिम क्वांटम राज्य में क्वांटम संक्रमण के आयाम में एक परेशान योगदान का प्रतिनिधित्व करता है।

उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन के विनाश की प्रक्रिया में प्रारंभिक अवस्था एक इलेक्ट्रॉन और एक पॉज़िट्रॉन है, अंतिम अवस्था: दो फोटॉन।

प्रारंभिक अवस्था को अक्सर आरेख के बाईं ओर और अंतिम स्थिति को दाईं ओर माना जाता है (हालाँकि अन्य सम्मेलनों का भी अक्सर उपयोग किया जाता है)।

एक फेनमैन आरेख में बिंदु होते हैं, जिन्हें कोने कहा जाता है, और कोने से जुड़ी रेखाएं होती हैं।

प्रारंभिक अवस्था में कणों को प्रारंभिक अवस्था (उदाहरण के लिए, बाईं ओर) की दिशा में चिपकी हुई रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है, अंतिम अवस्था में कणों को अंतिम अवस्था की दिशा में चिपकी हुई रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है (जैसे, करने के लिए) सही)।

QED में दो प्रकार के कण होते हैं: पदार्थ कण जैसे इलेक्ट्रॉन या पॉज़िट्रॉन (जिसे फ़र्मियन कहा जाता है) और विनिमय कण ( गेज बोसॉन कहा जाता है)। उन्हें फेनमैन आरेखों में निम्नानुसार दर्शाया गया है:

1. प्रारंभिक अवस्था में इलेक्ट्रॉन को एक ठोस रेखा द्वारा दर्शाया जाता है, जिसमें एक तीर कण के स्पिन को इंगित करता है जैसे कि शीर्ष (→•) की ओर इशारा करता है।
2. अंतिम अवस्था में इलेक्ट्रॉन को एक रेखा द्वारा दर्शाया जाता है, जिसमें एक तीर कण के स्पिन को इंगित करता है जैसे शीर्ष से दूर इंगित करना: (•→)।
3. प्रारंभिक अवस्था में पॉज़िट्रॉन को एक ठोस रेखा द्वारा दर्शाया जाता है, जिसमें एक तीर कण के स्पिन को इंगित करता है जैसे शीर्ष से दूर इंगित करना: (←•)।
4. अंतिम अवस्था में पॉज़िट्रॉन को एक रेखा द्वारा दर्शाया जाता है, जिसमें एक तीर कण के स्पिन को इंगित करता है जैसे कि शीर्ष की ओर इशारा करते हुए: (•←)।
5. प्रारंभिक और अंतिम अवस्था में आभासी फोटॉन को एक लहरदार रेखा ( ~• और •~ ) द्वारा दर्शाया जाता है।

QED में एक शीर्ष में हमेशा तीन रेखाएँ जुड़ी होती हैं: एक बोसोनिक रेखा, शीर्ष की ओर तीर के साथ एक फर्मोनिक रेखा, और शीर्ष से दूर तीर के साथ एक फर्मोनिक रेखा।

कोने को बोसोनिक या फर्मोनिक प्रोपेगेटर द्वारा जोड़ा जा सकता है। एक बोसोनिक प्रोपेगेटर को दो शीर्षों (•~•) को जोड़ने वाली एक लहरदार रेखा द्वारा दर्शाया जाता है। एक फर्मोनिक प्रोपेगेटर को दो शीर्षों को जोड़ने वाली एक ठोस रेखा (एक या दूसरी दिशा में एक तीर के साथ) द्वारा दर्शाया जाता है, (•←•)।

शीर्षों की संख्या संक्रमण आयाम के क्षोभ श्रृंखला के विस्तार में पद का क्रम देती है।

इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन विनाश उदाहरण

ई ⁺ + ई ^- → 2γ

दूसरे क्रम से एक योगदान है फेनमैन आरेख आसन्न दिखाया गया है:

प्रारंभिक अवस्था में (सबसे नीचे; प्रारंभिक समय में) एक इलेक्ट्रॉन (ई ^- ) और एक पॉज़िट्रॉन (ई ⁺ ) होता है और अंतिम अवस्था में (शीर्ष पर; देर से) दो फोटॉन (γ) होते हैं।

विहित परिमाणीकरण सूत्रीकरण

प्रारंभिक अवस्था से एक क्वांटम प्रणाली के संक्रमण के लिए संभाव्यता आयाम (एसिम्प्टोटिक रूप से मुक्त राज्यों के बीच) अंतिम अवस्था में मैट्रिक्स तत्व द्वारा दिया गया है

$S_{\rm {fi}}=\langle \mathrm {f} |S|\mathrm {i} \rangle \;,$

जहां S S -मैट्रिक्स है। समय-विकास ऑपरेटर U के संदर्भ में, यह बस है

$S=\lim _{t_{2}\rightarrow +\infty }\lim _{t_{1}\rightarrow -\infty }U(t_{2},t_{1})\;.$

जहां Hवी इंटरैक्शन हैमिल्टनियन है और T ऑपरेटरों के समय-आदेशित उत्पाद को दर्शाता है। डायसन का सूत्र समय-आदेशित मैट्रिक्स घातांक को अंतःक्रियात्मक हैमिल्टनियन घनत्व की शक्तियों में एक गड़बड़ी श्रृंखला में विस्तारित करता है,

$S=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-i)^{n}}{n!}}\left(\prod _{j=1}^{n}\int d^{4}x_{j}\right){\mathcal {T}}\left\{\prod _{j=1}^{n}{\mathcal {H}}_{V}\left(x_{j}\right)\right\}\equiv \sum _{n=0}^{\infty }S^{(n)}\;.$

समान रूप से, लैग्रेंजियन Lवी की बातचीत के साथ, यह है

$S=\underset{n=0}{\overset{\mathrm{\infty <!--\; \infty \; -->}}{\sum <!--\; \sum \; -->}}\frac{i^n}{n!}$