量子物理学从构成宇宙的微小粒子(如电子和光子)的层面来描述宇宙的运行。我们的大多数日常经验都来自于物质粒子之间以及与光的相互作用，这可以用量子电动力学(QED)来解释。
这个详细的理论为理查德·费曼、朱利安·施维格和辛-伊蒂罗·Tomonaga赢得了诺贝尔物理学奖。他们的许多原始思维都涉及到复杂的数学，因为需要处理大量的潜在交互作用，每一种交互作用都有不同的概率。
但费曼意识到，这些相互作用可以用简单的图表来表示——定义光和物质相互作用的模式。费曼图不仅使QED更容易理解，还提供了一个可视化的工具，使原本不可能的计算变得可行。
每个图都有一系列的线，例如，直线代表物质粒子，波状线代表光子。这些是时空中的模式，但它们代表了粒子之间的相互作用。举个简单的例子，两个电子通过电磁相互排斥，一个光子作为力载体在它们之间传递。
Feynman的图表是必要的，以反映量子粒子的奇怪行为，这不与由它们组成的物理对象的动作相似。要了解为什么图为如此重要，我们需要退回措施量子物理学看起来太奇怪了。
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QED:量子电动力学
量子物理开始与爱因斯坦的认识到，光子是真实的，很快扩大以解释原子的结构。这是非常小的科学，现实似乎并不是我们通常观察到的世界的确定性确定性，而是概率占主导地位。
量子电动力学，即费曼图第一次被使用的地方，考虑依赖于电磁的量子粒子的相互作用。在通常的用法中，' electromagnetic '听起来就像它只是关于电和磁，在某种意义上它确实是。但我们需要明白，它对我们所经历的世界中大量的日常互动负有责任。
光线是一种电磁现象。类似地，原子之间的大多数相互作用是电磁的。因此，例如，当您坐在椅子上时，它是在椅子的原子之间作用的电磁力和身体中的原子，以防止原子从椅子上滑过那些。
电磁力是宇宙四种基本力之一。其他三个是重力，坚强而又弱相互作用- 这两种力涉及原子核。我们倾向于将重力视为漂亮的压倒性，但实际上它是四个力量的最弱，比电磁弱数十亿倍。
如果你怀疑这一点，就想想冰箱磁铁。地球的整个引力牵引试图将其拉到地板上。将其固定在冰箱上的所有是来自其微小磁铁的电磁力。磁铁赢了。
在量子理论中，由于所谓的力载体 - 在吸引或排斥彼此的两个物体之间行驶的所谓的力载体 - 颗粒，力从一个地方到另一个地方。这就是为什么，例如，磁铁可以在远处吸引一块铁。也许令人惊讶的是，电磁载体是我们已经遇到的粒子 - 光子。
我们通常把光子看作是光的粒子，但每当物质粒子之间发生电磁相互作用时，粒子之间的“虚拟光子”流就会产生力的效果。在这里，“虚拟”一词显然具有误导性。听起来好像这些粒子根本不存在。然而，它真正的意思是，光子从未被观察到，因为它们从一个粒子到另一个粒子没有逃脱。
结果，几乎每个电磁相互作用 - 这意味着几乎所有不涉及重力的物质的相互作用 - 是发射光子的物质颗粒的结果，或吸收光子的物质颗粒，或两者。
Feynman图
费曼图被设计成一种既能说明这些电磁相互作用，又能探索和量化量子物理的奇异性质所提供的许多变体的方法。
在这些图上，物质粒子用直线表示，而光子用摆动的线表示。(当图表的使用扩展到简单的QED之外时，还有其他类型的线。)关于哪个轴是时间和空间，并没有明确的约定。在费曼公式中，时间通常是垂直轴，但在更方便的地方，它可以是水平轴。
图中最常见的元素是一个光子从一个地方传播到另一个地方;物质粒子(最简单的是电子)从一个地方移动到另一个地方;或者物质粒子释放或吸收一个光子。几乎所有的东西都可以由这些简单的组件构建。
但由于奇怪的量子物理学，显然简单的动作可能导致整个过多的图表。采取明显简单的两个电子移动的例子。我们知道他们在哪里开始以及他们完成的地方。
但是它们是如何从A和B变成C和D的呢?最简单的可能性是A的电子在C处结束，B的电子在D处结束。另一种可能性是A的电子在D处结束，B的电子在C处结束。
请注意，我们无法判断它发生的情况，因为我们不知道电子采取的路线，我们也不知道哪个电子是哪个。关于量子颗粒（例如电子）的最终事物之一是它们没有区别特征。他们真的相同。
这很简单，但还有其他可能性。电子，像其他量子粒子一样，可以经历一个被称为散射的过程。这通常表现为一个电子相互碰撞，就像斯诺克球台上的一对球。然而，电子是带电粒子，电磁相互作用是通过光子进行的。
另一张图显示了一个光子从一个电子到另一个电子，结果改变了电子的路径，最终到达C和d，这可以通过多种方式产生。
每个不同的可能图表都有概率附加到它。随着我们在更不可能的可能性中增加，结果变得更加越来越近在咫尺。它有趣的是Quantum物理是一种感觉，我们最准确的科学。由于Feynman曾经观察过，其预测和现实之间的差异与纽约和洛杉矶之间距离的宽度相比。
另一方面，量子物理学的预测基于概率，虽然我们可以越来越接近实际值，但它将始终是考虑每种可能图表的限制，而不是简单的结果。
虽然费曼图有时有箭头指示移动的方向，但它们通常是不必要的。例如，在上面的图表中，光子在电子之间传播。
说光子沿着它进入未来的方向运动是完全可以接受的，但在实践中，用于计算的数学方法并不关心光子在时间中是向前还是向后运动。正如图表通常不能区分方向一样，光子被描述为被粒子“交换”，而不是从一个特定的粒子到另一个。
对于这个简单的交互，我们不会一一讨论每个可能的图(事实上这是不可能的，甚至尝试它也会非常乏味)。但为了展示如何越来越复杂的加入，下一个可能是在过程中有两个光子交换，产生一对散射事件。当我们进行这样的活动时，捐款已经是万分之一了。
请注意，图表中的图表超出了视觉插图 - 它们是基于计算的机制。实际计算可以变得痛苦混乱，但图表提供了以可接近的方式将其接地。
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作者
布莱恩是科普书籍的作者，有实验物理学的背景。他写的主题从无穷到如何建造时间机器。他还为许多杂志和报纸定期撰写专栏、特写和评论，并在伦敦皇家学会、牛津大学和剑桥大学以及切尔滕纳姆科学节上发表演讲。
