大家都能看懂的量子电动力学和费曼图（第1部分）

当两个电子彼此靠近时，它们会相互排斥，这种现象解释了为什么我们可以坐在椅子上。事实上，除了原子尺度的引力和放射性之外，宇宙中几乎所有现象都可以用电子的行为来解释。因此，人们倾向于用一种基本力来描述电子之间的这种排斥力：电磁力。

然而，电子并不是遵循经典力学的弹珠，而是量子粒子。为了描述电子之间的相互作用，有必要协调电磁学和量子力学。为此，在20世纪中叶，量子电动力学模型被开发出来。量子电动力学是量子场论的一个分支，这是一个非常优雅的模型，可以使用简单的图表以最惊人的精度计算量子物理学中最基本的现象。

我们认为宇宙是一个像盒子一样的时空，其中包含两个由数学对象组成的流体场：电子场和电磁场。在这些领域中，粒子是移动的小能量包，可以出现或消失。例如，电子是在电子场内像波一样传播的扰动。电磁场还包含扰动量子能量，可以导致光子出现或消失。

电子场和电磁场的性质不同，构成它们的数学对象也不是同一类型。电子场由旋量组成，旋量是用复数描述的抽象对象。为了简化，我们可以将复数视为具有大小和颜色的相位。当电子穿过场时，复数的相位随时间旋转，这就是电荷。

电子携带的电荷记录了它们在进入未来时相位发生变化的事实。除了电子之外，该场还可能包含使相位向另一个方向移动的扰动。在某种程度上，我们可以说这是一个电子，但它正在朝着过去的方向移动。从我们的角度来看，该粒子的相位似乎在相反方向旋转，我们感受到相反的电荷，称为正电子。另一方面，光子场是由实数表示的矢量组成的，实数只是没有相位的普通数，因此光子不带电荷。

为了理解电子如何相互作用，我们将两个电子放置在量子场的开头。为了粗略地表示宇宙的内容，可以方便地用线条来象征粒子的运动。带有指向未来的箭头的线代表电子，如果箭头指向相反的方向，则代表正电子。另一方面，我们使用波浪线来表示光子。

为了描述粒子的演化，量子电动力学允许我们的两个场通过相互作用顶点相互作用。相互作用顶点由一个光子和两个电子型粒子组成。两个电子型粒子可以是电子或正电子，具体取决于时间箭头的方向。

这样的顶点可以象征电子发射光子，或电子吸收光子，或正电子发射光子或吸收光子，甚至可以象征电子和正电子湮灭成光子，或将光子转换成光子。电子正电子。。

所有这些相互作用都是允许的，前提是粒子在空间和时间上的总动量在相互作用之前和之后对于每个顶点保持恒定，并且电荷也必须守恒。每次交互必须有一个箭头进入顶点，另一个箭头离开顶点。通过让两个电子与这些顶点相互作用，我们可以想象各种不同的场景。

在最简单的情况下，两个电子继续沿直线移动。在另一个更有趣的场景中，两个电子交换一个光子，光子充当信使，将第一个电子的部分动量传递给第二个电子。值得注意的是，粒子的行为就像波一样，即使它们的动量指向不同的方向，它们也可以沿着一个方向交换。在某些情况下，交换使两个电子靠得更近，而在其他情况下，交换使它们远离。

然后我们可以想象具有许多交互点的更复杂的场景。电子可以在不同的时间和地点交换多个光子。有时，光子会转变为电子沉积对，然后再次湮灭形成光子，我们称之为循环。电子还可以发射和重新吸收光子，只要整体动量和电荷保持恒定，所有可以想象的情况或多或少都是可能的。

如果我们在一段时间后停止场的演化并查看每种情况的结果，我们有时会发现两个电子，有时会发现更多粒子。从初始状态到最终状态的每个过程称为费曼图。