费曼图是用来描述基本粒子间相互作用的图形化表示,由诺贝尔物理学奖得主、著名物理学家理查德费曼(Richard Feynman)提出,十分清晰直观。虽然真正的费曼图可以用来做更深奥的数学计算,但是在IB物理中,考纲要求掌握的技能是Sketching and interpreting simple Feynman diagrams,即只需要会画和理解简单的费曼图、能用费曼图解释粒子间相互作用的过程。
注:本文涉及的概念仅限于IB物理要求的内容,有些通常会在费曼图介绍中出现的知识比如“费米子”在IB物理中不做要求,故下文不会出现。
但第一个问题是,同学们在不同教材上会见到两种不同的费曼图。在Oxford的IB教材中,表示电子间通过光子传递电磁作用力(排斥力)的费曼图长这样:

Homer 2014, p300.
在Cambridge的教材中,表示同一个过程,费曼图变成了这样:

Tsokos 2014, p302.
这两张图都属于“空时图像”,横纵轴分别表示空间和时间。两种图的本质区别是:第一张图向上为时间轴、向右为空间轴;第二张图向右为时间轴、向上为空间轴。追溯历史渊源的话,费曼老人家1949年第一次发表用到费曼图的论文《正电子理论》(The Theory of Positrons)中画的是向上的时间轴,属于原始传统的画法,但是现在更多物理学家会选择向右为时间轴的画法。
那考试中的费曼图呢?一言以蔽之:两种都会考!所以要看清楚标注的轴,一般会把时间轴标出来,用箭头表示从初状态到末状态,谁先谁后一目了然。
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本文介绍了IB物理中如何理解和绘制简单的费曼图,包括两种常见的时间轴表示方式及其区别,以及费曼图的关键知识点:基本粒子表示、时间方向与反粒子、守恒定律的应用。通过实例解析了2018年和2017年的试题,帮助学生掌握费曼图的使用。
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