
English: 
 The Feynman diagrams
revolutionized particle physics
by providing a simple
system to sort out
the infinite possibilities when
elementary particles interact.
This incredible simplicity
provides some stunning insights
into the nature of reality.
[THEME MUSIC]
 Feynman's path integral shows
us that to properly calculate
the probability of a particle
traveling between two points,
we need to add up
the contributions
from all conceivable paths
between those points,
including the impossible paths.
In fact, we can go even further.
According to Feynman's
approach to quantum mechanics,
every conceivable
happening that leads
from a measured initial state
to a measured final state
does, in a sense, happen--
at least in the math.

Arabic: 
مخططات فاينمان أحدثت ثورة في فيزياء الجسيمات بتقديم نظام بسيط لفرز الإحتمالات اللانهائية
عندما تتفاعل الجسيمات الأساسية
هذه البساطة التي لا تصدق تقدم بعض الأفكار الرائعة لطبيعة الواقع
تكامل مسار فاينمان أظهر لنا أنه لنحسب وبشكل صحيح إحتمالات الجسيم الذي يسافر بين نقطتين
فعلينا أن نضيف مساهمات
كل المسارات التي يمكن أن نتصورها بين هذه النقاط
بما في ذلك المسارات الغير ممكنة, في الحقيقة يمكننا الذهاب أبعد من ذلك
وفقاً لمنهج فاينمان في ميكانيكا الكم, كل حدث يمكن تصوّره
يقودنا من حالة مقاسة إبتدائية إلى حالة مقاسة نهائية فهو بالمعنى يحدث
على الأقل في الرياضيات

English: 
To calculate the probability
of any quantum system evolving
between two states,
we need to sum over
every conceivable
intermediate state.
This is impossible, because
there are infinite possible
intermediate states.
But as we discussed
in our episode
on solving impossible
equations, the Feynman diagrams
allow physicists to
quickly figure out
which of the infinite
possibilities
need to be considered to get
an answer that's good enough.
Each diagram represents
a family of interactions
and tells us the equation
needed to calculate
the contribution of that family
to the total probability.
The miracle of
Feynman diagrams is
that an absurdly
simple set of rules
allows you to easily find all
of the important interactions.
Today, we're going
to learn these rules.
Then, you are going to apply
them to do some quantum field
theory yourself.

Arabic: 
لحساب إحتمالية أي نظام كمي يتطور بين حالتين علينا أن نضع كل حالة وسيطية يمكن تصورها
 
وهذا غير ممكن
لأنه يوجد عدد لا نهائي من الحالات الوسيطية
لكن كما ناقشنا في حلقتنا عن حل المعادلات المستحيلة, مخططات فاينمان تسمح للفيزيائيين
أن يعرفوا وبشكل سريع  من هو الإحتمال اللانهائي
الذي يجب أن يؤخذ بعين الإعتبار للحصول على جواب جيد بشكل كافي
كل مخطط يمثل عائلة من التفاعلات وهو يخبرنا بالمعادلات
اللازمة لحساب مساهمة هذه العائلة لإجمالي المساهمات
معجزة مخططات فاينمان هو أنها مجموعة بسيطة وبشكل سخيف من القواعد التي تسمح لك أن تجد كل التفاعلات المهمة بسهولة
 
اليوم سنتعلم هذه القواعد
وبعدها ستطبقها لتقوم ببعض حسابات نظرية الحقل الكمي لوحدك
والمكافأة بلوزات نص كم من قناة SpaceTime

Arabic: 
سوف نلتزم بالكهروديناميكا الكمية والتي هي أول وأكثر التنبؤات قوّة لنظرية الحقل الكمي
QED تتحدث عن تفاعلات حقل الإلكترون مع الحقل الكهرومغناطيسي
وهذا يعني التفاعل بين الإلكترونات ونظيراتها المضادة البوزيترونات والفوتونات
في مخططات فاينمان نحن نصف الإلكترون كسهم يتجه مع الوقت
بينما البوزيترون كسهم يتجه بعكس الوقت
سنرى حالاً القوّة في تمثيل المادة المضادة كمادة تتحرك بعكس الزمن
الفوتونات تظهر كخط متموج
إتجاه الوقت ليس له أية صلة بالفوتونات
ألقي هذا في قطعة من الزمكان ويصبح لدينا مخطط فاينمان
ولكن بلا فائدة, لا أحد من هذه الجسيمات يفعل أي شيء يستحق الحساب, ليكون هذا مثير للإهتمام
الحقول الكهربائية والمغناطيسية عليها أن تتفاعل, هنا نبدأ برؤية قوّة وسهولة هذا المنهج

English: 
There are "Spacetime"
t-shirts at stake.
We're going to stick to
quantum electrodynamics.
The first and most
predictively powerful
quantum field theory, QED,
talks about the interaction
of the electron field with
the electromagnetic field.
That means interactions
between electrons;
their anti-matter counterparts,
the positron; and photons.
In Feynman diagrams,
we depict the electron
as an arrow pointing
forwards in time,
while the positron is an arrow
pointing backwards in time.
We'll soon see the power
of representing anti-matter
as time-reversed matter.
The photon is shown
as a wavy line.
Time direction is
irrelevant for the photon.
Throw these on a plot
of space versus time,
and we have a Feynman diagram--
a useless one.
None of these particles
are doing anything
worth calculating.
For this to be interesting, the
electric and electromagnetic
fields need to interact.
This is where we start to
see the power and simplicity
of this approach.

English: 
Particle/field interactions
are represented
as a vertex, a point where
the lines representing
the different particles
come together.
It turns out that
there's only one
vertex that's possible in QED--
one with an arrow pointing
in, an arrow pointing out,
and a single photon connection.
It looks like this.
This vertex alone represents
six very different seeming
interactions.
And it can be used to construct
infinite Feynman diagrams.
Let's look at the possibilities.
Oriented like this with
time increasing upwards,
this vertex represents
an initial electron
that emits a
photon, after which,
both particles move off
in opposite directions.
But if we rotate this
vertex so that photon
is coming in from below, we have
a picture in which an electron
absorbs that incoming photon.
The photon vanishes as
its momentum is completely
transferred to the electron.
Rotate again, and the
picture is of a photon

Arabic: 
تفاعلات الحقول/الجسيمات تمثَّل كقمّة, نقطة حيث الخطوط تمثل جسيمات مختلفة تأتي مع بعضها
تبيّن أنه يوجد قمّة واحدة (نقطة واحدة) ممكنة في الQED
واحدة مع سهم يشير إلى الداخل وسهم يشير إلى الخارج, إتصال فوتون وحيد يبدو كهذه
هذه القمة لوحدها تمثل ستة تفاعلات تبدو مختلفة جداً, ويمكن إستخدامها لبناء
مخططات فاينمان لا نهائية, لننظر إلى الإمكانيات
إتجاه كهذا مع الوقت الذي يزداد للأعلى, هذه القمة تمثل إلكترون إبتدائي يشع فوتون
وبعد ذلك, كلا الجسيمين ينطلقان بالإتجاه المعاكس
ولكن إذا قمنا بإدارة هذه القمة
وبالتالي سيصبح هذا الفوتون قادماً من الأسفل
لدينا صورة حيث الإلكترون يمتص
الفوتون القادم, الفوتون يختفي وزخمه يتحول بشكل كامل إلى الإلكترون
أدر مرّة أخرى

Arabic: 
والصورة تصبح لفوتن يأتي ويتخلّى عن طاقته لينتج زوج إلكترون وبوزيترون
عملية تدعى الإنتاج الزوجي أو إنتاج الأزواج
أدر مرّة أخرى
والآن لدينا بوزيترون يمتص فوتون
وبوزيترون يشع فوتون
وأخيراً الكترون وبوزيترون يلغيا بعضهم البعض لإنتاج فوتون
وهذا كل شيء.
هذه هي الطرق التي يمكن أن تتفاعل بها الحقول الكهرومغناطيسية والإلكترونية
كل تفاعل كهروديناميكي مفرد يبنى من هذا التفاعل
ولكن لماذا فقط هذا التفاعل..؟حسناً بسبب قوانين الإنحفاظ
إنحفاظ الطاقة والزخم يتطلب من هذه الجسيمات ألّا تفنى أو أن تظهر من اللاشي وهذا يحفظ مبدأ أنه إذا دخل شيء
فشيء آخر يجب أن يخرج
الشحنة يجب أن تكون محفوظة دائماً, إذا دخل إلكترون أو بوزيترون فيجب أن يخرج الكترون وبوزيترون على التوالي

English: 
coming in and
giving up its energy
to produce an
electron-positron pair,
a process we call
pair production.
Rotate again, and now we
have a positron absorbing
a photon, and a positron
emitting photon, and finally,
an electron and a
positron annihilating
each other to produce a photon.
And that's it.
That's all the ways that the
electromagnetic and electron
fields can interact.
Every single QED interaction
is built from these.
But why only this interaction?
Well, because of
conservation laws--
energy and momentum
conservation requires
that particles not
just vanish or appear
from nothing, which guarantees
that if something goes in,
then something
else must come out.
Charge must also be conserved.
If one electron
positron goes in,
then one electron or positron,
respectively, must leave.

Arabic: 
إذا دخل كلاً من الإلكترون والبوزيترون عندها شحنتهم
تلغى وبالتالي فوتون بشحنة صفرية يجب أن يغادر
وهذا يشابه عندما يخلّق الفوتون الكترون بشحنة سالبة, فعليه أيضاً أن ينشأ بوزيترون بشحنة سالبة
هناك طرق أخرى أكثر تعقيداً من خلالها يمكن للجسيمات الداخلة أو الخارجة أن توازن الشحنة
ولكن وكما سنرى كل هذه الطرق يمكن بناؤها من هذه القمة (النقطة) الوحيدة
قبل أن ننظر إلى هذه التفاعلات الأكثر تعقيداً إليك قاعدة مهمة اخرى
التفاعل الكلي الموصوف بواسطة مجموعة من مخططات فاينمان
معرّف بواسطة الجسيمات التي تذهب إلى الداخل والجسيمات التي تذهب إلى الخارج
هذه هي الجسيمات التي في الحقيقة قمنا بقياسها نحن نعلم خصائصها على سبيل المثال طاقتها زخمها, وهي تطيع
معادلات أينشتاين بالكتلة والطاقة ونقول أن هذه الجسيمات على قشرة الكتلة أو فقط "على القشرة"
هم يتوضعون على بنية الغلاف الذي حصلت عليه عندما طبّقت معادلات أينشتاين للطاقة والزخم والكتلة

English: 
If an electron and
positron both go in,
then their charges cancel.
So a zero charge
photon must leave.
Similarly, if a photon creates
a negatively charged electron,
it must also create a
positively charged positron.
There are other
more complex ways
in which ingoing and outgoing
particles can balance charge,
but as we'll see, all
of these can be built up
from this one vertex.
Before we look at those
more complex interactions,
here's another important rule.
The overall
interaction described
by a set of Feynman
diagrams is defined
by the particles going in
and the particles going out.
These are the particles
that we actually measure.
We know their properties--
for example, their energy
and momentum.
And they obey Einstein's
mass-energy equation.
We say that these particles
are on the mass shell,
or just on shell.
They sit on the
shell structure you
get when you plot Einstein's
equation of energy, momentum,
and mass.
On the other hand,
everything that

Arabic: 
من ناحية أخرى كل شيء يحدث بين المسارات الداخلة والخارجة له حقيقة مشكوك فيها
كل مخطط محتمل ينتج عن الجسيمات الداخلة والخارجة هو جزء صالح
من مساحة إحتمال هذا التفاعل
الجسيمات التي لها وجود كامل
بين القمم داخل المخطط
ولكن لا تدخل أو تغادر
تسمى الجسيمات الإفتراضية توافقها مع أي شيء يشبه الجسيمات الحقيقية هو أمر قابل للنقاش
وهي أيضاً بالتعريف
غير مقاسة
وإلا ستكون واحدة من جسيماتنا الداخلة والخارجة وهذه الجسيمات لا تطيع قوانين تكافؤ الكتلة والطاقة
أي أنها "خارج القشرة"
هذه الجسيمات أيضاً لا تحدد بسرعة الضوء ولا بإتجاه الوقت
وهذا يقودنا إلى كل أنواع المتعة
لنعود إلى التفاعل البسيط الذي نظرنا إليه في حلقتنا السابقة

English: 
happens between the in
going and outgoing tracks
has questionable reality.
Each possible
diagram that results
in the same ingoing
and outgoing particles
is a valid part
of the possibility
space for that interaction.
The particles that have
their entire existence
between vertices
within the diagram
but don't enter or leave are
called virtual particles.
Their correspondence to anything
resembling real particles
is debatable.
They are also, by
definition, unmeasurable.
Otherwise, they'd be one of
our ingoing or going particles.
These particles do not obey
mass-energy equivalence.
So they are off shell.
These particles aren't even
limited by the speed of light
or the direction of time, which
leads to all sorts of fun.
Let's go back to the
simple interaction
we looked at in
our recent episode.
Electron scattering
can be depicted

Arabic: 
تشتت الإلكترون يمكن تمثيله كإلكترونين يدخلان إلى التفاعل وإلكترونين يخرجان من التفاعل
نحن نعلم زخم الإلكترونات الداخلة والخارجة
أي مزيج من القمم الثلاثة الرئيسية الذي يمكنه أن يقود إلى النتيجة النهائية يجب أن يؤخذ بعين الإعتبار
مثال بسيط هو تبادل فوتون وحيد لنقل الزخم بين الإلكترونات أو تبادل فوتونين أو أكثر
ولكن يمكن إضافة أكبر عدد ممكن من هذه القمم كما نحب
بما في ذلك الإلكترونات التي تبادل الفوتونات بنفسها في
مراحل مختلفة من العملية, أو الفوتونات تقسم لحظياً إلى أزواج بوزيترونات وإلكترونات إفتراضية
طالما أن النتيجة النهائية هي نفسها أي من هذا غير ممكن
جزء من جمال مخططات فاينمان هو أن كل واحدة من هذه المخططات بنفسه
يمثل عدد لا نهائي من التفاعلات
للبدء كل من مسارات الجسيمات هي في الواقع مسارات لا نهائية وكذلك الإحتمالات اللانهائية لزخم الجسيم
علينا أن نأخذ بعين الإعتبار أيضاً المسار الأسرع من الضوء والغير ممكن

English: 
as two electrons going
into an interaction
and then two
electrons going out.
We know the momentum of the
ingoing and outgoing electrons.
Any combination of the
fundamental three-path vertex
that can lead to this final
result has to be considered.
Simple examples are the
exchange of a single photon
to transfer momentum
between electrons,
or the exchange of
two or more photons.
But we can add as many of
these vertices as we like,
including the electrons
exchanging photons
with themselves at different
stages in the process,
or photons momentarily splitting
into virtual electron-positron
pairs.
As long as the final result
is the same, any of these
are possible.
Part of the beauty
of Feynman diagrams
is that each of these
diagrams themselves
represents an infinite number
of specific interactions.
To start with, each
of the particle paths
are actually infinite paths.
As well as infinite
possibilities
for particle momenta, we have to
consider even impossible faster

English: 
than light paths.
And this is really important.
For any particle besides
the going and outgoing
on shell particles, any energy,
speed, and even direction
in time is possible.
This last point is bizarre,
but really powerful.
For example, for two electrons
exchanging a single photon,
it doesn't matter if we draw
the photon going from the first
to the second or the
second to the first,
even though this seems like
a very different interaction.
We can think of the
differences just
being the photon traveling
forward in time in one case
and backwards in the other.
The math describing the
transfer covers both cases.
Let's look at an even
weirder example of this.
This is Compton scattering.
An incoming electron
and an incoming photon
bounce off each other.
One way that can happen
is for the electron
to emit a new photon and later
absorb the old incoming photon.
In that intermediate
stage between vertices,

Arabic: 
وهذا في الحقيقة شيء مهم, لأي جسيم بجانب جسيم القشرة الداخل والخارج
أي طاقة, سرعة وحتى إتجاه مع الوقت هو ممكن, هذه النقطة الأخيرة غريبة
ولكنها قويّة للغاية وكمثال,  لإلكترونين يتبادلان فوتون وحيد
لا يهم إذا رسمنا الفوتون قادم من الأول إلى الثاني أو إذا رسمنا الثاني قادم من الأول
على الرغم من أن هذا يبدو تفاعل مختلف تماماً
يمكننا التفكير بالإختلاف فقط بكون الفوتون يسافر مع إتجاه الوقت في الحالة الأولى
وبعكس إتجاه الوقت بالحالة الثانية, الرياضيات التي تصف الإنتقال تغطي كلا الحالتين
لننظر إلى مثال أغرب من هذا حتى..
هذا تشتت كومبتون, فوتون وإلكترون قادمين يدفعان بعضهما البعض
طريقة واحدة يمكن أن تحدث ليصدر الإلكترون فوتون جديد وليمتص الإلكترون الآخر الفوتون

Arabic: 
القديم القادم, في هذه الحالة الوسيطية بين القمم الإلكترون هو جسيم إفتراضي
وهذا يعني أننا نشمل كل المسارات الممكنة
التي قد يستغرقها, طالما أنها تؤدي إلى إنتاج نفس الإلكترون والفوتون النهائي
وهذا يتضمن مسار بعكس إتجاه الوقت
رياضياً, الكترون يتحرك بعكس إتجاه الوقت يبدو بالضبط كالبوزيترون
كهذا..
نفس الجسيم يذهب إلى الداخل والخارج ولكن الآن التفاعل يبدو مختلف جداً
بدلاً من أن يصدر الإلكترون الفوتون وبعد ذلك يقوم بإمتصاصه
لدينا من جانب فوتون قادم يولّد زوج بوزيترون وإلكترون
هذا الإلكترون الجديد يصبح إلكتروننا الخارج ولكن البوزيترون
يلغى مع الإلكترون الداخل لينتج الفوتون الخارج
هذه قد تبدو كعمليات مختلفة على نطاق واسع ولكن بالرياضيات الممثلة من قبل مخططات فاينمان هي بالضبط نفسها
تفسير التفاعلات ليس له علاقة كل ما نهتم به هو طبولوجيا المخطط

English: 
the electron is a
virtual particle,
which means we include all
possible paths it might take,
as long as they
lead to producing
the same final
electron and photon.
That includes paths
backwards in time.
Mathematically, a time-reversed
electron looks exactly like
a positron--
like this.
The same particles
go in and out,
but now, the interactions
look very different.
Instead of an electron emitting
and absorbing a photon,
we have on one side that
incoming photon creating
an electron-positron pair.
That new electron becomes
our outgoing electron.
But the positron annihilates
with the incoming electron
to produce the outgoing photon.
These may seem like wildly
different processes,
but in the math represented
by Feynman diagrams,
they're exactly the same.
The interpretation of the
interactions is irrelevant.
All we care about is the
topology of the diagram.

English: 
In other words, how
are the vertices
connected to each other?
This fact makes Feynman diagrams
an incredibly powerful tool
in simplifying quantum
field theory calculations,
vastly reducing the number
of contributing interactions
that need to be
separately solved.
Now, the interpretation
of anti-matter
as time-reversed matter is one
that some, including Richard
Feynman, took quite seriously.
We're going to delve deep
into that idea in an episode
very soon.
But for now, I want
to give you a chance
to play with Feynman
diagrams yourselves.
So I have a challenge
question for you.
When an electron and a positron
interact electromagnetically,
we call it Bhabha scattering.
It's an interesting case.
The most important Feynman
diagrams for Bhabha
scattering are the
two cases involving
a single virtual photon.
And they include
two vertices each.
Those diagrams seem to describe
very, very different events.
But they lead to
exactly the same result.

Arabic: 
بكلمات أخرى, كيف تتصل القمم مع بعضها البعض
هذه الحقيقة جعلت مخططات فاينمان أداة قويّة بشكل لا يصدق في تبسيط حسابات نظرية الحقل الكمي
تقلل بشكل كبير من عدد التفاعلات المساهمة والتي تحتاج إلى حلّها بشكل منفصل
تفسير المادة المضادة كمادة تتحرك بعكس إتجاه الوقت هي واحدة من الأشياء التي أخذها فاينمان بجدية
سنغوص بعمق في هذه الفكرة في حلقة أخرى قريباً
ولكن للآن سأعطيك فرصة لتلعب مع مخطط فاينمان بنفسك
ولذلك لدي سؤال تحدي لك
ترجمة: علي إبراهيم Ali M Ibrahem
Twitter:@96_alimibra
عندما يتفاعل بوزيترون وإلكترون كهرومغناطيسياً
نسمي هذا "تشتت Bhabha"
وهي حالة مثيرة للإهتمام, أكثر مخططات فاينمان أهمية لتشتت Bhabha هي حالتين تتضمنان فوتون إفتراضي وحيد
وتشملان قمتان
هذه المخططات تبدو أنها تصف أحداثاً مختلفة تماماً
ولكنها تعود بالضبط إلى نفس النتائج

Arabic: 
إستخدم هذه القواعد التي شرحتها في هذه الحلقة لترسم كلا القمتين لتشتت Bhabha
وصف ماذا يحدث في كل قمة من هذه القمم
بعدها أريد منك أن تحاول رسم كل المخططات الأربعة المحتملة
لا تهتم بما نسميه مخطط الطاقة الذاتية حيث الإلكترون والبوزيترون
يصدران فوتون وبعدها يعيدان إمتصاصه
أرسل رسم مخطط فاينمان الأنيق إلى إيميل Pbs بحوالي إسبوع من إطلاق هذه الحلقة
بما في ذلك العنوان والكلمات
 
 
 
 
 
 

English: 
Use the rules I
described in this episode
to draw both of the two-vertex
diagrams for Bhabha scattering,
and describe what's happening
in each of these vertices.
Then, I want you
to try to draw all
of the possible
four-vertex diagrams.
For the latter, don't
bother with what
we call the self-energy
diagrams, in which electrons
or positrons emit and
then reabsorb a photon.
Send your neatly
drawn Feynman diagrams
to pbsspacetime@gmail.com
within one week
of the release of this episode.
Include in the
subject line the words
Feynman diagram
challenge, because we
filter by subject line.
We'll randomly choose
five correct answers
to win a "Spacetime" t-shirt,
and that includes a choice
from brand new t-shirt designs.
One will be an
exclusive for challenge
winners and Patreon supporters--
introducing the mighty
Astro Chicken Von Neumann,
conqueror of the galaxy.
And available to everyone,
including challenge winners--
the heat death of
the universe is

Arabic: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

English: 
coming, a fun reminder
in t-shirt form
of the eventual cold
dark end of spacetime.
To all of our
Patreon supporters,
thanks so much for helping
us keep the lights on.
And a very special thanks to
Mayank Mehrotra for supporting
us at the quasar level.
Mayank, thanks so
much for choosing
one of the infinite improbable
paths that led you to join us.
And also, one last
call for anyone
wanting one of our special
"Spacetime" eclipse glasses--
if you sign up on Patreon
at the $5 level or above
or increase your pledge
to $5 or above in July,
we will send you a set, at least
until we run out of glasses.
For those already
signed up, we're
going to be emailing you
through your Patreon account
to get shipping details.
And don't worry.
We have glasses set aside
for everyone so far.
Last week, we talked about
the history and danger
of space militarisation.

Arabic: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

English: 
You guys had some
great comments.
Super Philip asks how you
drop one of these Project Thor
tungsten rods.
Surely, it would retain the
same orbit as its satellite.
Well, good point.
It would.
In fact, you need to give
at least a little nudge
to send it towards the ground.
But that nudge is far less
powerful than whatever
you need to launch to orbit.
Therefore, it's far
less detectable.
Lewinham asks what
the real problem
is with filling low
earth orbit with debris.
So the issue is that
stuff in low earth orbit
is moving it around 8
kilometers per second.
That means an impact with
even a tiny piece of junk
is potentially catastrophic.
As space junk builds
up, a runaway effect
is possible in which more and
more satellites are destroyed,
exponentially increasing
the amount of debris.
It's a real risk.
It even has a name--
the Kessler syndrome.
Currently, there are
a couple of thousand
operational satellites, but
several hundred thousand pieces
of space junk.

English: 
And currently,
around one satellite
is destroyed every
year by space junk.
But that could
increase dramatically
if this domino effect begins.
Myrmidon points out
what was perhaps
the greatest tragedy in the
entire sorry history of space
militarisation--
the really inexcusable failure
to nickname the Strategic
Defense Initiative not Star
Wars, but Ronald Ray-gun.

Arabic: 
 
 
 
 
