Última actualización el 23 de julio de 2024

Teoría cuántica de campos

Descripción de la imagen: esta representación de la función de onda molecular muestra la frontera de los átomos en una molécula. ¿Dónde empieza y dónde termina un átomo? El átomo es un campo y son las líneas de campo las que definen su volumen. Nadie ha visto nunca los campos de la física cuántica, pero podría parecerse a esta imagen informática. Cuando los átomos se unen, sus campos se deforman; esta deformación caracteriza los enlaces. Las partículas en la teoría cuántica no son "pequeñas bolas", sino ondulaciones, campos que poseen una longitud de onda. Esta longitud de onda representa el tamaño de la partícula, y el campo, la energía de la partícula. Crédito de la imagen: T.A. Keith.

Los campos de la realidad

Cuando se quiere hablar de la materia y su comportamiento en el mundo de lo infinitamente pequeño, el de las partículas, se aborda la teoría cuántica de campos. La teoría cuántica de campos permite entender la física de partículas. En ciertas situaciones, el número de partículas que entra en una porción de espacio-tiempo fluctúa y difiere del número que sale.
El número de partículas cambia cuando, por ejemplo, un átomo en un estado inicial produce un átomo más un fotón en un estado final. En otras palabras, un fotón surge repentinamente del vacío y aparece en el campo electromagnético. La teoría cuántica nos dice que en el mundo real, todo es "campo".
Estamos completamente inmersos, hasta lo más profundo de nosotros mismos, en múltiples campos con características asombrosas. El campo es un concepto fundamental en física; no está constituido por nada más, sino que constituye el mundo real. Los campos llevan la energía de todo lo que existe en el universo, desde los átomos hasta las grandes estructuras galácticas.
El magnetismo, la gravedad, la fuerza nuclear, la luz, la materia y muchos otros fenómenos físicos son llevados por campos. Lo más sorprendente es que la propia materia, de la que estamos hechos, está constituida por un conjunto de campos. Los electrones y los protones también son campos, por lo que estamos constituidos por campos que escapan a la intuición.
En otras palabras, estamos hechos de un agregado de partículas cuánticas fantasmales que se bañan en campos. Estos campos llevan la energía de las partículas en todo el espacio disponible a su alrededor.

Con la noción de campo, la visión de la naturaleza de las cosas es asombrosa; la realidad se vuelve extraña y escapa a nuestros cinco sentidos principales. La realidad no se explica simplemente por la presencia de materia, sino también por los intercambios y las interacciones entre los objetos reales y los objetos virtuales de los campos cuánticos de baja energía.
En el mundo cuántico, todas las partículas del modelo estándar, los fermiones y los bosones, emergen de vibraciones en un campo. Este es el concepto básico del funcionamiento de los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Cuando los científicos quieren ver una partícula, provocan colisiones cuya energía corresponde a la partícula en cuestión.
Los quarks y los electrones constituyen la materia ordinaria, mientras que la materia por encima del cero absoluto (-273,15 °C) emite radiación, es decir, luz que se desplaza en un campo. Cada tipo de fermión y cada tipo de bosón tiene su propio campo. Las partículas se consideran estados excitados de estos campos.
La "dualidad onda-partícula" de la luz fue extendida a los electrones en 1929 por el matemático y físico francés Louis de Broglie (1892-1987), y luego a todas las partículas. Sin embargo, nuestra mente necesita una imagen de nuestro mundo para alimentar su intuición y representar conceptos.
Pero conceptualizar la teoría cuántica y todos los campos cuánticos en los que existimos no es fácil. Todo es "campo", sin embargo, los campos cuánticos, que son sistemas dinámicos burbujeantes y cargados, son todos subconjuntos del campo gravitacional o del campo electromagnético, los únicos dos campos fundamentales de la naturaleza.

Descripción de la imagen: Un campo no puede ser representado por una imagen, sin embargo, puede ser cartografiado.

¿Qué es un campo?

En física, un campo es tres cosas vinculadas en un sistema con un gran número de objetos. Una porción de espacio delimitada, una magnitud física medible y una relación que vincula la porción de espacio con la magnitud física. En otras palabras, un campo está lleno de magnitudes físicas, objetos medibles cuantificables con un instrumento, donde cada punto de la porción de espacio está vinculado a la magnitud física por una correspondencia o función. Por ejemplo, la presión atmosférica, la temperatura del aire, la velocidad del viento, pero también la lluvia, el magnetismo, la gravedad, la radiactividad, pueden ser representados por campos.

Los campos son escalares o vectoriales.
Un campo escalar es medible por una sola magnitud. Por ejemplo, la temperatura o la masa se definen por una magnitud física, medible completamente por un solo valor.
Un campo vectorial está asociado a una magnitud vectorial, es decir, una magnitud para la cual un solo valor no es suficiente. También se necesita una orientación, es decir, una dirección y un sentido, como en un campo de velocidad del viento.

¿Cómo representar un campo?
Para un campo escalar, basta con representar los espacios donde el valor es idéntico, como en un campo de temperaturas o presiones (ver primera y tercera miniaturas).
Para un campo vectorial, basta con representar las líneas de campo donde cada punto es un vector de campo tangente, como en el campo de la dirección del viento o en un campo magnético (ver segunda y cuarta miniaturas).
La energía del campo se desvanece en el espacio. Esta es la razón por la cual, fuera del campo electromagnético generado por una estación de radiodifusión, no se capta nada en absoluto. Cuando se interrumpe bruscamente un campo electromagnético, se produce una chispa (el campo contiene realmente una energía).

¿Y el campo cuántico?
En física cuántica, no se utiliza la noción de corpúsculo ya que las partículas cuánticas no son corpúsculos sino magnitudes matemáticas representadas por vectores de estado en el espacio de Hilbert. Este concepto escapa a la intuición y a nuestra visión.

El campo cuántico llena todo el espacio. Es un campo vectorial de partículas subatómicas, cuya magnitud está cuantificada (tomada en un conjunto finito de valores) y la relación es una función de onda (vector de estado). Esto permite conocer toda la información del sistema y da a cada partícula las propiedades de interferencia típicas de una onda.
En el mundo cuántico, todas las partículas en el estado fundamental (no excitado) son ondas.
Un campo de hadrones consiste en partículas virtuales, partones (gluones y quarks) que se agitan, apareciendo y desapareciendo en el espacio vacío.
Un campo llevado por la fuerza nuclear débil es recorrido por bosones W y Z.
Un campo electromagnético es recorrido por fotones.
Un campo gravitacional es recorrido por "gravitones" (aún no descubiertos) ya que la gravitación es una fuerza muy débil.
Así, las partículas virtuales y reales de la materia se bañan en estos campos burbujeantes, transfiriendo de vez en cuando su energía. Esto es lo que los científicos provocan en un colisionador. En un colisionador, cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan y transfieren su energía al bullicio del vacío. Esta energía crea partículas materiales reales que emergen del vacío y aparecen por unos "momentos" en las pantallas de las computadoras.

Un campo es así un sistema burbujeante que ocupa todo el espacio, una ondulación, una vibración, una oscilación, una onda que posee una longitud de onda y, por lo tanto, una frecuencia.
Gracias a la fórmula e=hν de Max Planck (1858-1947), un campo también tiene una energía (e es la energía de algo que se mueve, h es la constante de Planck y ν, la letra griega nu, la frecuencia). Este par de valores, energía y frecuencia, caracteriza el campo en cada punto del espacio. Cada punto del espacio permite la emergencia o aniquilación de partículas.

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