Teoria quântica de campos

Quando queremos falar sobre a matéria e seu comportamento no mundo do infinitamente pequeno, o das partículas, nos aproximamos da teoria quântica de campos.
A teoria quântica de campos fornece uma compreensão da física de partículas. Em algumas situações, o número de partículas que entram em uma porção do espaço-tempo flutua e difere do número que sai.
O número de partículas muda quando, por exemplo, um átomo em um estado inicial dá um átomo mais 1 fóton em um estado final. Em outras palavras, um fóton de repente saiu do vácuo e apareceu no campo eletromagnético.
A teoria quântica nos diz que no mundo real tudo é "campo".
Nós nos banhamos inteiramente até o fundo de nós mesmos em campos múltiplos e diversos com características surpreendentes.
O campo é um conceito fundamental da física, não consiste em mais nada, é ele mesmo que constitui o mundo real. Os campos carregam a energia de tudo no universo, desde átomos até grandes estruturas galácticas.
Magnetismo, gravitação, força nuclear, luz, matéria e muitos outros fenômenos físicos são carregados por campos.
O mais surpreendente é que a própria matéria, aquela de que somos feitos, é constituída por um conjunto de campos. Elétrons e prótons também são campos, então somos formados por campos além da intuição. Em outras palavras, somos feitos de um agregado fantasmagórico de partículas quânticas banhadas em campos. Esses campos carregam a energia das partículas por todo o espaço disponível ao seu redor.

Com a noção de campo, a visão da natureza das coisas é avassaladora, a realidade torna-se estranha e escapa aos nossos 5 sentidos principais. A realidade não é explicada simplesmente pela presença da matéria, mas também pelas trocas e interações entre objetos reais e objetos virtuais de campos quânticos de baixa energia.
No mundo quântico, todas as partículas do Modelo Padrão, férmions e bósons, emergem de vibrações em um campo. Este também é o conceito básico da operação de aceleradores de partículas como o Large Hadron Collider (LHC).
Quando os cientistas querem ver uma partícula, eles provocam colisões cuja energia corresponde à partícula em questão.
Quarks e elétrons constituem a matéria comum, mas a matéria acima do zero absoluto (-273,15°C) emite radiação, ou seja, luz se movendo em um campo.
Cada tipo de férmion e cada tipo de bóson tem seu próprio campo. As partículas são consideradas como estados excitados desses campos. A dualidade onda-partícula da luz foi estendida aos elétrons em 1929 pelo matemático e físico francês Louis de Broglie (1892 − 1987) e depois a todas as partículas.
No entanto, nossa mente precisa de uma imagem do nosso mundo para alimentar sua intuição e representar os conceitos, mas conceituar quantum e todos os campos quânticos em que existimos não é fácil. Tudo é um "campo" e os campos quânticos que são sistemas dinâmicos borbulhantes e carregados são todos subconjuntos do campo gravitacional ou do campo eletromagnético, os dois únicos campos fundamentais da natureza.

Na física, um campo são três coisas relacionadas em um sistema com um grande número de objetos.
Uma parte delimitada do espaço, uma quantidade física mensurável e uma relação que liga a porção do espaço à quantidade física.
Em outras palavras, um campo é preenchido com quantidades físicas, objetos mensuráveis ​​que podem ser quantificados por meio de um instrumento onde cada ponto da porção do espaço está ligada à quantidade física por uma correspondência ou uma função.
Por exemplo (ver imagem) pressão atmosférica, temperatura do ar, velocidade do vento, mas também chuva, magnetismo, gravidade, radioatividade, podem ser representados por campos.
Os campos são escalares ou vetoriais.
Um campo escalar é mensurável por uma quantidade simples, por exemplo, a temperatura ou a massa definida por uma quantidade física mensurável inteiramente por um único valor.
Um campo vetorial está associado a uma quantidade vetorial, ou seja, uma quantidade para a qual um único valor não é suficiente. Requer também uma orientação, ou seja, uma direção e um sentido como em um campo de velocidade do vento.
Como representar um campo?
Para um campo escalar basta representar os espaços onde o valor é idêntico como num campo de temperaturas ou pressões (1ª e 3ª miniatura).
Para um campo vetorial, basta representar as linhas de campo onde cada ponto é um vetor de campo tangente, como no campo da direção dos ventos ou em um campo magnético (2ª e 4ª miniaturas).
A energia do campo desaparece no espaço. Esta é a razão pela qual, além do campo eletromagnético gerado por uma estação de transmissão, não captamos mais nada. Quando um campo eletromagnético é subitamente interrompido, uma faísca é produzida (o campo realmente contém energia).
E o campo quântico?
Na física quântica, não usamos a noção de corpúsculo, pois as partículas quânticas não são corpúsculos, mas quantidades matemáticas representadas por vetores de estado no espaço de Hilbert. Este conceito foge à intuição e à nossa visão.

O campo quântico preenche todo o espaço. É um campo vetorial de partículas subatômicas, cuja magnitude é quantizada (tirada de um conjunto finito de valores) e a relação é uma função de onda (vetor de estado). Isso permite conhecer todas as informações do sistema e dá a qualquer partícula as propriedades de interferência típicas de uma onda.
No mundo quântico todas as partículas no estado fundamental (não excitadas) são ondas.
Um campo de hadrons são partículas virtuais, partons (glúons e quarks) que se movem, aparecendo e desaparecendo no 'espaço vazio .
Um campo carregado pela força nuclear fraca é atravessado por bósons W e Z.
Um campo eletromagnético é atravessado por fótons. Um campo gravitacional é percorrido por "grávitons" (ainda não descobertos) porque a gravitação é uma força muito fraca.
Assim, as partículas virtuais e reais da matéria se banham nesses campos borbulhantes transferindo sua energia de tempos em tempos. Isso é o que os cientistas fazem em um colisor. Em um colisor, quando um elétron e um pósitron se encontram, eles se aniquilam e transferem sua energia para o vácuo enxameante. Essa energia cria partículas materiais reais que saem do vácuo e aparecem por alguns "momentos" nas telas dos computadores.
Um campo é, portanto, um sistema borbulhante, uma ondulação, uma vibração, uma oscilação, uma onda que tem um comprimento de onda e, portanto, uma frequência. Graças à fórmula e=hν de Max Planck (1858 − 1947), um campo também tem uma energia (e é a energia de algo que se move, h é a constante de Planck e ν, a letra grega nu, frequência). Este par de valores, energia e frequência, caracteriza o campo em cada ponto do espaço. Cada ponto do espaço permite o surgimento ou a aniquilação de partículas.