Última actualización 23 de julio de 2024

Teoría Cuántica de Campos: Todo es Campo

Descripción de la imagen: Esta representación de la función de onda molecular muestra el límite de los átomos en una molécula. ¿Dónde comienza y dónde termina un átomo? Un 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 podrían parecerse a esta imagen informática. Cuando los átomos se enlazan, sus campos se deforman, y esta deformación caracteriza los enlaces. Las partículas de la teoría cuántica no son "pequeñas esferas", sino ondulaciones, campos que poseen una longitud de onda. Esta longitud de onda representa el tamaño de la partícula, y el campo, su energía. Crédito de la imagen: T.A. Keith.

Los Campos de la Realidad

Introducción a la Teoría Cuántica de Campos

Cuando queremos hablar de la materia y su comportamiento en el mundo de lo infinitamente pequeño, el de las partículas, abordamos la teoría cuántica de campos. La teoría cuántica de campos permite comprender la física de las 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 da lugar a un átomo más 1 fotón en un estado final. En otras palabras, un fotón sale repentinamente del vacío y aparece en el campo electromagnético. La teoría cuántica nos dice que en el mundo real, todo es "campo".

Los Campos, Soporte de la Energía del Universo

Estamos completamente inmersos, hasta lo más profundo de nuestro ser, en múltiples campos con características sorprendentes. El campo es un concepto fundamental en física; no está compuesto de nada más, es él mismo el que constituye el mundo real. Los campos transportan 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 transportados por campos. Lo más sorprendente es que la materia misma, de la que estamos hechos, está compuesta por un conjunto de campos. Los electrones y los protones también son campos; así, estamos hechos de campos que escapan a la intuición.
En otras palabras, estamos hechos de un agregado de partículas cuánticas fantasmales que bañan en campos. Estos campos transportan la energía de las partículas en todo el espacio disponible a su alrededor.

Interacciones y Partículas en los Campos

Con la noción de campo, la visión de la naturaleza de las cosas es revolucionaria; 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 e interacciones entre objetos reales y 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, de hecho, el concepto básico del funcionamiento de los aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Cuando los científicos quieren observar una partícula, provocan colisiones cuya energía corresponde a la partícula en cuestión.
Los quarks y los electrones constituyen la materia ordinaria, pero 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-Corpúsculo y la Intuición

La "dualidad onda-corpúsculo" de la luz se extendió 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 imágenes de nuestro mundo para alimentar su intuición y representar conceptos.
Pero conceptualizar la cuántica y el conjunto de los campos cuánticos en los que existimos no es fácil. Todo es "campo", pero los campos cuánticos, que son sistemas dinámicos y cargados, son todos subconjuntos del campo gravitacional o del campo electromagnético, los dos únicos campos fundamentales de la naturaleza.

Descripción de la imagen: Un campo no es representable por una imagen, pero puede ser cartografiado.

¿Qué es un Campo?

Definición General

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 a la magnitud física. En otras palabras, un campo está lleno de magnitudes físicas, de objetos medibles y cuantificables con un instrumento, donde cada punto del 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, la lluvia, el magnetismo, la gravedad y la radiactividad pueden representarse mediante campos.

Campos Escalares y Vectoriales

Los campos son escalares o vectoriales.
Un campo escalar es medible por una simple magnitud. Por ejemplo, la temperatura o la masa se definen por una magnitud física medible enteramente 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.

Representación y Energía de los Campos

¿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 1ª y 3ª imágenes).
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 dirección de los vientos o en un campo magnético (ver 2ª y 4ª imágenes).
La energía del campo se desvanece en el espacio. Es por eso que, fuera del campo electromagnético generado por una estación de radiodifusión, ya no captamos nada. Cuando se interrumpe bruscamente un campo electromagnético, se produce una chispa (el campo contiene efectivamente energía).

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 cuantizada (tomada de 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 estado fundamental (no excitado) son ondas.
Un campo de hadrones está compuesto por partículas virtuales, partones (gluones y quarks) que se agitan, apareciendo y desapareciendo en el espacio vacío.
Un campo transportado por la fuerza nuclear débil está recorrido por bosones W y Z.
Un campo electromagnético está recorrido por fotones.
Un campo gravitacional está recorrido por "gravitones" (aún no descubiertos), ya que la gravedad es una fuerza muy débil.
Así, las partículas virtuales y reales de materia bañan en estos campos burbujeantes, transfiriendo energía de vez en cuando. 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 durante algunos "instantes" en las pantallas de los ordenadores.

Energía y Frecuencia de un Campo

Un campo es, por tanto, 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 energía (e es la energía de algo que se mueve, h es la constante de Planck y ν (nu) es 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.