Teoría cuántica de campos

Cuando queremos hablar de la materia y su comportamiento en el mundo de lo infinitamente pequeño, el de las partículas, nos acercamos a la teoría cuántica de campos.
La teoría cuántica de campos proporciona una comprensión de la física de partículas. En algunas situaciones, el número de partículas que ingresan a una porción del espacio-tiempo fluctúa y difiere del número que sale.
El número de partículas cambia cuando, por ejemplo, un átomo en un estado inicial da un átomo más 1 fotón en un estado final. En otras palabras, un fotón salió repentinamente del vacío y apareció en el campo electromagnético.
La teoría cuántica nos dice que en el mundo real todo es "campo".
Nos bañamos enteramente hasta lo más profundo de nosotros mismos en múltiples y diversos campos con características asombrosas.
El campo es un concepto fundamental en la física, no consta de nada más, es él mismo el que constituye el mundo real. Los campos transportan la energía de todo en el universo, desde los átomos hasta las grandes estructuras galácticas.
El magnetismo, la gravitación, la fuerza nuclear, la luz, la materia y muchos otros fenómenos físicos son transportados por campos.
Lo más sorprendente es que la materia misma, aquella de la que estamos hechos, esté formada por un conjunto de campos. Los electrones y los protones también son campos, por lo que estamos hechos de campos más allá de la intuición. En otras palabras, estamos hechos de un agregado fantasmal de partículas cuánticas bañadas en campos. Estos campos transportan la energía de las partículas por todo el espacio disponible a su alrededor.

Con la noción de campo, la visión de la naturaleza de las cosas es abrumadora, la realidad se torna extraña y escapa a nuestros 5 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 campos cuánticos de baja energía.
En el mundo cuántico, todas las partículas del modelo estándar, fermiones y bosones, emergen de las vibraciones en un campo. Este es también 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 forman la materia ordinaria, pero la materia por encima del cero absoluto (-273,15 °C) emite radiación, es decir, luz que se mueve en un campo.
Cada tipo de fermión y cada tipo de bosón tiene su propio campo. Las partículas se consideran como 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 los conceptos, pero conceptualizar lo cuántico y todos los campos cuánticos en los que existimos no es fácil. Todo es un "campo" y los campos cuánticos que son sistemas dinámicos burbujeantes y cargados son todos subconjuntos del campo gravitatorio o del campo electromagnético, los dos únicos campos fundamentales en la naturaleza.

En física, un campo son tres cosas relacionadas en un sistema con una gran cantidad de objetos.
Una porción de espacio delimitada, una cantidad física medible y una relación que vincula la porción de espacio con la cantidad física.
En otras palabras, un campo está lleno de cantidades físicas, objetos medibles que pueden cuantificarse usando un instrumento donde cada punto en la porción del espacio está ligada a la cantidad física por una correspondencia o una función.
Por ejemplo (ver imagen) la presión atmosférica, la temperatura del aire, la velocidad del viento pero también la lluvia, el magnetismo, la gravedad, la radioactividad, pueden ser representados por campos.
Los campos son escalares o vectoriales.
Un campo escalar es medible por una cantidad simple, por ejemplo, la temperatura o la masa definida por una cantidad física medible en su totalidad por un solo valor.
Un campo vectorial está asociado a una cantidad vectorial, es decir, una cantidad para la que un solo valor no es suficiente. También requiere 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 (1ª y 3ª miniatura).
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 de los vientos o en un campo magnético (2ª y 4ª miniatura).
El campo de energía se desvanece en el espacio. Esta es la razón por la que, aparte del campo electromagnético generado por una estación de radiodifusión, ya no captamos nada. Cuando un campo electromagnético se interrumpe repentinamente, se produce una chispa (el campo sí contiene energía).
¿Y el campo cuántico?
En física cuántica, no usamos la noción de corpúsculo ya que las partículas cuánticas no son corpúsculos sino cantidades matemáticas representadas por vectores de estado en el espacio de Hilbert. Este concepto escapa a la intuición ya nuestra visión.

El campo cuántico llena todo el espacio. Es un campo vectorial de partículas subatómicas, cuya magnitud está cuantificada (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 otorga a cualquier partícula las propiedades de interferencia típicas de una onda.
En el mundo cuántico todas las partículas en estado fundamental (no excitadas) son ondas.
Un campo de hadrones son partículas virtuales, partones (gluones y quarks) que se mueven, aparecen y desaparecen en el 'espacio vacío .
Un campo transportado por la fuerza nuclear débil está atravesado por bosones W y Z.
Un campo electromagnético es atravesado por fotones. Un campo gravitacional es atravesado por "gravitones" (aún no descubiertos) porque la gravitación es una fuerza muy débil.
Así, las partículas virtuales y reales de materia se bañan en estos campos burbujeantes transfiriendo su energía de vez en cuando. Esto es lo que hacen los científicos en un colisionador. En un colisionador, cuando un electrón y un positrón se encuentran, se aniquilan y transfieren su energía al vacío enjambre. Esta energía crea partículas materiales reales que salen del vacío y aparecen por unos "momentos" en las pantallas de las computadoras.
Un campo es por tanto un sistema burbujeante, una ondulación, una vibración, una oscilación, una onda que tiene una longitud de onda y por tanto una frecuencia. Gracias a la fórmula e=hν según 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, 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 la aniquilación de partículas.