Conceito de campo em física

Imagem aproximada de um campo

Um conceito abstrato difícil de representar

A noção de campo em física é abstrata e não pode ser representada por uma imagem. No entanto, pode-se formar uma ideia superficial do conceito de campo. Um campo é uma porção de espaço delimitada preenchida com grandezas físicas mensuráveis que podem variar no tempo.

Campos escalares e campos vetoriais

Exemplo: numa sala, em cada ponto do espaço e em cada instante, é possível medir grandezas físicas que caracterizam o estado da sala, tais como a temperatura, a pressão, a densidade, etc. A sala está, portanto, preenchida com um campo de temperaturas, um campo de pressão, um campo de densidade, etc. Estes campos dizem-se escalares porque cada ponto é representado por um número real ou complexo.

Em cada local da sala e em cada instante, há também um movimento das moléculas de ar que pode ser medido por dois valores, uma direção e uma velocidade. Este campo de velocidades diz-se vetorial porque cada local é representado por uma grandeza que possui uma direção e uma magnitude. Esta grandeza é um vetor (uma seta). O comprimento da seta representa a magnitude do vetor, no nosso caso, a velocidade. A ponta da seta representa a direção do vetor.

Exemplos de campos escalares e vetoriais

A tabela abaixo reúne alguns exemplos de campos escalares e de campos vetoriais observáveis numa sala.

Representar um campo: linhas de campo e gradiente

As linhas de campo

Para visualizar um campo vetorial, os físicos traçam linhas de campo: curvas tangentes em cada ponto ao vetor do campo. Em torno de um íman, a limalha de ferro alinha-se ao longo das linhas do campo magnético, tornando visível uma estrutura normalmente invisível. Em torno de uma carga elétrica isolada, as linhas de campo elétrico irradiam radialmente, mais densas onde o campo é intenso.

O gradiente de um campo escalar

Um campo escalar é antes representado por superfícies (ou linhas) equipotenciais, que ligam os pontos de igual valor, um pouco como as curvas de nível de um mapa topográfico. O gradiente deste campo indica, em cada ponto, a direção na qual a grandeza cresce mais rapidamente: é assim que um campo escalar, como a temperatura ou o potencial elétrico, engendra um campo vetorial associado.

O campo na física clássica

A analogia do lago em repouso

Se se desejar representar um campo por uma imagem aproximada, o mais simples é imaginar uma extensão líquida, um lago por exemplo. Em cada local e em cada instante, há um movimento das moléculas de água que pode ser medido por um valor vetorial.

Quando o lago está no seu estado de equilíbrio, isto é, no seu estado de mais baixa energia que se pode chamar o estado fundamental, nada acontece, é a calma total. Cada vetor v = [x, y] tem uma componente nula, ou seja, v = [0, 0]. O campo de velocidades das moléculas de água está imóvel, vazio, plano e invisível num espaço bidimensional.

O aparecimento do campo sob o efeito do vento

Se o vento se levantar, uma energia será trazida ao lago, as moléculas de água agitar-se-ão e formar-se-ão pequenas ondas discerníveis. Cada velocidade de molécula de água tornar-se-á mensurável por um vetor não nulo. Cada vetor representará uma fonte de energia que gera uma influência sobre o espaço circundante.

Enquanto o campo estava vazio, plano e invisível, ele manifestar-se-á e aparecerá em três dimensões. Um campo físico é então criado. Por outras palavras, o campo físico pode ser considerado como uma manifestação da presença de uma fonte de energia. O campo não representa diretamente a fonte, mas permite descrever, no nosso caso, como as propriedades físicas do lago variam em cada ponto do espaço.

O campo na física quântica

O campo eletromagnético

Os campos na física quântica são mais complicados de imaginar. O campo eletromagnético é criado por cargas elétricas em movimento, tais como os eletrões, que são uma fonte de energia. Neste caso, o campo ele próprio representa a distribuição dos campos elétrico e magnético no espaço. O campo eletromagnético é uma combinação dos campos elétrico e magnético que se propaga no espaço sob a forma de ondas eletromagnéticas.

O campo espinorial dos eletrões

O campo quântico dos eletrões é espinorial: em cada local e em cada instante, pode-se medir o comportamento do spin do eletrão por uma função de onda espinorial. É uma função matemática complexa que caracteriza o estado quântico do eletrão em função da sua posição, do tempo e do seu spin. Os movimentos quânticos do eletrão, tais como o seu spin, criam também campos magnéticos. O spin é uma propriedade intrínseca das partículas que está ligada ao seu momento magnético.

Tabela dos campos quânticos

A tabela abaixo resume os principais campos quânticos e as suas características essenciais.

O vazio quântico e as suas flutuações

Sobreposição dos campos fundamentais

O campo quântico dos eletrões, dos fotões, dos protões e de todas as partículas elementares é um conceito teórico importante para compreender as propriedades quânticas dos sistemas em que todos os campos fundamentais das partículas se sobrepõem.

O vazio quântico e as flutuações

Quando todos estes campos estão no seu estado fundamental, de mais baixa energia, está-se no vazio quântico, um mar calmo preenchido com todas as partículas sem energia e indetetáveis. No entanto, o vazio quântico não é um "nada absoluto", pois flutua permanentemente e dá origem a pares de partículas efémeras chamadas "pares de partículas virtuais".

Embora estas partículas virtuais existam apenas por um instante, os seus efeitos não são por isso negligenciáveis: estão na origem de fenómenos medidos experimentalmente, como o efeito Casimir (uma força de atração entre duas placas metálicas muito próximas, devida às flutuações do vazio entre elas) ou o deslocamento de Lamb, um ínfimo deslocamento dos níveis de energia do átomo de hidrogénio.

O aparecimento de partículas a partir do vazio

Estas flutuações do vazio podem ser interpretadas como um campo quântico que existe mesmo na ausência de partículas reais. Bastará trazer uma fonte de energia a este campo quântico para que surja uma pequena onda do vazio, uma partícula.

Medir o campo gravitacional com átomos frios

O projeto QGGPf da NASA

O conceito de campo não é apenas uma abstração teórica: guia também a conceção de instrumentos de medida. O Jet Propulsion Laboratory (JPL) da NASA desenvolve assim o Quantum Gravity Gradiometer Pathfinder (QGGPf), um primeiro sensor quântico espacial destinado a cartografar o campo gravitacional terrestre.

Átomos frios como massas testemunhas

O instrumento utiliza duas nuvens de átomos de rubídio arrefecidos perto do zero absoluto: a esta temperatura, o seu comportamento torna-se ondulatório, o que permite medir por interferência quântica uma ínfima diferença de aceleração entre as duas nuvens. Esta diferença traduz as variações locais do campo gravitacional, ligadas à repartição das massas sob a superfície terrestre (aquíferos, reservas minerais, etc.). O lançamento desta missão, realizada com vários parceiros industriais e académicos, está previsto para cerca de 2030.