Última atualização 23 de julho de 2024

Teoria Quântica de Campos: Tudo é Campo

Os Campos da Realidade

Introdução à Teoria Quântica de Campos

Quando queremos falar sobre a matéria e seu comportamento no mundo do infinitamente pequeno, o das partículas, abordamos a teoria quântica de campos. A teoria quântica de campos permite compreender a física das partículas. Em certas situações, o número de partículas que entra 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 produz um átomo mais 1 fóton em um estado final. Em outras palavras, um fóton sai repentinamente do vácuo e aparece no campo eletromagnético. A teoria quântica nos diz que, no mundo real, tudo é "campo".

Os Campos, Suporte da Energia do Universo

Estamos completamente imersos, até o mais profundo de nosso ser, em múltiplos campos com características surpreendentes. O campo é um conceito fundamental na física; não é constituído de nada além de si mesmo, é ele que constitui o mundo real. Os campos carregam a energia de tudo o que existe no universo, desde átomos até grandes estruturas galácticas.
O magnetismo, a gravitação, a força nuclear, a luz, a matéria e muitos outros fenômenos físicos são transportados por campos. O mais surpreendente é que a própria matéria, da qual somos feitos, é constituída por um conjunto de campos. Elétrons e prótons também são campos; assim, somos constituídos de campos que escapam à intuição.
Em outras palavras, somos feitos de um agregado de partículas quânticas fantasmagóricas que banham em campos. Esses campos carregam a energia das partículas em todo o espaço disponível ao seu redor.

Interações e Partículas nos Campos

Com a noção de campo, a visão da natureza das coisas é revolucionária; a realidade se torna estranha e escapa aos nossos cinco principais sentidos. A realidade não se explica simplesmente pela presença de matéria, mas também pelas trocas e interações entre objetos reais e objetos virtuais dos campos quânticos de baixa energia.
No mundo quântico, todas as partículas do modelo padrão, férmions e bósons, emergem de vibrações em um campo. Este é, aliás, o conceito básico do funcionamento dos aceleradores de partículas, como o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Quando os cientistas querem observar uma partícula, eles provocam colisões cuja energia corresponde à partícula em questão.
Quarks e elétrons constituem a matéria ordinária, mas a matéria acima do zero absoluto (-273,15 °C) emite radiação, ou seja, luz que se desloca em um campo. Cada tipo de férmion e cada tipo de bóson tem seu próprio campo. As partículas são consideradas estados excitados desses campos.

A Dualidade Onda-Partícula e a Intuição

A "dualidade onda-partícula" da luz foi estendida aos elétrons em 1929 pelo matemático e físico francês Louis de Broglie (1892–1987) e, posteriormente, a todas as partículas. No entanto, nossa mente precisa de imagens de nosso mundo para alimentar sua intuição e representar conceitos.
Mas conceituar a mecânica quântica e o conjunto dos campos quânticos nos quais existimos não é fácil. Tudo é "campo", mas os campos quânticos, que são sistemas dinâmicos efervescentes e carregados, são todos subconjuntos do campo gravitacional ou do campo eletromagnético, os dois únicos campos fundamentais da natureza.

O que é um Campo?

Definição Geral

Em física, um campo é três coisas ligadas em um sistema com um grande número de objetos: Uma porção de espaço delimitada, uma grandeza física mensurável e uma relação que liga a porção de espaço à grandeza física. Em outras palavras, um campo é preenchido por grandezas físicas, objetos mensuráveis e quantificáveis com um instrumento, onde cada ponto do espaço está ligado à grandeza física por uma correspondência ou função. Por exemplo, a pressão atmosférica, a temperatura do ar, a velocidade do vento, a chuva, o magnetismo, a gravidade e a radioatividade podem ser representados por campos.

Campos Escalares e Vetoriais

Os campos são escalares ou vetoriais.
Um campo escalar é mensurável por uma simples grandeza. Por exemplo, a temperatura ou a massa são definidas por uma grandeza física mensurável inteiramente por um único valor.
Um campo vetorial está associado a uma grandeza vetorial, ou seja, uma grandeza para a qual um único valor não é suficiente. É necessária também uma orientação, ou seja, uma direção e um sentido, como em um campo de velocidade do vento.

Representação e Energia dos Campos

Como representar um campo?
Para um campo escalar, basta representar os espaços onde o valor é idêntico, como em campos de temperatura ou pressão (ver 1ª e 3ª imagens).
Para um campo vetorial, basta representar as linhas de campo onde cada ponto é um vetor de campo tangente, como no campo de direção dos ventos ou em um campo magnético (ver 2ª e 4ª imagens).
A energia do campo se dissipa no espaço. É por isso que, fora do campo eletromagnético gerado por uma estação de radiodifusão, não captamos mais nada. Quando um campo eletromagnético é interrompido abruptamente, ocorre uma faísca (o campo contém, de fato, energia).

O Campo Quântico

Na física quântica, não se usa a noção de corpúsculo, pois as partículas quânticas não são corpúsculos, mas grandezas matemáticas representadas por vetores de estado no espaço de Hilbert. Esse conceito escapa à intuição e à nossa visão.

O campo quântico preenche todo o espaço. É um campo vetorial de partículas subatômicas, cuja grandeza é quantizada (tomada de um conjunto finito de valores) e a relação é uma função de onda (vetor de estado). Isso permite conhecer toda a informação do sistema e dá a cada partícula as propriedades de interferência típicas de uma onda.
No mundo quântico, todas as partículas no estado fundamental (não excitado) são ondas.
Um campo de hádrons é composto por partículas virtuais, pártons (glúons e quarks) que se agitam, aparecendo e desaparecendo no espaço vazio.
Um campo transportado pela força nuclear fraca é percorrido por bósons W e Z.
Um campo eletromagnético é percorrido por fótons.
Um campo gravitacional é percorrido por "grávitons" (ainda não descobertos), pois a gravitação é uma força muito fraca.
Assim, as partículas virtuais e reais de matéria banham nesses campos efervescentes, transferindo energia de tempos em tempos. Isso é o que os cientistas provocam em um colisor. Em um colisor, quando um elétron e um pósitron se encontram, eles se aniquilam e transferem sua energia à agitação do vácuo. Essa energia cria partículas materiais reais que saem do vácuo e aparecem por alguns "instantes" nas telas dos computadores.

Energia e Frequência de um Campo

Um campo é, portanto, um sistema efervescente que ocupa todo o espaço: uma ondulação, uma vibração, uma oscilação, uma onda que possui um comprimento de onda e, portanto, uma frequência.
Graças à fórmula e=hν de Max Planck (1858–1947), um campo também tem energia (e é a energia de algo que se move, h é a constante de Planck e ν (nu) é a frequência). Esse par de valores, energia e frequência, caracteriza o campo em cada ponto do espaço. Cada ponto do espaço permite a emergência ou aniquilação de partículas.