Última atualização 23 de julho de 2024

Teoria Quântica de Campos: Tudo é Campo

Descrição da imagem: Esta representação da função de onda molecular mostra a fronteira dos átomos em uma molécula. Onde começa e onde termina um átomo? O átomo é um campo, e são as linhas de campo que definem seu volume. Ninguém jamais viu os campos da física quântica, mas eles poderiam se parecer com esta imagem computadorizada. Quando os átomos se ligam, seus campos se deformam, e essa deformação caracteriza as ligações. As partículas da teoria quântica não são "pequenas bolinhas", mas ondulações, campos que possuem um comprimento de onda. Esse comprimento de onda representa o tamanho da partícula, e o campo, a energia da partícula. Crédito da imagem: T.A. Keith.

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.

Descrição da imagem: Um campo não é representável por uma imagem, mas pode ser mapeado.

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.