Última atualização a 23 de julho de 2024

Teoria quântica de campos

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 poderia se parecer com esta imagem computacional. Quando os átomos se ligam entre si, seus campos se deformam; é essa deformação que caracteriza as ligações. As partículas na teoria quântica não são "pequenas bolas", 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

Quando se quer falar da matéria e do seu comportamento no mundo do infinitamente pequeno, o das partículas, aborda-se a teoria quântica dos campos. A teoria quântica dos campos permite compreender a física das partículas. Em certas situações, o número de partículas que entra em uma porção de 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 um fóton em um estado final. Em outras palavras, um fóton surge repentinamente do vácuo e aparece no campo eletromagnético. A teoria quântica nos diz que no mundo real, tudo é "campo".
Estamos completamente imersos, até o mais profundo de nós mesmos, em múltiplos campos com características surpreendentes. O campo é um conceito fundamental na física; não é constituído por nada mais, ele mesmo constitui o mundo real. Os campos carregam a energia de tudo o que existe no universo, dos átomos às grandes estruturas galácticas.
O magnetismo, a gravidade, a força nuclear, a luz, a matéria e muitos outros fenômenos físicos são carregados por campos. O mais surpreendente é que a própria matéria, da qual somos feitos, é constituída por um conjunto de campos. Os elétrons e os prótons também são campos, assim, somos constituídos por campos que escapam à intuição.
Em outras palavras, somos feitos de um agregado de partículas quânticas fantasmagóricas imersas em campos. Esses campos carregam a energia das partículas em todo o espaço disponível ao redor delas.

Com a noção de campo, a visão da natureza das coisas é surpreendente; a realidade torna-se estranha e escapa aos nossos cinco sentidos principais. A realidade não se explica simplesmente pela presença de matéria, mas também pelas trocas e interações entre os objetos reais e os objetos virtuais dos campos quânticos de baixa energia.
No mundo quântico, todas as partículas do modelo padrão, os férmions e os bósons, emergem de vibrações em um campo. Este é o conceito básico do funcionamento dos aceleradores de partículas como o Grande Colisor de Hádrons (LHC). Quando os cientistas querem ver uma partícula, eles provocam colisões cuja energia corresponde à partícula em questão.
Os quarks e os elétrons constituem a matéria ordinária, enquanto 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" da luz foi estendida aos elétrons em 1929 pelo matemático e físico francês Louis de Broglie (1892-1987), e depois a todas as partículas. No entanto, nossa mente precisa de uma imagem do nosso mundo para alimentar sua intuição e representar conceitos.
Mas conceituar a teoria quântica e todos os campos quânticos em que existimos não é fácil. Tudo é "campo", mas os campos quânticos, que são sistemas dinâmicos borbulhantes 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 pode ser representado por uma imagem, no entanto, pode ser mapeado.

O que é um campo?

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

Os campos são escalares ou vetoriais.
Um campo escalar é mensurável por uma única grandeza. Por exemplo, a temperatura ou a massa são definidas por uma grandeza física, mensurável completamente 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. Também é necessária uma orientação, ou seja, uma direção e um sentido, como em um campo de velocidade do vento.

Como representar um campo?
Para um campo escalar, basta representar os espaços onde o valor é idêntico, como em um campo de temperaturas ou pressões (veja a primeira e a terceira miniaturas).
Para um campo vetorial, basta representar as linhas de campo onde cada ponto é um vetor de campo tangente, como no campo da direção do vento ou em um campo magnético (veja a segunda e a quarta miniaturas).
A energia do campo desvanece-se no espaço. Esta é a razão pela qual, fora do campo eletromagnético gerado por uma estação de radiodifusão, não se capta mais nada. Quando um campo eletromagnético é interrompido abruptamente, ocorre uma faísca (o campo realmente contém uma energia).

E o campo quântico?
Na física quântica, não se utiliza a noção de corpúsculo, pois as partículas quânticas não são corpúsculos, mas grandezas matemáticas representadas por vetores de estado no espaço de Hilbert. Este conceito escapa à intuição e à nossa visão.

O campo quântico preenche todo o espaço. É um campo vetorial de partículas subatômicas, cuja grandeza está quantificada (tomada em 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 consiste em partículas virtuais, partons (glúons e quarks) que se agitam, aparecendo e desaparecendo no espaço vazio.
Um campo levado 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 da matéria imergem-se nesses campos borbulhantes, transferindo de vez em quando sua energia. 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 fervura do vácuo. Essa energia cria partículas materiais reais que emergem do vácuo e aparecem por alguns "momentos" nas telas dos computadores.

Um campo é, portanto, um sistema borbulhante 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 uma energia (e é a energia de algo que se move, h é a constante de Planck e ν, a letra grega nu, 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.

Teoria quântica de campos

Os campos da realidade

O que é um campo?

Artigos sobre o mesmo tema