En los años 30 del siglo pasado, se estaba avanzando a grandes pasos en la construcción de los primeros ciclotrones y sincrociclotrones. Las colisiones que en ellos se producían daban lugar a fenómenos completamente nuevos: la desintegración y creación de partículas a partir de energía, algo que la física clásica no contemplaba. Por ello, surgió la necesidad de desarrollar una teoría capaz de explicarlos.
En esa época, Paul Dirac ya había publicado su
célebre ecuación, que permite estudiar la interacción de un electrón
relativista con campos electromagnéticos clásicos (no cuánticos). La dirección
estaba clara: era necesario cuantizar los campos, es decir, aplicarles los
principios de la mecánica cuántica. Este proceso, conocido como segunda
cuantización, dio lugar a la teoría cuántica de campos (TCC,
por sus siglas en español; en inglés, QFT, Quantum Field Theory). Esta se define como una disciplina de la
física que aplica simultáneamente los principios de la mecánica cuántica y de
la relatividad especial a sistemas clásicos de campos continuos, como el campo
electromagnético.
La gran aportación de la teoría cuántica de
campos es la forma en que describe las interacciones entre partículas.
Veamos cómo ha evolucionado esta visión a lo largo del tiempo:
Según la teoría newtoniana, las fuerzas
entre dos partículas se transmitían de forma instantánea a distancia.
La teoría de la relatividad estableció un límite: las fuerzas se
transmitirían mediante campos clásicos, que no podrían propagarse a una
velocidad superior a la de la luz.
La mecánica cuántica no relativista interpretaba las interacciones como
cambios de estado provocados por potenciales, sin permitir la creación ni
destrucción de partículas.
Finalmente, la teoría cuántica de campos comprende las
interacciones como el resultado del intercambio de partículas mediadoras, los bosones,
que transmiten las fuerzas fundamentales.
La primera teoría cuántica de campos desarrollada
fue la electrodinámica cuántica (QED, por sus siglas en inglés),
que permite explicar fenómenos como la absorción de un fotón por un electrón en
un átomo, la creación y aniquilación de partículas en colisionadores, o el
comportamiento del espín en las interacciones electromagnéticas. Todos estos
efectos han sido confirmados experimentalmente, lo que hace de la QED la
teoría científica más precisa desarrollada hasta hoy. Debido a su éxito, se
intentó extender su marco a otras interacciones fundamentales, como la fuerza
débil y la fuerza nuclear fuerte, lo que dio lugar al modelo
estándar de la física de partículas: una teoría integral de las
interacciones conocidas, con la excepción de la gravedad, que describe con gran
exactitud el mundo subatómico.
Los campos cuánticos.
En física, un campo puede entenderse como una entidad
que asigna un valor (escalar, vectorial o de otro tipo) a cada punto del
espacio-tiempo. En la teoría cuántica de
campos, todas las partículas conocidas se interpretan como excitaciones de sus respectivos campos.
Estos campos pueden interactuar entre sí, y esas interacciones explican cómo
las partículas pueden ser creadas o aniquiladas.
Aunque
los campos son entidades matemáticas, resulta útil imaginar analogías más
visuales. Podemos pensar en un campo como un fluido invisible que llena el espacio-tiempo: en cada punto, ese
fluido tiene una propiedad – como temperatura, velocidad o densidad – que
cambia con el tiempo. Esa propiedad sería el “valor del campo” en ese punto y
puede ser un número (campo escalar), una flecha (campo vectorial) o algo más
abstracto (como un espinor u operador). Un mapa meteorológico que muestra
temperaturas en distintas regiones sería un ejemplo de campo escalar; un mapa
de vientos representaría un campo vectorial.
Otra
imagen es la de una membrana elástica
extendida: cada ondulación o vibración simboliza una perturbación del
campo. Si esa vibración está localizada y se mantiene por cierto tiempo,
podemos interpretarla como una partícula. Así, las partículas no son objetos
puntuales aislados, sino excitaciones localizadas en un campo que se
extiende por todo el universo.
También
podemos compararlo con un océano
invisible formado por distintas “capas” superpuestas, una para cada tipo de
partícula (electrones, fotones, quarks, etc.). Las partículas serían como olas en ese océano, generadas cuando la
energía excita el campo correspondiente.
Estas
metáforas, aunque imperfectas, ayudan a hacerse una idea intuitiva de lo que
significa que una partícula sea una excitación de su campo. Conviene recordar,
sin embargo, que los campos cuánticos
no son sustancias físicas en el sentido clásico, sino entidades matemáticas que
obedecen principios como la incertidumbre, la superposición y la cuantización,
los cuales no tienen equivalente directo en el mundo macroscópico.
Tales
imágenes intuitivas pueden entenderse mejor con ejemplos concretos, como el del
campo electromagnético. En este
caso, la partícula mediadora es el fotón.
Si un electrón – que es una excitación del campo electrónico – cede energía en cierto
momento, puede inducir una perturbación en el campo electromagnético, lo que
interpretamos como la emisión de un fotón. En este sentido, la excitación de un
campo puede inducir excitaciones en otros campos.
Así pues,
las características esenciales de la teoría
cuántica de campos pueden resumirse de la siguiente manera:
Cada tipo de partícula
se asocia a un campo cuántico específico.
Toda partícula se
interpreta como una perturbación o excitación de su campo correspondiente.
Las interacciones fundamentales
se explican como el resultado de la comunicación entre distintos campos
cuánticos mediante el intercambio de partículas mediadoras.
La teoría cuántica de campos nos revela
que las partículas no son entidades independientes, sino manifestaciones
dinámicas de un mismo tejido subyacente de campos que se extienden por todo el
universo. Esto permite explicar por qué todas las partículas de un mismo tipo
comparten propiedades idénticas – como masa y carga –sin importar dónde se
encuentren en el cosmos.
Principios
fundamentales de la teoría cuántica de campos.
La teoría cuántica de campos no cuenta con una lista única y cerrada
de postulados, como ocurre con la mecánica cuántica o la relatividad. Sin
embargo, se basa en un conjunto de principios fundamentales que definen
su estructura formal:
Todo es campo, y las partículas son vibraciones.
La idea principal es
que el universo está lleno de campos invisibles, uno para cada tipo de
partícula (electrones, fotones, etc.). Lo que llamamos “partícula” no es más
que una vibración localizada en su campo, como una ola en el mar. Así,
las partículas no son objetos independientes, sino manifestaciones
momentáneas del campo que las genera.
Las
leyes deben funcionar igual en todos los lugares y direcciones.
Las reglas de la física
deben ser válidas sin importar desde dónde se las observe ni si uno se está
moviendo a velocidad constante. Es decir, la teoría respeta la relatividad especial: ningún experimento
debería detectar un “sistema de referencia privilegiado”. Todo debe funcionar
igual para cualquier observador en movimiento rectilíneo uniforme.
Nada puede ir más rápido que la luz.
Para que la teoría sea coherente con la relatividad, no se pueden
enviar señales ni influencias más rápido que la luz. Si dos eventos están tan
alejados que ni siquiera la luz podría conectar ambos a tiempo, entonces no
pueden afectarse mutuamente.
Las
simetrías del universo explican sus leyes.
Si al cambiar algo
(como rotar un sistema, moverlo o cambiar su carga) la física no cambia, decimos que existe una simetría. Estas simetrías dan lugar a
leyes de conservación. Por ejemplo, la simetría de rotación implica la
conservación del momento angular. En la teoría cuántica de campos, muchas
simetrías son internas y profundas, como la que da lugar a la conservación de
la carga eléctrica.
Existe
un vacío, pero no está del todo vacío.
El llamado vacío
cuántico es el estado más tranquilo posible, sin partículas detectables. Pero
no es un espacio totalmente inactivo: los campos siguen vibrando de forma tenue
y aleatoria. Este vacío es la base
sobre la que aparecen todas las partículas cuando se excitan los campos.
La
probabilidad siempre se conserva.
Aunque los procesos
cuánticos son probabilísticos, la teoría garantiza que la suma de todas las probabilidades posibles siempre da 1. Esto
asegura que no puede “perderse” ni “ganarse” probabilidad, lo cual es esencial
para la coherencia de cualquier teoría física.
Las
teorías nuevas deben parecerse a las viejas cuando corresponde.
Cuando se aplican a
escalas grandes o a sistemas simples con pocas partículas, las predicciones de la teoría cuántica de
campos deben coincidir con las de la física clásica o la mecánica cuántica
tradicional. Esto garantiza que la nueva teoría no contradice a las
anteriores, sino que las incluye como casos límite.
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