LA TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS

#SinInfartos 1er Artículo de la Serie de la Teoría Cuántica de Campos

Antecedentes

La famosa ecuación de Schrödinger, herramienta fundamental y esencial de la mecánica cuántica, podía explicar la emisión estimulada de radiación de los átomos, donde un electrón emite un nuevo fotón, mediante un campo electromagnético externo. Sin embargo, no era suficiente para explicar la emisión espontánea, donde un electrón disminuye espontáneamente en energía, y emite un fotón, incluso sin la necesidad de un campo electromagnético externo. Teóricamente, la ecuación de Schrödinger no podía describir los fotones y era inconsistente con los principios de la relatividad especial de Einstein.

Schrödinger encontró un marco matemático que abarcaba la dualidad onda-partícula, descubierta experimentalmente, pero no incorporó, en primera instancia la relatividad especial, la cual permite describir la dinámica de los campos eléctrico y magnético alrededor de cuerpos en movimiento, así como, explicar el comportamiento cinemático de los cuerpos en movimiento, especialmente aquellos cuerpos cuyas velocidades sean cercanas a las de la luz.

Sin embargo, los físicos no tardaron en darse cuenta de que la relatividad especial era un requisito fundamental para conseguir un marco adecuado dentro de la mecánica cuántica. Esto se debe a que el caos microscópico nos dice que la energía se puede manifestar de muchas maneras distintas, noción que procede de la relatividad especial y la famosa ecuación E=mc˄2. Al ignorar la relatividad especial, la teoría de Schrödinger ignoraba la maleabilidad de la materia, la energía y el movimiento.

Los físicos, en sus esfuerzos iniciales por unificar la relatividad especial con la mecánica cuántica, se centraron en la fuerza electromagnética y sus interacciones con la materia. De aquí surgió la electrodinámica cuántica, la cual ha llegado a llamarse Teoría Cuántica Relativista de Campos, o Teoría Cuántica de Campos.

Es una teoría cuántica porque todas las cuestiones probabilísticas y de incertidumbre están incorporadas desde el principio. Es una teoría de campos porque fusiona los principios cuánticos con las nociones clásicas previas de un campo de fuerzas (campo electromagnético). Y es relativista porque la relatividad especial también está incorporada desde el principio.

Se puede decir que la electrodinámica cuántica es la teoría más precisa que jamás se haya desarrollado sobre los fenómenos naturales.

¿Qué es la Teoría Cuántica de Campos?

La teoría cuántica de campos es la unión de la relatividad especial de Einstein y la mecánica cuántica. Esta teoría representa la base del modelo estándar de la física de partículas, el marco teórico que describe todas las partículas e interacciones conocidas, exceptuando a la gravedad.

En términos generales, la mecánica cuántica es la teoría que describe el comportamiento de sistemas pequeños, como átomos y electrones individuales. La relatividad especial es el estudio de la física de alta energía, es decir, el movimiento de partículas y sistemas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz (pero sin gravedad).

La teoría cuántica de campos es la cuantización de un campo clásico. Normalmente pensamos en los componentes básicos de la materia como partículas. Sin embargo, profundizando en nuestras leyes de la física, los bloques fundamentales del universo no son partículas discretas, sino, sustancias continuas similares a fluidos, que se extienden por todo el espacio. Estos objetos son conocidos como “campos”.

Los ejemplos más familiares de campos son: el campo eléctrico y el campo magnético. Las ondas en estos campos generan lo que conocemos como luz, o generalmente referido como ondas electromagnéticas.

Si observamos con atención, veremos que las ondas electromagnéticas están compuestas de partículas, llamadas fotones. Las ondas de los campos eléctricos y magnéticos se convierten en partículas cuando añadimos los efectos de la mecánica cuántica.

Este mismo proceso ocurre con todas las partículas conocidas. Existe un campo, esparcido diminutamente por todo el espacio, llamado el campo de electrones. Las ondas del campo de electrones se unen en un haz de energía por la mecánica cuántica. Este paquete de energía es lo que conocemos como un electrón. De igual forma, existe un campo de quarks, un campo de gluones, y un campo de Higgs. Cada partícula de nuestro cuerpo, y cada partícula en el universo, es una pequeña onda de campo, moldeada en una partícula por los mecanismos de la mecánica cuántica.

¿Por qué la teoría cuántica de campos es complicada?

La teoría cuántica de campos es complicada, en parte, porque contiene toda la física. El campo puede describir un gran número de partículas, interactuando de muchas maneras diferentes. Sin embargo, incluso antes de llegar a estas dificultades, existe otra razón por la cual esta teoría es difícil.

Todo está regido por fluctuaciones cuánticas, incluso el campo gravitacional. El pensamiento clásico implica que el espacio vacío tiene cero campo gravitacional. Sin embargo, a pesar de que la mecánica cuántica nos dice que en promedio es cero, el valor real oscila por las fluctuaciones cuánticas. Así como el campo gravitacional se refleja mediante la curvatura del tejido espacio-tiempo, las fluctuaciones cuánticas se manifiestan como violentas distorsiones del espacio.

El principio de incertidumbre de Heisenberg nos dice que el campo cuántico no puede estarse quieto. En cambio, cuando examinamos el tejido espacio-tiempo a un nivel ultra microscópico, observamos un universo completamente ajeno a lo que conocemos, un universo caótico, donde las nociones de izquierda-derecha, adelante-atrás, arriba-abajo, incluso antes-y-después, pierden su significado.

Esta complejidad es lo que dificulta la teoría cuántica de campos. Incluso “la nada” es difícil de comprender. Y es en estas micro distancias donde encontramos la incompatibilidad fundamental entre la relatividad general y la mecánica cuántica.