consiste en espuma cuántica, donde las fluctuaciones cuánticas son grandes, variadas e importantes en la escala más pequeña. Los campos cuánticos que son una parte intrínseca de la naturaleza están bien definidos, pero no se ajustan a nuestras nociones intuitivas de cómo deben comportarse las partículas u ondas. NASA/CXC/M. Weiss
El Universo que percibimos y vemos, a nuestro alrededor, no es representativo de lo que realmente existe a un nivel fundamental. En lugar de objetos continuos y sólidos, la materia está compuesta de partículas cuánticas indivisibles, unidas a través de fuerzas invisibles que actúan a través del espacio vacío. Tanto las partículas en sí como las fuerzas se pueden describir mediante una estructura subyacente: campos cuánticos, que describen todo lo que sabemos sobre todas las partículas y antipartículas del Modelo Estándar. Pero, ¿son reales estos campos cuánticos? Y ¿qué nos dicen? Eso es lo que el partidario de Patreon, Aaron Weiss, quiere saber, mientras pregunta:
Estaría muy interesado en un post sobre campos cuánticos. Son generalmente/universalmente considerado real y el aspecto más fundamental de nuestro universo o simplemente una construcción matemática? He leído que hay 24 campos cuánticos fundamentales: 12 campos para fermiones y 12 para bosones. Pero también he leído sobre campos cuánticos para átomos, moléculas, etc. ¿Cómo funciona eso? ¿Todo emerge de estos 24 campos y sus interacciones?
Comencemos con lo que es en realidad un campo cuántico.
campos auxiliares, muestran cómo a pesar de que está hecho de quarks y gluones similares a puntos, tiene un tamaño finito y sustancial que surge de la interacción de las fuerzas cuánticas y los campos dentro de él. El protón, en sí mismo, es una partícula cuántica compuesta, no fundamental. Laboratorio Nacional Brookhaven
En física, un campo, en general, describe qué propiedad del Universo está en todas partes en el espacio. Tiene que tener una magnitud: una cantidad que el campo está presente. Puede o no tener una dirección asociada con él; algunos campos lo hacen, como los campos eléctricos, otros no, como los campos de voltaje. Cuando todo lo que teníamos eran campos clásicos, dijimos que los campos debían tener algún tipo de fuente, como partículas, lo que da como resultado que los campos existan en todo el espacio.
En física cuántica, sin embargo, este hecho aparentemente evidente ya no es cierto. Mientras que la física clásica define cantidades como la posición y el momento como propiedades de una partícula, y esas propiedades generarían un campo correspondiente, la física cuántica las trata de manera diferente. En lugar de cantidades, la posición y el momento (entre otras cantidades) ahora se convierten en operadores, que nos permiten derivar toda la rareza cuántica de la que tanto has oído hablar.
físicos teóricos, el momento magnético de muones se ha calculado hasta un orden de cinco bucles. Las incertidumbres teóricas están ahora en el nivel de solo una parte en dos mil millones. Este es un logro tremendo que solo se puede lograr en el contexto de la teoría cuántica de campos. 2012 American Physical Society
Una cantidad como un electrón ya no tiene una posición o momento bien definidos, sino una función de onda que describe la distribución de probabilidad de todas las posiciones y momentos posibles.
Es posible que haya escuchado estas palabras antes, pero ¿alguna vez ha pensado en lo que realmente significa?
Significa que el electrón no es una partícula en absoluto. No es algo en lo que puedas poner el dedo y declarar, «el electrón está aquí, moviéndose con esta velocidad en particular en esta dirección en particular.»Solo se puede indicar cuáles son las propiedades generales, en promedio, del espacio en el que existe el electrón.
relación entre posición e impulso. Cuando uno es conocido con mayor precisión, el otro es inherentemente menos capaz de ser conocido con precisión. El usuario de Wikimedia Commons Maschen
Que no suena muy parecido a partículas, ¿verdad? De hecho, eso suena más a campo: alguna propiedad del Universo en todas partes en el espacio. Esto se debe a que, en la teoría cuántica de campos (QFT), los campos cuánticos no son generados por la materia. En cambio, lo que interpretamos como «materia» es en sí mismo un campo cuántico.
Y estos campos cuánticos, en sí mismos, están hechos de partículas.
- El campo electromagnético? Hecho de partículas llamadas fotones.
- El fuerte campo nuclear, que mantiene unidos protones y neutrones? Compuesto de partículas llamadas gluones.
- ¿El campo nuclear débil, responsable de las desintegraciones radiactivas? Hecho de partículas llamadas bosones W y Z.
- Incluso el campo gravitacional, si tratamos de formular una versión cuántica de la gravedad? Hecho de partículas llamadas gravitones.
Sí, incluso las ondas gravitacionales que LIGO detectó, tan lisas y continuas como aparecían, deberían estar hechas de partículas cuánticas individuales.
expandiendo y comprimiendo alternativamente el espacio en direcciones mutuamente perpendiculares, definidas por la polarización de la onda gravitacional. Las ondas gravitacionales mismas, en una teoría cuántica de la gravedad, deben estar hechas de cuantos individuales del campo gravitacional: gravitones. M. Pössel / Einstein Online
La razón por la que podemos usar estos términos de partículas y campos indistintamente, en QFT, es porque los propios campos cuánticos codifican toda la información para todo. ¿Tienen una partícula y una antipartícula aniquilando? Eso se describe por excitaciones iguales y opuestas de un campo cuántico. ¿Desea describir la creación espontánea de pares de partículas y antipartículas? Eso también se debe a las excitaciones de un campo cuántico.
los pares de partículas/antipartículas salen del vacío cuántico durante muy poco tiempo como consecuencia de la incertidumbre de Heisenberg. Derek B. Leinweber
Incluso las partículas mismas, como los electrones, son solo estados excitados de un campo cuántico. Cada partícula en el Universo, tal como la entendemos, es una ondulación, o excitación, o paquete de energía, del campo cuántico subyacente. Esto es cierto para los quarks, los gluones, el bosón de Higgs y para todas las demás partículas del Modelo Estándar.
para tres de las cuatro fuerzas (excepto la gravedad), el conjunto completo de partículas descubiertas y todas sus interacciones. Si hay partículas adicionales y / o interacciones que se pueden descubrir con colisionadores que podemos construir en la Tierra es un tema discutible, pero solo sabremos la respuesta si exploramos más allá de la frontera energética conocida. Proyecto de Educación de Física Contemporánea / DOE / NSF / LBNL
¿Cuántos campos cuánticos fundamentales hay? Bueno, eso depende de cómo mires la teoría. En el QFT más simple que describe nuestra realidad, la electrodinámica cuántica de Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga y Richard Feynman, solo hay dos campos cuánticos: el campo electromagnético y el campo de electrones. Interactúan; transfieren energía, momento y momento angular; se crean y destruyen excitaciones. Toda excitación posible tiene una excitación inversa que también es posible, por lo que esta teoría implica la existencia de positrones (contrapartes de antimateria de electrones). Además, los fotones también existen como equivalentes de partículas del campo electromagnético.
Cuando tomamos todas las fuerzas que entendemos, es decir, sin incluir la gravedad, y escribimos la versión QFT de ellas, llegamos a las predicciones del Modelo Estándar.
han sido detectados directamente, con el último que se mantuvo, el Bosón de Higgs, cayendo en el LHC a principios de esta década. Todas estas partículas se pueden crear a energías de LHC, y las masas de las partículas conducen a constantes fundamentales que son absolutamente necesarias para describirlas completamente. Estas partículas pueden ser bien descritas por la física de las teorías cuánticas de campo subyacentes al Modelo Estándar. E. Siegel / Más allá de la Galaxia
De aquí es de donde proviene la idea de 12 campos de fermiones y 12 campos de bosones. Estos campos son excitaciones de las teorías subyacentes (el Modelo Estándar) que describen el Universo conocido en su totalidad, e incluyen:
- Los seis quarks (arriba, abajo, extraño, encantador, inferior, superior) y sus contrapartes antiquark,
- Los tres leptones cargados (electrón, muón, tau) y tres neutrales (neutrino electrónico, neutrino muón, neutrino tau), y sus contrapartes de antimateria,
- Los ocho gluones (debido a las ocho combinaciones de colores posibles),
- Los dos bosones débiles (W y Z),
- El bosón electromagnético (fotón),
- Y el bosón de Higgs.
Los quarks y los leptones son fermiones, por lo que tienen contrapartes de antimateria, y el bosón W viene en dos variedades iguales y opuestas (con carga positiva y negativa), pero en total, hay 24 excitaciones únicas y fundamentales de campos cuánticos posibles. De aquí viene la idea de los «24 campos».
variedad de estados cuánticos. Mientras que tres números cuánticos podrían explicar mucho ,se debe agregar el ‘espín’ para explicar la tabla periódica y el número de electrones en orbitales para cada átomo. PoorLeno / Wikimedia Commons
Entonces, ¿qué pasa con los sistemas complejos, como protones, átomos, moléculas y más? Tienes que entender que así como los 24 campos son en realidad excitaciones del QFT subyacente que describe nuestra realidad física, estos sistemas complejos son más que simples combinaciones de estos campos juntos en un estado de enlace estable o cuasi estable.
En cambio, es más preciso ver el Universo entero como un complicado campo cuántico que, en sí mismo, contiene toda la física. Los campos cuánticos pueden describir un número arbitrariamente grande de partículas que interactúan de todas las maneras que nuestras teorías pueden permitir. Y lo hacen no en un vacío de espacio vacío, sino en medio de un fondo de espacio no tan vacío, que también juega con las reglas de QFT.
cálculo que muestra partículas virtuales en el vacío cuántico. (Específicamente, para las interacciones fuertes. Incluso en el espacio vacío, esta energía de vacío no es cero. Derek Leinweber
Constantemente se crean y destruyen partículas, antipartículas y todo tipo de excitaciones de los campos. La realidad es fundamentalmente diferente de nuestra imagen clásica de un Universo suave, continuo y bien definido. Aunque es cierto que estos campos cuánticos comenzaron como una construcción matemática, describen nuestra realidad física observable con más precisión que cualquier otra teoría que hayamos inventado. Nos permiten hacer predicciones increíblemente precisas sobre lo que producirán los resultados de cualquier experimento que involucre los cuantos del Modelo Estándar: predicciones que han sido confirmadas por cada experimento lo suficientemente sensible como para probarlas.
El Universo puede no ser un lugar intuitivo, pero en la medida en que cualquier teoría física pueda llamarse reflejo de la realidad, QFT no tiene igual en términos de su poder. Mientras la física siga siendo una ciencia experimental, este será el estándar que cualquier teoría candidata tendrá que reemplazar.
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