Esta pregunta es desde una perspectiva histórica. La pregunta es: ¿cómo descubrieron históricamente los físicos que se necesitan campos cuánticos para describir la materia?
Siendo más detallado. Consideremos el campo electromagnético por un momento. Clásicamente esto ya era un campo. Ahora, si entendí la historia correctamente, en los días de la vieja teoría cuántica, cuando Planck propuso la solución al problema de la radiación del cuerpo negro en términos de niveles de energía cuantizados, y cuando Einstein hizo lo mismo para resolver el problema del efecto fotoeléctrico, eran esencialmente proponiendo que la luz (y por lo tanto las ondas electromagnéticas) podría describirse en términos de fotones.
Dado que la luz era clásicamente un campo, parece esperarse que cuando este campo se cuantificara correctamente obtendríamos estas partículas de alguna manera como lo proponen Planck/Einstein. Creo que esto lo hizo Heisenberg tan pronto como propuso su mecánica matricial.
Si mal no recuerdo, aplicó sus métodos al campo electromagnético y encontró una colección de osciladores armónicos, que serían las partículas (fotones).
Ahora, resulta que hoy en día usamos campos para describir toda la materia. Algunos físicos incluso dicen que los campos son más fundamentales que las partículas en conjunto.
Pero otra materia (como los electrones) clásicamente no es un campo como el fotón. Y en verdad, por el desarrollo histórico de la mecánica cuántica para las otras partículas, uno esperaría funciones de onda en lugar de campos.
En realidad, parece que el propio Dirac propuso su ecuación como una "ecuación de función de onda" en lugar de una ecuación de campo, y solo más tarde se adoptó este enfoque.
Entonces: mientras que el fotón es clásicamente un campo y el desarrollo histórico apuntaba hacia una partícula tras la cuantización, el punto de vista del campo cuántico parece bastante natural.
Pero para otros asuntos (como los electrones y todas las demás partículas fundamentales), ¿cómo descubrieron los físicos, históricamente, que se necesitaba el punto de vista del campo? ¿Qué llevó a los físicos a darse cuenta de que era necesario describir toda la materia con campos, y no solo el campo electromagnético?
La cobertura de Wikipedia de la historia es bastante acertada, y no tiene mucho sentido fechar exactamente los desarrollos formales incrementales de la segunda imagen de cuantificación de Dirac, Jordan, Wigner, Pauli y Heisenberg, etc. QED ha servido desde entonces como un prototipo de creación arbitraria y aniquilación de materia y antimateria, posible gracias a la relatividad, que sospecho que ya conoces.
Aquí, sin embargo, me gustaría enfatizar la utilización crucial de QFT de Fermi en 1933 para hacer "física real" (Wigner); física de partículas tal como la entendemos incluso hoy: estableció que la creación, aniquilación y transmutación de partículas en la desintegración beta de interacción débil podría describirse mejor en QFT, específicamente a través de su interacción homónima de fermiones cuarticos. Este documento de CN Yang es una lectura esencial sobre el tema . Nota enlace .
Desaparece un neutrón, aparecen un protón, un electrón y un neutrino, en un marco calculable. La esencia de QFT es la contabilidad colectiva de números indefinidos de creación y destrucción de partículas de diversas especies, a saber, la segunda cuantización en el espacio de Fock: aparición y desaparición rampante de partículas. /excitaciones sujetas a los principios de conservación de la QFT particular, aquí conservación de los números de bariones y leptones, carga, etc. Con la referencia anterior, Fermi realmente abrió las compuertas conceptuales.
El desarrollo del concepto de "Campo" para describir los eventos que suceden a nuestro alrededor en relación con varias interacciones que operaron en "acción a distancia" tiene un comienzo muy temprano.
Faraday y Maxwell crearon uno de los cambios más reveladores de la historia en nuestra cosmovisión física: el cambio de partículas a campos.
Como dijo Albert Einstein: “Antes de Maxwell, se pensaba que la Realidad Física… consistía en partículas materiales…. Desde la época de Maxwell, se ha pensado en la Realidad Física como representada por campos continuos, ... y no capaz de ninguna interpretación mecánica.
Este cambio en la concepción de la Realidad es el más profundo y el más fecundo que ha experimentado la física desde la época de Newton. ”
Como muestra la cita anterior, Einstein apoyó una visión de "los campos son todo lo que hay" de la física clásica (pero no necesariamente cuántica). Puso el toque lógico final en los campos clásicos en su artículo de 1905 que proponía la teoría especial de la relatividad, donde escribió: "La introducción de un éter 'luminífero' demostrará ser superflua".
Para Einstein, no había éter material para sostener las ondas de luz. En cambio, el "medio" de la luz era el espacio mismo. Es decir, para Einstein, los campos son estados o condiciones del espacio. Esta es la visión moderna. La implicación de la relatividad especial (SR) de que la energía tiene inercia refuerza aún más el rechazo de Einstein del éter y la importancia de los campos. Dado que los campos tienen energía, tienen inercia y deben considerarse "como sustancias" en sí mismos en lugar de simplemente estados de alguna sustancia como el éter.
La teoría general de la relatividad (1916) resuelve el dilema de Newton sobre el "absurdo" de la acción gravitatoria a distancia. De acuerdo con la relatividad general, el universo está lleno de campos gravitatorios y los procesos físicos asociados con este campo ocurren incluso en el espacio libre de materia y campos EM.
Así, en 1915, la física clásica describió todas las fuerzas conocidas en términos de campos (condiciones del espacio) y Einstein expresó su descontento porque la materia no podía describirse de la misma manera.
Sin embargo, las incursiones reales en el concepto de partículas y una descripción o visualización de campos alternativos llegaron con el advenimiento de la Teoría Cuántica de Campos.
La historia de la teoría cuántica de campos comienza con su creación por Paul Dirac, cuando intentó cuantificar el campo electromagnético a fines de la década de 1920. Los principales avances en la teoría se realizaron en la década de 1950 y condujeron a la introducción de la electrodinámica cuántica (QED). QED fue tan exitoso y predictivo con tanta precisión que se hicieron esfuerzos para aplicar los mismos conceptos básicos para las otras fuerzas de la naturaleza. A fines de la década de 1970, estos esfuerzos utilizaron con éxito la teoría de calibre en la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, produciendo el modelo estándar moderno de física de partículas.
Tratemos de visualizar los electrones.
En todas partes del espacio hay un campo llamado campo de electrones. Un electrón físico no es el campo, sino una vibración localizada en el campo.
Los electrones no son las únicas partículas que consisten en vibraciones localizadas de un campo; todas las partículas lo hacen. Hay un campo para cada partícula conocida, por ejemplo, un fotón, un quark, un campo de gluones, etc.
Incluso el bosón de Higgs recientemente descubierto es así. El campo de Higgs interactúa con las partículas y les da su masa, pero es difícil observar este campo directamente. En cambio, suministramos energía al campo en las colisiones de partículas y lo hacemos vibrar. Cuando uno dice "hemos descubierto el bosón de Higgs", debe pensar "hemos hecho vibrar el campo de Higgs y observado las vibraciones".
Esta idea da una visión completamente diferente de cómo funciona el mundo subatómico. Abarcando todo el espacio hay una gran variedad de diferentes campos que existen en todas partes. Lo que consideramos una partícula es simplemente una vibración de su campo asociado.
Esto tiene importantes consecuencias en la interacción de las partículas. Por ejemplo, considere un proceso en el que dos electrones se disparan entre sí y se dispersan.
En la visión casi clásica de la dispersión, un electrón emite un fotón y luego retrocede. El fotón viaja al otro electrón, que también retrocede.
Cuando el fotón forma un par de quarks y antiquarks, el campo de quarks está vibrando mientras que los otros dos campos no tienen excitación. Finalmente, cuando el quark y el antiquark se combinan para formar un gluón, solo el campo de gluones tiene una vibración.
En el enfoque QFT, una vibración en el campo de electrones induce una vibración en el campo de fotones. La vibración del campo de fotones transporta energía e impulso a otra vibración de electrones y es absorbida.
En el conocido proceso en el que un fotón se convierte en un electrón y un antielectrón, las vibraciones del campo de fotones se transfieren al campo de electrones y se establecen dos conjuntos de vibraciones, uno consistente con una vibración de electrones y el otro consistente con el anti-electrón.
Esta idea de campos y vibraciones explica cómo funciona el universo a un nivel profundo y fundamental. Estos campos abarcan todo el espacio. Algunos campos pueden "ver" otros campos mientras están ciegos a otros.
El campo de fotones puede interactuar con los campos de partículas cargadas pero no puede ver los campos de gluones o neutrinos. Por otro lado, un fotón puede interactuar indirectamente con el campo de gluones, primero haciendo vibraciones de quarks que luego hacen vibraciones de gluones.
Los campos cuánticos son realmente una forma de pensar alucinante. Todo, y me refiero a todo, es solo una consecuencia de muchos campos infinitamente grandes que vibran.
El universo entero está hecho de campos que tocan una vasta sinfonía subatómica. Los físicos están tratando de entender la melodía.
Referencia-
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1204/1204.4616.pdf https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_quantum_field_theory http://www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/ 2013/08/las-buenas-vibraciones-de-las-teorias-de-campos-cuanticos/
Panos C.
Juan Rennie
Mauro ALLEGRANZA