Campos cuánticos

 

 

Los campos cuánticos son las generalizaciones cuánticas de los campos clásicos. Dos de estos campos clásicos son el campo electromagnético de Maxwell y el campo gravitatorio (métrica) de Einstein. Una forma de pensar en el proceso de cuantización es partir de las ecuaciones de campo clásicas y reformularlas en términos de operadores matemáticos que equivales a magnitudes físicas; las soluciones describirán con precisión la Naturaleza, incluyendo todo el comportamiento cuántico observado.

Un campo cuántico se describe mediante alguna teoría cuántica de campos (TCC)

Hay varias razones para usar una teoría cuántica de campos. La primera, es la natural generalización de las teorías de campo clásicas, que son nuestras teorías de la naturaleza (no cuánticas). La segunda, una teoría cuántica de campos puede dar cuenta de la creación y aniquilación (observada y bien estudiada) de partículas. La tercera, la teoría cuántica de campos es inherentemente relativista.

 

Hay dos teorías cuánticas de campos (TCC) que se encuentran en el corazón del modelo estándar de física de partículas. Producto de muchas décadas de trabajo teórico, meticulosamente confirmado por experimentos, este modelo cubre el funcionamiento de tres interacciones de la naturaleza (fuerte, débil y electromagnética) de las cuatro conocidas (fuerte, débil, electromagnética y gravitatoria), siendo las partículas mediadoras de las anteriores interacciones los diferentes bosones.

La primera TCC es la electrodinámica cuántica (QED) es la teoría unificada 'electrodébil' del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, que gobierna los procesos nucleares, como las desintegraciones beta radiactivas, que son cruciales, por ejemplo, en la forma en que el sol 'quema' su combustible. La QED está mediada por los bosones llamados Z^o, W⁺, W^- y los fotones (γ).

La segunda TCC es la cromodinámica cuántica (QCD), por su parte, involucra a la teoría de la fuerza nuclear fuerte, mediada por bosones llamados gluones (g), esta fuerza fuerte es de muy corto alcance, une a los quarks para formar hadrones, teniendo bariones (con tres quarks: protones y neutrones) y mesones (con un quark y su anti-quark).

 

En 2012, con el descubrimiento del bosón de Higgs, predicho casi cinco décadas antes, la propiedad más sólida de la materia, la masa de una partícula fundamental, quedaría determinada por su grado de interacción con el bosón de Higgs. Esto daría lugar al campo de Higgs, que es otro campo cuántico.

Modelo Estándar de Partículas Elementales al que es necesario añadir el bosón de Higgs.

 

En el modelo estándar hay 12 fermiones (6 tipos de quarks y 6 tipos de leptones) y 12 bosones (fotón, 8 gluones -fuerza fuerte-, 3 mediadores para interacción débil), posteriormente se le añadió el bosón de Higgs ‘h’ (de spin cero y carga eléctrica nula).

 

La Supersimetría (SUSY) es una extensión del modelo estándar que tiene como objetivo llenar algunos de los vacíos. Predice una partícula compañera para cada partícula del modelo estándar. Estas nuevas partículas resolverían un problema importante con el modelo estándar: fijar la masa del bosón de Higgs.

 

A primera vista, el Modelo Estándar parece predecir que todas las partículas deberían carecer de masa, una idea que contrasta con lo que observamos a nuestro alrededor. Los teóricos han ideado un mecanismo para dar masa a las partículas que requiere la existencia de una nueva partícula, el bosón de Higgs. Sin embargo, es un enigma por qué el bosón de Higgs debería ser ligero, ya que las interacciones entre él y las partículas del modelo estándar tenderían a hacerlo muy pesado.

 

Sin embargo, lo que todavía faltaría una teoría cuántica para la interacción gravitatoria (mediada por el hipotético bosón de spin 2: gravitón) De las cuatro interacciones fundamentales, la gravedad explicada con la teoría general de la relatividad de Einstein se presenta como la deformación del espacio-tiempo. 

La energía de punto cero (EPC), también conocida como 'Energía de Vacío', se postula como una fuente potencialmente ilimitada y 'ubicua' de energía. 

La energía del punto cero se pueden formular en varias formas diferentes, en su forma más básica, es el mínimo, que no es cero, de energía de un sistema mecánico cuántico.  

En teoría cuántica de campos (TCCs), la EPC podría ser entendida, de forma muy sencilla, considerando la energía que se espera del modo fundamental del oscilador armónico cuántico (mínimo de energía). La EPC 'impregnaría' uniformemente todo el espacio-tiempo, aunque no sea directamente observable, sí lo es de forma indirecta (ver efecto Casimir). 

El 'efecto Casimir', predicho por las TCCs, se evidencia mediante una fuerza atractiva entre dos objetos metálicos separados por una pequeña distancia (comparada con el tamaño de los objetos), debida a un efecto asociado a la energía del vacío cuántico.

El 'oscilador armónico cuántico' es el análogo cuántico del 'oscilador armónico clásico'. Este es uno de los sistemas cuánticos más importante, ya que cualquier potencial se podría aproximar por un potencial armónico en las proximidades de un punto de equilibrio estable (mínimo de energía).

 

Reresentación con Matlab de los estados para  n = 0, 1, 2 y 3 (de abajo a arriba) del oscilador armónico cuántico. Para n = 0 se tiene el estado de menor energía (no nulo).

 

 El filósofo de la ciencia Ervin László postula la existencia de un campo de información (a modo de entrelazamiento) en el vacío cuántico que sería el origen tanto de las manifestaciones físicas como mentales. [László, 2016]

 

Vídeo (YouTube). Ervin László. 2012. 

 

 

Para ampliar más: 

László, E. What is Reality?: The New Map of Cosmos, Consciousness, and Existence. A New Paradigm Book. New York. USA. 2016.