Teoria Quântica de Campos: definição e princípios - Médico - 2023

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Como é possível que um elétron do canto mais inóspito da galáxia, mais distante de nós no Universo, tenha exatamente a mesma massa e carga elétrica que um elétron de um dos átomos de sua pele? Com esta pergunta que certamente fez sua cabeça explodir, estamos abrindo o caminho para descrever uma teoria quântica muito complicada que busca responder à natureza elementar das partículas.

Não é preciso dizer que, às vezes, a Física, especialmente aplicada à mecânica quântica, pode ser totalmente impossível de entender. Mas, mesmo assim, muitos esforços têm sido (e estão) sendo feitos para responder às questões mais fundamentais sobre o Universo.

Nossa necessidade de compreender a natureza do que nos rodeia nos levou a muitos becos sem saída, mas também, graças às mentes científicas mais maravilhosas da história, ao desenvolvimento de hipóteses e teorias que nos permitem responder ao que acontece ao nosso redor.

E uma das teorias mais incríveis, complicadas e interessantes é a Teoria Quântica de Campos. Desenvolvido entre o final dos anos 1920 e 1960, esta teoria quântica relativística descreve a existência de partículas subatômicas e as interações entre elas como distúrbios dentro de campos quânticos que permeiam o espaço-tempo. Prepare-se para o seu cérebro explodir, porque hoje vamos mergulhar na incrível Teoria Quântica de Campos.

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Relatividade geral e física quântica: inimigos íntimos?

"Se você acha que entende a mecânica quântica, você não entende a mecânica quântica". Com esta citação de Richard Feynman, um dos grandes astrofísicos americanos da história, fica mais do que clara a complexidade de mergulhar nos (sombrios) segredos do mundo quântico.

E antes de falar sobre a Teoria Quântica de Campos, devemos contextualizar um pouco. Em 1915, Albert Einstein publicou a teoria que mudaria para sempre a história da Física: a relatividade geral. Com ela, o famoso cientista nos disse que tudo no Universo era relativo exceto a velocidade da luz e que o espaço e o tempo formavam um único conjunto: o espaço-tempo.

Com essas concepções e todas as leis físicas derivadas, os cientistas estavam com sorte. A relatividade geral de Einstein explicou a razão da existência das quatro forças fundamentais do Universo: eletromagnetismo, a força nuclear fraca, a força nuclear forte e a gravidade.

Tudo se encaixa na física relativística. A relatividade geral nos permitiu fazer previsões, deduções lógicas e aproximações matemáticas sobre o movimento e as interações de todos os corpos do Cosmos. Do motivo pelo qual as galáxias formam superaglomerados galácticos até o motivo pelo qual a água congela. Tudo o que aconteceu no nível macroscópico se encaixa na teoria relativística.

Mas o que aconteceu quando os físicos entraram no mundo além do átomo? O que aconteceu quando tentamos aplicar os cálculos da teoria relativística às partículas subatômicas? Bem, a relatividade geral desmoronou. A teoria de Einstein entrou em colapso. O que funcionou tão bem para explicar a natureza do Universo macroscópico desmoronou quando passamos para o nível subatômico.

Ao passarmos pela fronteira do átomo, estávamos nos movendo para um novo mundo cuja natureza não poderia ser explicada com o modelo relativístico. O mundo quântico. Um mundo que precisava de um arcabouço teórico próprio, então, no final dos anos 20, foram lançadas as bases da física ou mecânica quântica.

No mundo quântico, as coisas não acontecem como em nosso mundo relativístico. A energia segue um fluxo em saltos ou pacotes de energia chamados quanta, em vez de ser contínua como em nosso mundo. Uma partícula subatômica está, simultaneamente, em todos os lugares do espaço onde pode estar; somos nós, como observadores, que ao olharmos, veremos que está em um ou no outro. Os objetos quânticos são, ao mesmo tempo, ondas e partículas. É fisicamente impossível saber, simultaneamente, a posição e a velocidade exatas de uma partícula subatômica. Duas ou mais partículas subatômicas apresentam estados quânticos que estão ligados pelo fenômeno do emaranhamento quântico. E poderíamos continuar com coisas muito estranhas que não fazem nenhum sentido do nosso ponto de vista relativístico.

O importante é que, gostemos ou não, essa é a natureza do mundo quântico. E embora a física relativística e a mecânica quântica pareçam inimigas, a verdade é que ambas querem ser amigos, mas não podem ser muito diferentes. Felizmente, para conseguir sua reconciliação, desenvolvemos a teoria quântica relativística mais importante: a Teoria Quântica de Campos. E agora é quando nossos cérebros vão explodir.

Para saber mais: "O que é Física Quântica e qual é o seu objeto de estudo?"

O que é Teoria Quântica de Campos?

Teoria Quântica de Campos, ou Teoria quântica de campos (QFT) é uma hipótese quântica relativística que descreve a existência de partículas subatômicas e a natureza das quatro interações ou forças fundamentais como resultado de distúrbios nos campos quânticos que permeiam todo o espaço-tempo.

Você permaneceu o mesmo? Normal. O estranho seria se você entendesse algo. Mas vamos passo a passo. A Teoria Quântica de Campos nasceu no final da década de 1920 graças aos estudos de Erwin Schrödinger e Paul Dirac, que queriam explicar os fenômenos quânticos levando em conta também as leis da relatividade geral. Portanto, é uma teoria quântica relativística. Ele quer unir os mundos quântico e relativístico em uma única estrutura teórica.

Sua vontade era maravilhosa, mas eles inventaram equações que não eram apenas incrivelmente complexas, mas também deram resultados bastante inconsistentes do ponto de vista matemático. A teoria quântica de campo inicial tinha sérios problemas teóricos, porque muitos cálculos deram valores infinitos, algo que na física, é como se a matemática nos dissesse "você está errado".

Felizmente, entre os anos 30 e 40, Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin'ichiro Tomonaga e Freeman Dyson conseguiram resolver essas divergências matemáticas (Feynamn desenvolveu os famosos diagramas que permitem visualizar os fundamentos da teoria que comentaremos mais tarde) e de Na década de 1960, desenvolveram a famosa eletrodinâmica quântica, que lhes permitiu obter o Prêmio Nobel de Física.

Subseqüentemente, Na década de 1970, essa Teoria Quântica de Campos tornou possível explicar a natureza quântica de mais duas forças fundamentais além da eletromagnética. (as interações entre partículas carregadas positivamente ou negativamente), que eram a força nuclear fraca (o que explica o decaimento beta dos nêutrons) e a força nuclear forte (permite que prótons e nêutrons se unam no átomo do núcleo, apesar das repulsões eletromagnéticas). A gravidade continuava falhando, mas era um progresso muito grande. Agora, o que exatamente esta teoria diz?

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Richard Feynman, um físico teórico conhecido por, entre muitas outras coisas, desenvolver a teoria da eletrodinâmica quântica.

Campos, perturbações, partículas e interações: o que diz o Quantum de Campos?

Uma vez que o contexto seja compreendido, é hora de realmente mergulhar nos mistérios desta emocionante teoria quântica relativística. Vamos lembrar sua definição: "A Teoria Quântica de Campos é uma hipótese quântica relativística que descreve a existência de partículas subatômicas e a natureza das quatro interações ou forças fundamentais como resultado de perturbações em campos quânticos que permeiam todo o espaço-tempo." .

A Teoria Quântica de Campos nos diz que todo espaço-tempo seria permeado por campos quânticos, que seriam uma espécie de tecido que sofre flutuações. E o que ganhamos com isso? Bem, algo muito importante: paramos de pensar em partículas subatômicas como entidades individuais e passamos a pensar nelas como distúrbios dentro desses campos quânticos. Nós nos explicamos.

Essa teoria diz que cada partícula subatômica estaria associada a um campo específico. Nesse sentido, teríamos um campo de prótons, um de elétrons, um de quarks, um de glúons ... E assim sucessivamente com todas as partículas subatômicas do modelo padrão.

Imaginá-los como entidades esféricas individuais funcionou, mas havia um problema. Com esta concepção, não fomos capazes de explicar por que e como as partículas subatômicas foram formadas (e destruídas) "do nada" quando eles colidiram entre si em condições de alta energia, como em aceleradores de partículas.

Por que um elétron e um pósitron, ao colidir, se aniquilam com a conseqüente liberação de dois fótons? A física clássica não pode descrever isso, mas a Teoria Quântica de Campos, ao conceber essas partículas como perturbações em um campo quântico, pode.

Pensar em partículas subatômicas como vibrações dentro de um tecido que permeia todo o espaço-tempo não é apenas incrível, mas os estados associados aos diferentes níveis de oscilação dentro desses campos nos permitem explicar por que as partículas são criadas e destruídas quando colidem umas com as outras.

Quando um elétron cede energia, o que acontece é que ele transmite essa energia para o campo quântico dos fótons, gerando nele uma vibração que resulta na observação de uma emissão de fótons. Portanto, da transferência de quanta entre diferentes campos, nasce a criação e a destruição de partículas, que, lembre-se, nada mais são do que distúrbios nesses campos.

A grande utilidade da Teoria Quântica de Campos está em como vemos as interações ou forças fundamentais do Universo, visto que são "simplesmente" fenômenos de comunicação entre campos de diferentes "partículas" (que já vimos que as próprias partículas não o são, porque são distúrbios dentro dos campos que se manifestam) subatômicos.

E é uma mudança de paradigma muito importante no que diz respeito à existência das forças fundamentais. A Teoria Newtoniana nos disse que as interações entre dois corpos eram transmitidas instantaneamente. A Teoria de Einstein nos disse que eles fizeram isso por meio de campos (os campos clássicos, não quânticos) a uma velocidade finita limitada pela velocidade da luz (300.000 km / s). A teoria quântica os entendia como criações e destruições espontâneas e instantâneas.

E, finalmente, a Teoria Quântica de Campos afirmava que as interações eram devidas a fenômenos de intercâmbio de partículas mediadoras (bósons). através da transferência de perturbações entre diferentes campos quânticos.

Para obter esses campos quânticos, permitimos que os clássicos (como o campo eletromagnético) tenham várias configurações possíveis com uma probabilidade mais ou menos alta. E da superposição dessas possibilidades nascem os campos quânticos, que explicam os estranhos fenômenos observados no mundo das partículas subatômicas.

Se pensarmos na natureza elementar do Universo como campos dentro do tecido do espaço-tempo que podem ser perturbados (devido à sobreposição dos níveis de energia), podemos explicar os fenômenos quânticos (dualidade onda-partícula, quantização de energia, superposição quântica, o princípio da incerteza ...) através de uma perspectiva relativística.

Esses campos evoluem como uma sobreposição de todas as configurações possíveis e a simetria dentro desses campos também explicaria por que algumas partículas são carregadas positivamente e outras negativamente. Além disso, neste modelo, as antipartículas seriam distúrbios dentro desses mesmos campos, mas que viajam para trás no tempo. Surpreendente.

Em resumo, a Teoria Quântica de Campos é uma hipótese que resulta da aplicação das leis da quantização ao sistema da física de campo clássica relativística e que nos permite entender as partículas subatômicas (e suas interações) como distúrbios dentro de um tecido quântico. Que permeia todo o Universo, fazendo um elétron de um átomo de sua pele o resultado de uma vibração em um campo que o conecta com o canto mais inóspito da galáxia mais remota. Tudo é um campo.

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