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Pergunte a Ethan: Os campos quânticos são reais?

Uma ilustração do espaço vazio do Universo consistindo de espuma quântica, onde as flutuações quânticas são grandes, variadas e importantes nas menores escalas. Os campos quânticos que são parte intrínseca da natureza são bem definidos, mas não estão de acordo com nossas noções intuitivas de como as partículas ou ondas devem se comportar. (NASA/CXC/M.WEISS)

E eles descrevem fundamentalmente todo o nosso Universo, ou precisamos de algo mais?

O Universo que percebemos e vemos, ao nosso redor, não é representativo do que realmente existe em um nível fundamental. Em vez de objetos contínuos e sólidos, a matéria é composta de partículas quânticas indivisíveis, mantidas juntas por meio de forças invisíveis que atuam no espaço vazio. Tanto as próprias partículas quanto as forças podem ser descritas por uma estrutura subjacente: campos quânticos, que descrevem tudo o que sabemos sobre todas as partículas e antipartículas do Modelo Padrão. Mas esses campos quânticos são reais? E o que eles nos dizem? Isso é o que Apoiador do Patreon Aaron Weiss quer saber, enquanto pergunta:

Eu estaria muito interessado em um post sobre campos quânticos. Eles são geralmente / universalmente acreditados como reais e o aspecto mais fundamental do nosso universo ou apenas uma construção matemática? Li que existem 24 campos quânticos fundamentais: 12 campos para férmions e 12 para bósons. Mas também li sobre campos quânticos para átomos, moléculas, etc. Como isso funciona? Tudo emerge desses 24 campos e suas interações?

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Vamos começar com o que um campo quântico realmente é.

A estrutura do próton, modelada junto com seus campos auxiliares, mostra como, embora seja feito de quarks e glúons semelhantes a pontos, ele tem um tamanho finito e substancial que surge da interação das forças quânticas e dos campos dentro dele. O próton, em si, é uma partícula quântica composta, não fundamental. (LABORATÓRIO NACIONAL DE BROOKHAVEN)

Na física, um campo, em geral, descreve o que alguma propriedade do Universo está em toda parte no espaço. Tem que ter uma magnitude: uma quantidade que o campo está presente. Pode ou não ter uma direção associada; alguns campos sim, como campos elétricos, outros não, como campos de voltagem. Quando tudo o que tínhamos eram campos clássicos, afirmamos que os campos devem ter algum tipo de fonte, como partículas, o que resulta em campos existentes em todo o espaço.

Na física quântica, porém, esse fato aparentemente auto-evidente não é mais verdade. Enquanto a física clássica define quantidades como posição e momento como propriedades de uma partícula, e essas propriedades gerariam um campo correspondente, a física quântica as trata de maneira diferente. Em vez de quantidades, posição e momento (entre outras quantidades) agora se tornam operadores, o que nos permite derivar toda a estranheza quântica sobre a qual você já ouviu falar.

Através de um esforço hercúleo por parte dos físicos teóricos, o momento magnético do múon foi calculado até a ordem de cinco voltas. As incertezas teóricas estão agora no nível de apenas uma parte em dois bilhões. Esta é uma tremenda conquista que só pode ser feita no contexto da teoria quântica de campos. (2012 SOCIEDADE FÍSICA AMERICANA)

Uma quantidade como um elétron não tem mais uma posição ou momento bem definido, mas sim uma função de onda que descreve a distribuição de probabilidade de todas as posições e momentos possíveis.

Você pode ter ouvido essas palavras antes, mas você já pensou sobre o que isso realmente significa?

Isso significa que o elétron não é uma partícula. Não é algo que você possa colocar o dedo e declarar, o elétron está aqui, movendo-se com essa velocidade específica nessa direção específica. Você só pode afirmar quais são as propriedades gerais, em média, do espaço em que o elétron existe.

Este diagrama ilustra a relação de incerteza inerente entre posição e momento. Quando um é conhecido com mais precisão, o outro é inerentemente menos capaz de ser conhecido com precisão. (MASCHE DE USUÁRIO WIKIMEDIA COMMONS)

Isso não soa muito parecido com partículas, não é? Na verdade, isso soa mais como um campo: alguma propriedade do Universo em todo o espaço. Isso porque, em teoria quântica de campo (QFT), os campos quânticos não são gerados pela matéria. Em vez disso, o que interpretamos como matéria é em si um campo quântico.

E esses campos quânticos, eles mesmos, são compostos de partículas.

• O campo eletromagnético? Feito de partículas chamadas fótons.
• O forte campo nuclear, que mantém prótons e nêutrons juntos? Composto por partículas chamadas glúons.
• O campo nuclear fraco, responsável pelos decaimentos radioativos? Feito de partículas chamadas bósons W-e-Z.
• Mesmo o campo gravitacional, se tentarmos formular uma versão quântica da gravidade? Feito de partículas chamadas grávitons.

Sim, mesmo as ondas gravitacionais que o LIGO detectou, tão suaves e contínuas quanto pareciam, deveriam ser feitas de partículas quânticas individuais.

As ondas gravitacionais se propagam em uma direção, expandindo e comprimindo alternadamente o espaço em direções mutuamente perpendiculares, definidas pela polarização da onda gravitacional. As próprias ondas gravitacionais, em uma teoria quântica da gravidade, deveriam ser feitas de quanta individuais do campo gravitacional: grávitons. (M. POSSEL/EINSTEIN ONLINE)

A razão pela qual podemos usar esses termos de partículas e campos de forma intercambiável, no QFT, é porque os próprios campos quânticos codificam todas as informações para tudo. Tem uma partícula e antipartícula aniquilando? Isso é descrito por excitações iguais e opostas de um campo quântico. Quer descrever a criação espontânea de pares de partículas de partículas-antipartículas? Isso também se deve a excitações de um campo quântico.

Uma visualização do QCD ilustra como os pares partícula/antipartícula saem do vácuo quântico por períodos de tempo muito pequenos como consequência da incerteza de Heisenberg. (DEREK B. LEINWEBER)

Até as próprias partículas, como os elétrons, são apenas estados excitados de um campo quântico. Cada partícula no Universo, como a entendemos, é uma ondulação, ou excitação, ou feixe de energia, do campo quântico subjacente. Isso é verdade para os quarks, os glúons, o bóson de Higgs e todas as outras partículas do Modelo Padrão.

O Modelo Padrão da física de partículas é responsável por três das quatro forças (exceto a gravidade), o conjunto completo de partículas descobertas e todas as suas interações. Se existem partículas e/ou interações adicionais que podem ser descobertas com colisores que podemos construir na Terra é um assunto discutível, mas só saberemos a resposta se explorarmos além da fronteira de energia conhecida. (PROJETO DE EDUCAÇÃO FÍSICA CONTEMPORÂNEA / DOE / NSF / LBNL)

Então, quantos campos quânticos fundamentais existem? Bem, isso depende de como você olha para a teoria. No QFT mais simples que descreve nossa realidade, a eletrodinâmica quântica de Julian Schwinger, Shinichiro Tomonaga e Richard Feynman, existem apenas dois campos quânticos: o campo eletromagnético e o campo de elétrons. Eles interagem; transferem energia, momento e momento angular; excitações são criadas e destruídas. Toda excitação possível tem uma excitação reversa que também é possível, e é por isso que essa teoria implica a existência de pósitrons (contrapartes de antimatéria dos elétrons). Além disso, os fótons também existem como equivalentes de partículas do campo eletromagnético.

Quando pegamos todas as forças que entendemos, ou seja, sem incluir a gravidade, e escrevemos a versão QFT delas, chegamos às previsões do Modelo Padrão.

As partículas e antipartículas do Modelo Padrão já foram detectadas diretamente, com a última resistência, o bóson de Higgs, caindo no LHC no início desta década. Todas essas partículas podem ser criadas nas energias do LHC, e as massas das partículas levam a constantes fundamentais que são absolutamente necessárias para descrevê-las completamente. Essas partículas podem ser bem descritas pela física das teorias quânticas de campo subjacentes ao Modelo Padrão. (E. SIEGEL / ALÉM DA GALÁXIA)

É daí que vem a ideia de 12 campos de férmions e 12 campos de bósons. Esses campos são excitações das teorias subjacentes (o Modelo Padrão) que descrevem o Universo conhecido em sua totalidade e incluem:

• Os seis quarks (up, down, strange, charm, bottom, top) e suas contrapartes antiquark,
• Os três léptons carregados (elétron, múon, tau) e três neutros (neutrino do elétron, neutrino do múon, neutrino do tau) e suas contrapartes de antimatéria,
• Os oito glúons (por causa das oito combinações de cores possíveis),
• Os dois bósons fracos (W e Z),
• O único bóson eletromagnético (fóton),
• E o bóson de Higgs.

Os quarks e léptons são férmions, e é por isso que eles têm contrapartes de antimatéria, e o bóson W vem em duas variedades iguais e opostas (carregadas positiva e negativamente), mas ao todo, existem 24 excitações únicas e fundamentais de campos quânticos possíveis . É daí que vem a ideia dos 24 campos.

Gráficos de densidade de hidrogênio para um elétron em uma variedade de estados quânticos. Embora três números quânticos possam explicar muita coisa, o “spin” deve ser adicionado para explicar a tabela periódica e o número de elétrons nos orbitais de cada átomo. (POORLENO / WIKIMEDIA COMMONS)

Então, e os sistemas complexos, como prótons, átomos, moléculas e muito mais? Você tem que entender que, assim como os 24 campos são realmente excitações do QFT subjacente que descreve nossa realidade física, esses sistemas complexos são mais do que apenas combinações desses campos reunidos em algum estado ligado estável ou quase estável.

Em vez disso, é mais preciso ver todo o Universo como um campo quântico complicado que, por si só, contém toda a física. Os campos quânticos podem descrever um número arbitrariamente grande de partículas que interagem de todas as maneiras que nossas teorias podem permitir. E eles fazem isso não em algum vácuo de espaço vazio, mas em meio a um fundo de espaço não tão vazio, que também segue as regras do QFT.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. (Especificamente, para as interações fortes.) Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. (DEREK LEINWEBER)

Partículas, antipartículas e todo tipo de excitação dos campos estão constantemente sendo criadas e destruídas. A realidade é fundamentalmente diferente da nossa imagem clássica de um Universo suave, contínuo e bem definido. Embora seja verdade que esses campos quânticos começaram como uma construção matemática, eles descrevem nossa realidade física observável com mais precisão do que qualquer outra teoria que inventamos. Eles nos permitem fazer previsões incrivelmente precisas sobre o que os resultados de qualquer experimento envolvendo os quanta do Modelo Padrão produzirão: previsões que foram confirmadas por todos os experimentos sensíveis o suficiente para testá-los.

O Universo pode não ser um lugar intuitivo, mas, tanto quanto qualquer teoria física pode se chamar de reflexo da realidade, o QFT não tem igual em termos de poder. Enquanto a física continuar sendo uma ciência experimental, esse será o padrão que qualquer teoria candidata terá que substituir.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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