• Começa com um estrondo

Por que precisamos de campos quânticos, não apenas de partículas quânticas

Perceber que a matéria e a energia são quantizadas é importante, mas as partículas quânticas não são a história completa; campos quânticos também são necessários.

Principais conclusões

• Uma das descobertas mais revolucionárias do século 20 é que certas propriedades do Universo são quantizadas e obedecem a regras quânticas contra-intuitivas.
• Os constituintes fundamentais da matéria são quantizados em partículas individuais discretas, que exibem comportamentos estranhos e 'assustadores' que nos surpreendem constantemente.
• Mas a estranheza quântica do Universo vai ainda mais fundo: até os campos que permeiam todo o espaço, com ou sem partículas. É por isso que precisamos deles também.

Ethan Siegel Compartilhe Por que precisamos de campos quânticos, não apenas de partículas quânticas no Facebook Compartilhe Por que precisamos de campos quânticos, não apenas de partículas quânticas no Twitter Compartilhe Por que precisamos de campos quânticos, não apenas de partículas quânticas no LinkedIn

De todas as ideias revolucionárias que a ciência cogitou, talvez a mais bizarra e contraintuitiva seja a noção de mecânica quântica. Anteriormente, os cientistas presumiam que o Universo era determinístico, no sentido de que as leis da física permitiriam prever com perfeita precisão como qualquer sistema evoluiria no futuro. Assumimos que nossa abordagem reducionista do Universo — onde procuramos os menores constituintes da realidade e trabalhamos para entender suas propriedades — nos levaria ao conhecimento final das coisas. Se pudéssemos saber de que são feitas as coisas e determinar as regras que as governam, nada, pelo menos em princípio, estaria além de nossa capacidade de prever.

Essa suposição foi rapidamente mostrada como não sendo verdadeira quando se trata do Universo quântico. Quando você reduz o que é real aos seus menores componentes, descobre que pode dividir todas as formas de matéria e energia em partes indivisíveis: quanta. No entanto, esses quanta não se comportam mais de forma determinística, mas apenas probabilística. Mesmo com essa adição, porém, ainda persiste outro problema: os efeitos que esses quanta causam uns nos outros. Nossas noções clássicas de campos e forças falham em capturar os efeitos reais do universo mecânico quântico, demonstrando a necessidade de que eles sejam de alguma forma quantizados também. A mecânica quântica não é suficiente para explicar o Universo; para isso, a teoria quântica de campos é necessária. Isso é por que.

Animação esquemática de um feixe contínuo de luz sendo disperso por um prisma. Observe como a natureza ondulatória da luz é consistente e uma explicação mais profunda do fato de que a luz branca pode ser dividida em cores diferentes. No entanto, a radiação não ocorre continuamente em todos os comprimentos de onda e frequências, mas é quantizada em pacotes individuais de energia: fótons.

É possível imaginar um Universo onde nada fosse quântico e onde não houvesse necessidade de nada além da física de meados do século XIX. Você pode dividir a matéria em pedaços cada vez menores o quanto quiser, sem limite. Em nenhum momento você encontraria um bloco de construção fundamental e indivisível; você poderia reduzir a matéria em pedaços arbitrariamente pequenos e, se tivesse um “divisor” suficientemente forte ou afiado à sua disposição, sempre poderia decompô-lo ainda mais.

No início do século XX, porém, essa ideia se mostrou incompatível com a realidade. Radiação de objetos aquecidos não é emitido em todas as frequências , mas é quantizado em “pacotes” individuais, cada um contendo uma quantidade específica de energia. elétrons só pode ser ionizado pela luz cujo comprimento de onda é menor (ou frequência é maior) do que um certo limite. E as partículas emitidas em decaimentos radioativos, quando disparadas contra um fino pedaço de folha de ouro, seriam ocasionalmente ricochetear de volta na direção oposta, como se houvesse “pedaços” duros de matéria lá dentro pelos quais essas partículas não pudessem passar.

Se os átomos fossem feitos de estruturas contínuas, então seria esperado que todas as partículas disparadas em uma fina folha de ouro passassem por ela. O fato de que recuos duros foram vistos com bastante frequência, até fazendo com que algumas partículas voltassem de sua direção original, ajudou a ilustrar que havia um núcleo duro e denso inerente a cada átomo.

A conclusão esmagadora foi que matéria e energia não poderiam ser contínuas, mas sim divisíveis em entidades discretas: quanta. A ideia original da física quântica nasceu com a percepção de que o Universo não poderia ser inteiramente clássico, mas poderia ser reduzido a pedaços indivisíveis que pareciam seguir suas próprias regras, às vezes bizarras. Quanto mais experimentamos, mais desse comportamento incomum descobrimos, incluindo:

• o fato de que os átomos só podiam absorver ou emitir luz em certas frequências, ensinando-nos que os níveis de energia eram quantizados,
• que um quantum disparado através de uma fenda dupla exibiria um comportamento semelhante a uma onda, em vez de semelhante a uma partícula,
• que existe uma relação de incerteza inerente entre certas quantidades físicas, e que medir uma com mais precisão aumenta a incerteza inerente na outra,
• e que os resultados não eram previsíveis de forma determinística, mas apenas as distribuições de probabilidade dos resultados poderiam ser previstas.

Essas descobertas não colocaram apenas problemas filosóficos, mas também físicos. Por exemplo, existe uma relação inerente de incerteza entre a posição e o momento de qualquer quantum de matéria ou energia. Quanto melhor você mede um, mais inerentemente incerto o outro se torna. Em outras palavras, posições e momentos não podem ser considerados apenas uma propriedade física da matéria, mas devem ser tratados como operadores da mecânica quântica, produzindo apenas uma distribuição de probabilidade de resultados.

Trajetórias de uma partícula em uma caixa (também chamada de poço quadrado infinito) na mecânica clássica (A) e na mecânica quântica (B-F). Em (A), a partícula se move com velocidade constante, quicando para frente e para trás. Em (B-F), soluções de função de onda para a Equação de Schrödinger dependente do tempo são mostradas para a mesma geometria e potencial. Há uma incerteza inerente sobre onde esta partícula estará localizada em qualquer instante no tempo. Usar a equação de Schrodinger significa que essas soluções não são invariantes sob transformações relativísticas; eles são válidos apenas em um determinado quadro de referência.

Por que isso seria um problema?

Porque essas duas quantidades, mensuráveis ​​em qualquer instante no tempo que assim escolhermos, dependem do tempo. As posições que você mede ou os momentos que você infere que uma partícula possui mudarão e evoluirão com o tempo.

Isso seria bom por si só, mas há outro conceito que nos vem da relatividade especial: a noção de tempo é diferente para diferentes observadores, então as leis da física que aplicamos aos sistemas devem permanecer relativamente invariantes. Afinal, as leis da física não devem mudar só porque você está se movendo em uma velocidade diferente, em uma direção diferente ou em um local diferente de onde estava antes.

Como formulada originalmente, a física quântica não era uma teoria relativisticamente invariante; suas previsões eram diferentes para diferentes observadores. Foram necessários anos de desenvolvimento até que a primeira versão relativisticamente invariante da mecânica quântica fosse descoberta, o que não aconteceu até o final da década de 1920 .

Diferentes estruturas de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam sobre a realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria em “impulsos” ou transformações de velocidade nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. Isso é muito mais difícil de compreender quando o momento não é simplesmente uma quantidade associada a uma partícula, mas sim um operador da mecânica quântica.

Se pensávamos que as previsões da física quântica original eram estranhas, com seu indeterminismo e incertezas fundamentais, toda uma série de novas previsões emergiu dessa versão relativisticamente invariante. Eles incluíram:

• uma quantidade intrínseca de momento angular inerente aos quanta, conhecida como spin,
• momentos magnéticos para esses quanta,
• propriedades de estrutura fina,
• novas previsões sobre o comportamento de partículas carregadas na presença de campos elétricos e magnéticos,
• e até mesmo a existência de estados de energia negativa, que eram um enigma na época.

Mais tarde, esses estados de energia negativa foram identificados com um conjunto de quanta “iguais e opostos” que se demonstrou existir: contrapartes de antimatéria para as partículas conhecidas. Foi um grande avanço ter uma equação relativística que descrevia as primeiras partículas fundamentais conhecidas, como o elétron, o pósitron, o múon e muito mais.

No entanto, não poderia explicar tudo. O decaimento radioativo ainda era um mistério. O fóton tinha as propriedades de partícula erradas, e essa teoria poderia explicar as interações elétron-elétron, mas não as interações fóton-fóton. Claramente, um componente importante da história ainda estava faltando.

Os elétrons exibem propriedades de onda, bem como propriedades de partículas, e podem ser usados ​​para construir imagens ou sondar tamanhos de partículas tão bem quanto a luz. Aqui, você pode ver os resultados de um experimento em que os elétrons são disparados um de cada vez através de uma fenda dupla. Uma vez que elétrons suficientes são disparados, o padrão de interferência pode ser visto claramente.

Aqui está uma maneira de pensar sobre isso: imagine um elétron viajando por uma fenda dupla. Se você não medir por qual fenda o elétron passa — e para esses propósitos, assuma que não o fazemos — ele se comporta como uma onda: parte dele passa por ambas as fendas, e esses dois componentes interferem para produzir um padrão de onda. O elétron está de alguma forma interferindo consigo mesmo ao longo de sua jornada, e vemos os resultados dessa interferência quando detectamos os elétrons no final do experimento. Mesmo se enviarmos esses elétrons um de cada vez através da fenda dupla, essa propriedade de interferência permanece; é inerente à natureza mecânica quântica deste sistema físico.

Agora pergunte a si mesmo sobre esse elétron: o que acontece com seu campo elétrico quando ele passa pelas fendas?

Anteriormente, a mecânica quântica havia substituído nossas noções de quantidades como a posição e o momento das partículas — que antes eram simplesmente quantidades com valores — pelo que chamamos de operadores da mecânica quântica. Essas funções matemáticas “operam” em funções de onda quânticas e produzem um conjunto probabilístico de resultados para o que você pode observar. Quando você faz uma observação, o que na verdade significa apenas quando você faz com que aquele quantum interaja com outro quantum cujos efeitos você detecta, você recupera apenas um único valor.

Se você tem dois condutores com cargas iguais e opostas, é um exercício apenas de física clássica calcular o campo elétrico e sua intensidade em cada ponto do espaço. Na mecânica quântica, discutimos como as partículas respondem a esse campo elétrico, mas o campo em si também não é quantizado. Esta parece ser a maior falha na formulação da mecânica quântica.

Mas o que você faz quando tem um quantum que está gerando um campo e esse quantum em si está se comportando como uma onda descentralizada e não localizada? Este é um cenário muito diferente do que consideramos na física clássica ou na física quântica até agora. Você não pode simplesmente tratar o campo elétrico gerado por esse elétron espalhado em forma de onda como vindo de um único ponto e obedecendo às leis clássicas das equações de Maxwell. Se você colocasse outra partícula carregada, como um segundo elétron, ela teria que responder a qualquer tipo estranho de comportamento quântico que essa onda quântica estivesse causando.

Normalmente, em nosso tratamento clássico mais antigo, os campos empurram as partículas que estão localizadas em determinadas posições e alteram o momento de cada partícula. Mas se a posição e o momento da partícula são inerentemente incertos, e se a(s) partícula(s) que geram os campos são eles próprios incertos em relação à posição e ao momento, então os próprios campos não podem ser tratados desta forma: como se fossem algum tipo de estática. “fundo” sobre o qual os efeitos quânticos das outras partículas se sobrepõem.

Se o fizermos, estaremos nos enganando, perdendo inerentemente a “quantidade” dos campos subjacentes.

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, e o que parece ser o 'estado fundamental' em uma região do espaço curvo parecerá diferente da perspectiva de um observador onde o espaço curvatura difere. Enquanto os campos quânticos estiverem presentes, essa energia do vácuo (ou uma constante cosmológica) também deve estar presente.

Este foi o enorme avanço da teoria quântica de campos , que não apenas promoveu certas propriedades físicas a operadores quânticos, mas promoveu os próprios campos a operadores quânticos. (É também aqui que a ideia de segunda quantização vem de: porque não apenas a matéria e a energia são quantizadas, mas também os campos.) De repente, tratar os campos como operadores mecânicos quânticos permitiu que um número enorme de fenômenos que já haviam sido observados fossem finalmente explicados, incluindo:

• criação e aniquilação partícula-antipartícula,
• decaimentos radioativos,
• tunelamento quântico resultando na criação de pares elétron-pósitron,
• e correções quânticas para o momento magnético do elétron.

Com a teoria quântica de campos, todos esses fenômenos agora faziam sentido, e muitos outros relacionados podiam ser previstos, incluindo o muito excitante desacordo moderno entre os resultados experimentais para o momento magnético do múon e dois métodos teóricos diferentes de calculá-lo: um não perturbativo, que concorda com o experimento, e um perturbativo, que não concorda.

O eletroímã Muon g-2 no Fermilab, pronto para receber um feixe de partículas de múons. Esta experiência teve início em 2017 e continua a recolher dados, tendo reduzido significativamente as incertezas nos valores experimentais. Teoricamente, podemos calcular o valor esperado perturbativamente, através da soma de diagramas de Feynman, obtendo um valor que discorda dos resultados experimentais. Os cálculos não perturbativos, via Lattice QCD, parecem concordar, porém, aprofundando o quebra-cabeça.

Uma das principais coisas que acompanham a teoria quântica de campos que simplesmente não existiriam na mecânica quântica normal é o potencial de ter interações campo-campo, não apenas interações partícula-partícula ou partícula-campo. A maioria de nós pode aceitar que as partículas irão interagir com outras partículas, porque estamos acostumados a duas coisas colidindo uma com a outra: uma bola se chocando contra uma parede é uma interação partícula-partícula. A maioria de nós também pode aceitar que partículas e campos interagem, como quando você aproxima um ímã de um objeto metálico, o campo atrai o metal.

Viaje pelo Universo com o astrofísico Ethan Siegel. Os assinantes receberão a newsletter todos os sábados. Todos a bordo!

Embora possa desafiar sua intuição, o Universo quântico realmente não se importa com o que é nossa experiência do Universo macroscópico. É muito menos intuitivo pensar em interações campo a campo, mas fisicamente elas são tão importantes quanto. Sem ele, você não poderia ter:

• colisões fóton-fóton, que são uma parte vital da criação de pares matéria-antimatéria,
• colisões glúon-glúon, que são responsáveis ​​pela maioria dos eventos de alta energia no Grande Colisor de Hádrons,
• e tendo tanto o decaimento beta duplo sem neutrinos quanto o decaimento beta duplo de neutrino duplo, o último dos quais foi observado e o primeiro ainda está sendo procurado.

Quando um núcleo experimenta um duplo decaimento de nêutrons, dois elétrons e dois neutrinos são emitidos convencionalmente. Se os neutrinos obedecerem a esse mecanismo de gangorra e forem partículas de Majorana, o decaimento beta duplo sem neutrinos deve ser possível. Os experimentos estão procurando ativamente por isso.

O Universo, em um nível fundamental, não é feito apenas de pacotes quantizados de matéria e energia, mas os campos que permeiam o Universo também são inerentemente quânticos. É por isso que praticamente todo físico espera que, em algum nível, a gravitação também deva ser quantizada. A Relatividade Geral, nossa atual teoria da gravidade, funciona da mesma maneira que um campo clássico de estilo antigo: ela curva o pano de fundo do espaço e, em seguida, as interações quânticas ocorrem nesse espaço curvo. Sem um campo gravitacional quantizado, no entanto, podemos ter certeza de que estamos ignorando os efeitos gravitacionais quânticos que deveriam existir, mesmo que não tenhamos certeza de quais são todos eles.

No final, aprendemos que a mecânica quântica é fundamentalmente falha por conta própria. Isso não é por causa de nada estranho ou assustador que ele trouxe consigo, mas porque não era estranho o suficiente para explicar os fenômenos físicos que realmente ocorrem na realidade. As partículas de fato têm propriedades quânticas inerentes, mas também os campos: todos eles invariantes relativísticos. Mesmo sem uma teoria quântica atual da gravidade, é quase certo que todos os aspectos do Universo, partículas e campos, são de natureza quântica. O que isso significa para a realidade, exatamente, é algo que ainda estamos tentando decifrar.

Compartilhar: