• Começa Com Um Estrondo

É por isso que a teoria quântica de campos é mais fundamental que a mecânica quântica

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. À medida que os pares partícula-antipartícula surgem e desaparecem, eles podem interagir com partículas reais como o elétron, fornecendo correções à sua auto-energia que são de vital importância. On Quantum Field Theory oferece a capacidade de calcular propriedades como esta. (DEREK LEINWEBER)

E por que a busca de unificação de Einstein estava condenada desde o início.

Se você quisesse responder à pergunta sobre o que é realmente fundamental neste Universo, precisaria investigar matéria e energia nas menores escalas possíveis. Se você tentasse separar as partículas em constituintes cada vez menores, começaria a notar algumas coisas extremamente engraçadas quando fosse menor do que distâncias de alguns nanômetros, onde as regras clássicas da física ainda se aplicam.

Em escalas ainda menores, a realidade começa a se comportar de maneiras estranhas e contra-intuitivas. Não podemos mais descrever a realidade como sendo feita de partículas individuais com propriedades bem definidas, como posição e momento. Em vez disso, entramos no reino do quantum: onde o indeterminismo fundamental governa, e precisamos de uma descrição inteiramente nova de como a natureza funciona. Mas mesmo a própria mecânica quântica tem suas falhas aqui. Eles condenaram o maior sonho de Einstein – de uma descrição completa e determinista da realidade – desde o início. Aqui está o porquê.

Se você permitir que uma bola de tênis caia em uma superfície dura como uma mesa, você pode ter certeza de que ela irá quicar de volta. Se você realizasse esse mesmo experimento com uma partícula quântica, descobriria que essa trajetória “clássica” era apenas um dos resultados possíveis, com menos de 100% de probabilidade. Surpreendentemente, há uma chance finita de que a partícula quântica faça um túnel para o outro lado da mesa, atravessando a barreira como se não fosse nenhum obstáculo. (WIKIMEDIA COMMONS USERS MICHAELMAGGS E (EDITADO POR) RICHARD BARTZ)

Se vivêssemos em um universo totalmente clássico e não quântico, seria fácil entender as coisas. Como dividimos a matéria em pedaços cada vez menores, nunca chegaríamos a um limite. Não haveria blocos de construção fundamentais e indivisíveis do Universo. Em vez disso, nosso cosmos seria feito de material contínuo, onde se construíssemos uma proverbial faca mais afiada, sempre poderíamos cortar algo em pedaços cada vez menores.

Esse sonho seguiu o mesmo caminho dos dinossauros no início do século 20. Experimentos de Planck, Einstein, Rutherford e outros mostraram que matéria e energia não podem ser feitas de uma substância contínua, mas sim divisíveis em pedaços discretos, conhecidos hoje como quanta. A ideia original da teoria quântica tinha muito apoio experimental: afinal, o Universo não era fundamentalmente clássico.

Ir para escalas de distância cada vez menores revela visões mais fundamentais da natureza, o que significa que, se pudermos entender e descrever as escalas menores, podemos construir nosso caminho para uma compreensão das maiores. (INSTITUTO PERÍMETRO)

Durante talvez as primeiras três décadas do século 20, os físicos lutaram para desenvolver e entender a natureza do Universo nessas pequenas e intrigantes escalas. Novas regras eram necessárias, e para descrevê-las, equações e descrições novas e contra-intuitivas. A ideia de uma realidade objetiva saiu pela janela, substituída por noções como:

• distribuições de probabilidade em vez de resultados previsíveis,
• funções de onda em vez de posições e momentos,
• Relações de incerteza de Heisenberg em vez de propriedades individuais.

As partículas que descrevem a realidade não podem mais ser descritas apenas como partículas. Em vez disso, eles tinham elementos de ondas e partículas e se comportavam de acordo com um novo conjunto de regras.

Uma ilustração entre a incerteza inerente entre posição e momento no nível quântico. Há um limite para o quão bem você pode medir essas duas quantidades simultaneamente, pois elas não são mais meramente propriedades físicas, mas sim operadores da mecânica quântica com aspectos inerentes desconhecidos à sua natureza. A incerteza de Heisenberg aparece em lugares onde as pessoas menos esperam. (E. SIEGEL / WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO MASCHE)

Inicialmente, essas descrições incomodaram muito os físicos. Esses problemas não surgiram simplesmente por causa das dificuldades filosóficas associadas à aceitação de um Universo não determinístico ou de uma definição alterada da realidade, embora certamente muitos se incomodassem com esses aspectos.

Em vez disso, as dificuldades foram mais robustas. A teoria da relatividade especial era bem compreendida, mas a mecânica quântica, como originalmente desenvolvida, só funcionava para sistemas não relativísticos. Ao transformar quantidades como posição e momento de propriedades físicas em operadores mecânicos quânticos - uma classe específica de função matemática - esses aspectos bizarros da realidade podem ser incorporados em nossas equações.

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, saltando para frente e para trás. Em (B-F), as soluções de função de onda para a Equação de Schrodinger dependente do tempo são mostradas para a mesma geometria e potencial. O eixo horizontal é a posição, o eixo vertical é a parte real (azul) ou a parte imaginária (vermelha) da função de onda. (B,C,D) são estados estacionários (autoestados de energia), que vêm de soluções para a Equação de Schrõdinger Independente do Tempo. (E,F) são estados não estacionários, soluções para a equação de Schrodinger dependente do tempo. Observe que essas soluções não são invariantes sob transformações relativísticas; eles são válidos apenas em um determinado quadro de referência. (STEVE BYRNES / SBYRNES321 OF WIKIMEDIA COMMONS)

Mas a maneira como você permitiu que seu sistema evoluísse dependia do tempo, e a noção de tempo é diferente para diferentes observadores. Esta foi a primeira crise existencial a enfrentar a física quântica.

Dizemos que uma teoria é relativisticamente invariante se suas leis não mudam para diferentes observadores: para duas pessoas se movendo em diferentes velocidades ou em diferentes direções. Formular uma versão relativisticamente invariante da mecânica quântica foi um desafio que levou muitos anos para ser superado pelas maiores mentes da física, e foi finalmente alcançado por Paul Dirac no final da década de 1920.

Diferentes quadros de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam da realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria sob ‘aumentos’, 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. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO KREA)

O resultado de seus esforços produziu o que hoje é conhecido como equação de Dirac, que descreve partículas realistas como o elétron e também explica:

• antimatéria,
• momento angular intrínseco (também conhecido como spin),
• momentos magnéticos,
• as propriedades de estrutura fina da matéria,
• e o comportamento de partículas carregadas na presença de campos elétricos e magnéticos.

Este foi um grande salto à frente, e a equação de Dirac fez um excelente trabalho ao descrever muitas das primeiras partículas fundamentais conhecidas, incluindo o elétron, pósitron, múon e até (até certo ponto) o próton, nêutron e neutrino.

Um universo onde elétrons e prótons são livres e colidem com fótons transita para um neutro que é transparente para fótons à medida que o universo se expande e esfria. Mostrado aqui é o plasma ionizado (L) antes que o CMB seja emitido, seguido pela transição para um Universo neutro (R) que é transparente aos fótons. A dispersão entre elétrons e elétrons, bem como elétrons e fótons, pode ser bem descrita pela equação de Dirac, mas as interações fóton-fóton, que ocorrem na realidade, não são. (AMANDA YOHO)

Mas não podia dar conta de tudo. Os fótons, por exemplo, não podiam ser totalmente descritos pela equação de Dirac, pois tinham as propriedades erradas das partículas. As interações elétron-elétron foram bem descritas, mas as interações fóton-fóton não foram. Explicar fenômenos como o decaimento radioativo era totalmente impossível até mesmo dentro da estrutura da mecânica quântica relativística de Dirac. Mesmo com esse enorme avanço, faltava um componente importante da história.

O grande problema era que a mecânica quântica, mesmo a mecânica quântica relativística, não era quântica o suficiente para descrever tudo em nosso Universo.

Se você tem uma carga pontual e um condutor de metal por perto, é um exercício de física clássica sozinho calcular o campo elétrico e sua força 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. (J. BELCHER NO MIT)

Pense no que acontece se você colocar dois elétrons próximos um do outro. Se você estiver pensando de forma clássica, pensará nesses elétrons como cada um gerando um campo elétrico e também um campo magnético se estiverem em movimento. Então o outro elétron, vendo o(s) campo(s) gerado(s) pelo primeiro, experimentará uma força ao interagir com o campo externo. Isso funciona nos dois sentidos e, dessa forma, uma força é trocada.

Isso funcionaria tão bem para um campo elétrico quanto para qualquer outro tipo de campo: como um campo gravitacional. Os elétrons têm massa e carga, então, se você os colocar em um campo gravitacional, eles responderão com base em sua massa da mesma forma que sua carga elétrica os obrigaria a responder a um campo elétrico. Mesmo na Relatividade Geral, onde massa e energia curvam o espaço, esse espaço curvo é contínuo, como qualquer outro campo.

Se dois objetos de matéria e antimatéria em repouso se aniquilam, eles produzem fótons de uma energia extremamente específica. Se eles produzirem esses fótons depois de cair mais profundamente em uma região de curvatura gravitacional, a energia deve ser maior. Isso significa que deve haver algum tipo de desvio gravitacional para o vermelho/azul, do tipo não previsto pela gravidade de Newton, caso contrário a energia não seria conservada. Na Relatividade Geral, o campo transporta energia em ondas: radiação gravitacional. Mas, em um nível quântico, suspeitamos fortemente que, assim como as ondas eletromagnéticas são compostas de quanta (fótons), as ondas gravitacionais também devem ser compostas de quanta (grávitons). Esta é uma razão pela qual a Relatividade Geral é incompleta . (RAY SHAPP / MIKE LUCIUK; MODIFICADO POR E. SIEGEL)

O problema com este tipo de formulação é que os campos estão em pé de igualdade com a posição e o momento estão sob um tratamento clássico. Os campos empurram partículas localizadas em certas posições e mudam seus momentos. Mas em um universo onde as posições e momentos são incertos e precisam ser tratados como operadores em vez de uma quantidade física com um valor, estamos nos enganando ao permitir que nosso tratamento de campos permaneça clássico.

O tecido do espaço-tempo, ilustrado, com ondulações e deformações devido à massa. Uma nova teoria deve ser mais do que idêntica à Relatividade Geral; deve fazer previsões novas e distintas. Como a Relatividade Geral oferece apenas uma descrição clássica e não quântica do espaço, esperamos que seu eventual sucessor contenha espaço também quantizado, embora esse espaço possa ser discreto ou contínuo.

Esse foi o grande avanço da ideia de teoria quântica de campo , ou seu avanço teórico relacionado: segunda quantização . Se tratarmos o próprio campo como sendo quântico, ele também se torna um operador da mecânica quântica. De repente, processos que não foram previstos (mas são observados) no Universo, como:

• criação e aniquilação de matéria,
• decaimentos radioativos,
• tunelamento quântico para criar pares elétron-pósitron,
• e correções quânticas para o momento magnético do elétron,

tudo fazia sentido.

Hoje, os diagramas de Feynman são usados ​​no cálculo de todas as interações fundamentais abrangendo as forças forte, fraca e eletromagnética, inclusive em condições de alta energia e baixa temperatura/condensadas. A principal maneira pela qual essa estrutura difere da mecânica quântica é que não apenas as partículas, mas também os campos são quantizados. (DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)

Embora os físicos normalmente pensem na teoria quântica de campos em termos de troca de partículas e diagramas de Feynman, esta é apenas uma ferramenta de cálculo e visual que usamos para tentar adicionar algum sentido intuitivo a essa noção. Os diagramas de Feynman são incrivelmente úteis, mas são uma abordagem perturbativa (ou seja, aproximada) para calcular, e a teoria quântica de campos geralmente produz resultados fascinantes e únicos quando você adota uma abordagem não perturbativa.

Mas a motivação para quantizar o campo é mais fundamental do que o argumento entre aqueles que favorecem abordagens perturbativas ou não perturbativas. Você precisa de uma teoria quântica de campos para descrever com sucesso as interações não apenas entre partículas e partículas ou partículas e campos, mas também entre campos e campos. Com a teoria quântica de campos e mais avanços em suas aplicações, tudo, desde a dispersão de fóton-fóton até a força nuclear forte, agora era explicável.

Um diagrama de decaimento beta duplo sem neutrinos, que é possível se o neutrino mostrado aqui for sua própria antipartícula. Esta é uma interação que é permitida com uma probabilidade finita na teoria quântica de campos em um universo com as propriedades quânticas corretas, mas não na mecânica quântica, com campos de interação não quantizados. O tempo de decaimento através deste caminho é muito maior do que a idade do Universo.

Ao mesmo tempo, ficou imediatamente claro por que a abordagem de unificação de Einstein nunca funcionaria. Motivado pelo trabalho de Theodr Kaluza, Einstein se apaixonou pela ideia de unificar a Relatividade Geral e o eletromagnetismo em uma única estrutura. Mas a Relatividade Geral tem uma limitação fundamental: é uma teoria clássica em seu núcleo, com sua noção de espaço e tempo contínuos e não quantizados.

Se você se recusar a quantizar seus campos, estará se condenando a perder propriedades importantes e intrínsecas do Universo. Essa foi a falha fatal de Einstein em suas tentativas de unificação e a razão pela qual sua abordagem em direção a uma teoria mais fundamental foi totalmente (e justificadamente) abandonada.

A gravidade quântica tenta combinar a teoria geral da relatividade de Einstein com a mecânica quântica. As correções quânticas à gravidade clássica são visualizadas como diagramas de loop, como o mostrado aqui em branco. Se o espaço (ou o tempo) em si é discreto ou contínuo ainda não está decidido, assim como a questão se a gravidade é quantizada ou se as partículas, como as conhecemos hoje, são fundamentais ou não. Mas se esperamos uma teoria fundamental de tudo, ela deve incluir campos quantizados. (LAC ACELERADOR LABORATÓRIO NACIONAL)

O Universo mostrou-se uma e outra vez como sendo de natureza quântica. Essas propriedades quânticas aparecem em aplicações que vão desde transistores a telas de LED até a radiação Hawking que causa o decaimento de buracos negros. A razão pela qual a mecânica quântica é fundamentalmente falha por si só não é por causa da estranheza que as novas regras trouxeram, mas porque não foi longe o suficiente. As partículas têm propriedades quânticas, mas também interagem através de campos que são quânticos, e tudo isso existe de maneira relativisticamente invariante.

Talvez consigamos realmente uma teoria de tudo, onde cada partícula e interação seja relativística e quantizada. Mas essa estranheza quântica deve fazer parte de todos os aspectos, mesmo das partes que ainda não quantificamos com sucesso. Nas palavras imortais de Haldane, minha própria suspeita é que o Universo não é apenas mais estranho do que supomos, mas mais estranho do que podemos supor.

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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