La dualitat ona-corpuscle ens diu que les propietats dels electrons i dels fotons són molt semblants, a nivell fonamental, tot i hi que ha diferències: els electrons tenen massa i càrrega, però no els fotons. Tant fotons com electrons poden ‘patir’ difracció, com les ones, i fotons i electrons poden participar en col·lisions, com les partícules.
Tanmateix, els dos objectes semblen ben diferents: els electrons són partícules constituents de la matèria, mentre que els fotons apareixen com un concepte derivat, com a ondulació (com a excitació) del camp electromagnètic.
En la Teoria Quàntica de Camps, els dos objectes apareixen de la mateixa manera, com a conceptes derivats: el concepte fonamental és el de camp, no el de partícula. Els electrons (partícules) apareixen en fer la quantització dels camps, com a ondulacions d’un camp de matèria, anàlogament a com apareixen els fotons, com a ondulacions del camp electromagnètic.
Així, per tal de descriure les lleis fonamentals de la Naturalesa, hem d’introduir un camp per a cada tipus de partícula fonamental: camps de quarks, camps de neutrinos, camps de Higgs, etc. D’ací el terme camps en el nom, TQC. També s’anomena Teoria Relativista de Camps, perquè és la teoria que eixampla el rang d’aplicacions de la MQ de Schrödinger a situacions on les velocitats involucrades són comparables a la de la llum.
Per què, la TQC?
A banda del requeriment de localitat que ja es va fer servir en Física Clàssica per introduir el concepte de camp, i que hem esmentat abans, hi ha dues raons bàsiques per tractar els camps quàntics com el concepte fonamental en la descripció de la Naturalesa.
La primera és que la combinació de la MQ amb la teoria especial de la relativitat porta a la conclusió que en un sistema tancat el nombre de partícules no es conserva. Les partícules no són objectes indestructibles que es van crear en el Big Bang i que continuen existint. Les partícules poden crear-se (acompanyades d’antipartícules) i destruir-se. Aquest fet es comprova a diari en els acceleradors de partícules. Ens cal, doncs, una teoria que no fixe d’entrada el nombre de partícules del sistema.
La segona raó per la qual és necessària la TQC és perquè totes les partícules del mateix tipus són idèntiques. Sembla una afirmació trivial, però no ho és. Dos electrons o dos protons, per exemple, són totalment idèntics siga quin siga el seu origen: vinguen d’un raig còsmic d’una supernova formada a milers de milions d’any llum de nosaltres, o siguen produïts en un accelerador al laboratori. El model de camp de protons, per exemple, explica que tots els protons siguen idèntics, perquè provenen del mateix ‘camp’, un camp que s’estén a tot l’Univers.
En la TQC es quantitzen els camps clàssics, anàlogament a com es quantitza el camp electromagnètic en MQ, i resulta que les possibles interaccions entre aquests camps estan governades per uns principis molt bàsics i generals: localitat, simetria i renormalització (el fet que els fenòmens que ocorren a distàncies petites estan desacoblats dels que esdevenen a escales més grans). En parlarem en futurs Retalls.
Per a què, la TQC?
Per a què serveix la teoria quàntica de camps?
La resposta és: per a gairebé tot. Cal fer-la servir per a qualsevol sistema relativista, però també és una eina molt útil en sistemes no relativistes que tinguen moltes partícules. La TQC ha tingut un impacte important en la física de la matèria condensada, en la d’altes energies, en cosmologia, en gravetat quàntica, etc. Fins i tot en matemàtiques pures. És, literalment, el llenguatge en què s’escriuen les lleis de la Naturalesa.
Us ha agradat aquest article? Compartiu-lo!