Teoría Cuántica de Campos: definición y principios

¿Cómo es posible que un electrón del rincón más inhóspito de la galaxia más alejada de nosotros del Universo tenga exactamente la misma masa y carga eléctrica que un electrón de uno de los átomos de tu piel? Con esta pregunta que, seguro, ha hecho estallar tu cabeza, estamos allanando el terreno para describir una complicadísima teoría cuántica que busca dar respuesta a la naturaleza elemental de las partículas.

No hace falta que vengamos nosotros a decir que, en ocasiones, la Física, especialmente la aplicada a la mecánica cuántica, puede ser totalmente imposible de entender. Pero aun así, se han realizado (y se siguen realizando) muchos esfuerzos para dar respuesta a las preguntas más fundamentales sobre el Universo.

Nuestra necesidad por comprender la naturaleza de lo que nos rodea nos ha llevado a muchos callejones sin salida pero también a, gracias a las mentes científicas más maravillosas de la historia, al desarrollo de hipótesis y teorías que permiten responder a lo que sucede a nuestro alrededor.

Y una de las teorías más asombrosas, complicadas e interesantes es la Teoría Cuántica de Campos. Desarrollada entre finales de los años 20 y los años 60, esta teoría cuántica relativista describe la existencia de las partículas subatómicas y las interacciones entre ellas como perturbaciones dentro de unos campos cuánticos que impregnan el espacio-tiempo. Prepárate para que tu cerebro estalle, porque hoy nos sumergiremos en la increíble Teoría Cuántica de Campos.

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Relatividad general y física cuántica: ¿enemigos íntimos?

“Si crees que entiendes la mecánica cuántica, es que no entiendes la mecánica cuántica”. Con esta cita de Richard Feynman, uno de los grandes astrofísicos estadounidenses de la historia, queda más que clara la complejidad que tiene sumergirnos en los (oscuros) secretos del mundo cuántico.

Y antes de hablar de la Teoría Cuántica de Campos, debemos poner un poco de contexto. En 1915, Albert Einstein publicó la teoría que cambiaría para siempre la historia de la Física: la relatividad general. Con ella, el célebre científico nos dijo que todo en el Universo era relativo excepto la velocidad de la luz y que el espacio y el tiempo formaban un único conjunto: el espacio-tiempo.

Con estas concepciones y todas las leyes físicas derivadas, los científicos estuvieron de enhorabuena. La relatividad general de Einstein explicaba la razón de ser de las cuatro fuerzas fundamentales del Universo: el electromagnetismo, la fuerza nuclear débil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad.

Todo encajaba dentro de la física relativista. La relatividad general nos permitía hacer predicciones, deducciones lógicas y aproximaciones matemáticas en lo que a movimiento e interacciones de todos los cuerpos del Cosmos se refería. Desde por qué las galaxias forman supercúmulos galácticos hasta por qué el agua se congela. Todo lo que sucedía a nivel macroscópico encajaba en la teoría relativista.

Pero, ¿qué pasó cuando los físicos se adentraron al mundo más allá del átomo? ¿Qué pasó cuando intentamos aplicar los cálculos de la teoría relativista a las partículas subatómicas? Pues que la relatividad general se hizo pedazos. La teoría de Einstein se derrumbó. Lo que tan bien funcionaba para explicar la naturaleza del Universo macroscópico se venía abajo cuando acudíamos al nivel subatómico.

Al pasar la frontera del átomo, nos desplazábamos a un nuevo mundo cuya naturaleza no podía explicarse con el modelo relativista. El mundo cuántico. Un mundo que necesitaba su propio marco teórico, por lo que a finales de los años 20, se pusieron los cimientos de la física o mecánica cuántica.

En el mundo cuántico, las cosas no suceden como en nuestro mundo relativista. La energía sigue un flujo en saltos o paquetes energéticos llamados cuantos, en lugar de ser continua como en nuestro mundo. Una partícula subatómica está, de forma simultánea, en todos aquellos lugares del espacio en los que puede estar; somos nosotros, como observadores, los que al mirar, veremos que está en uno u otro. Los objetos cuánticos son, al mismo tiempo, ondas y partículas. Es físicamente imposible conocer, de forma simultánea, la posición exacta y la velocidad de una partícula subatómica. Dos o más partículas subatómicas presentan unos estados cuánticos que quedan enlazados por el fenómeno de entrelazamiento cuántico. Y podríamos seguir con cosas muy extrañas que no tienen ningún sentido desde nuestro punto de vista relativista.

Lo importante es que, nos guste o no, esta es la naturaleza del mundo cuántico. Y a pesar de que la física relativista y la mecánica cuántica parezcan enemigas, lo cierto es que ambas quieren ser amigas, pero no pueden al ser demasiado diferentes. Afortunadamente, para lograr su conciliación, desarrollamos la más importante teoría cuántica relativista: la Teoría Cuántica de Campos. Y es ahora cuando nos explotará el cerebro.

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¿Qué es la Teoría Cuántica de Campos?

La Teoría Cuántica de Campos, o Quantum Field Theory (QFT) es una hipótesis cuántica relativista que describe la existencia de las partículas subatómicas y la naturaleza de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales como el resultado de las perturbaciones en unos campos cuánticos que impregnan todo el espacio-tiempo.

¿Te has quedado igual? Normal. Lo raro sería que hubieras entendido algo. Pero vayamos paso a paso. La Teoría Cuántica de Campos nace a finales de los años 20 gracias a los estudios de Erwin Schrödinger y Paul Dirac, quienes querían explicar los fenómenos cuánticos teniendo en cuenta también las leyes de la relatividad general. De ahí que sea una teoría cuántica relativista. Quiere unir el mundo cuántico y el relativista dentro de un único marco teórico.

Su voluntad era maravillosa, pero llegaron a unas ecuaciones que no solo eran increíblemente complejas, sino que daban unos resultados bastante inconsistentes desde el punto de vista matemático. La Teoría Cuántica de Campos primigenia tenía problemas teóricos graves, pues muchos cálculos daban valores infinitos, algo que en física, es como si las matemáticas nos dijeran “estás equivocado”.

Por suerte, entre los años 30 y 40, Richard Feynman, Julian Schwinger, Shin’ichiro Tomonaga y Freeman Dyson fueron capaces de resolver estas divergencias matemáticas (Feynamn desarrollo los famosos diagramas que permiten visualizar los fundamentos de la teoría que después comentaremos) y de, en los años 60, desarrollar la famosa electrodinámica cuántica, cosa que les permitió obtener el Premio Nobel en Física.

Posteriormente, en la década de los 70, esta Teoría Cuántica de Campos permitió explicar la naturaleza cuántica de dos fuerzas fundamentales más además de la electromagnética (las interacciones entre partículas cargadas de forma positiva o negativa), las cuales eran la fuerza nuclear débil (la que explica la desintegración beta de los neutrones) y la fuerza nuclear fuerte (permite que los protones y los neutrones se mantengan unidos en el núcleo del átomo a pesar de las repulsiones electromagnéticas). La gravedad seguía fallando, pero era un progreso muy grande. Ahora bien, ¿qué dice exactamente esta teoría?

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Campos, perturbaciones, partículas e interacciones: ¿qué dice la Cuántica de Campos?

Una vez entendido el contexto, es el momento de adentrarnos de verdad en los misterios de esta apasionante teoría cuántica relativista. Recordemos su definición: “La Teoría Cuántica de Campos es una hipótesis cuántica relativista que describe la existencia de las partículas subatómicas y la naturaleza de las cuatro interacciones o fuerzas fundamentales como el resultado de las perturbaciones en unos campos cuánticos que impregnan todo el espacio-tiempo”.

La Teoría Cuántica de Campos nos dice que todo el espacio-tiempo estaría impregnado por los campos cuánticos, que serían una especie de telas que sufren fluctuaciones. ¿Y qué ganamos con esto? Pues algo muy importante: dejamos de pensar en las partículas subatómicas como entidades individuales y pasamos a concebirlas como perturbaciones dentro de estos campos cuánticos. Nos explicamos.

Esta teoría dice que cada partícula subatómica estaría asociada a un campo concreto. En este sentido, tendríamos un campo de protones, uno de electrones, uno de quarks, uno de gluones… Y así con todas las partículas subatómicas del modelo estándar.

Imaginarlas como entidades individuales esféricas funcionaba, pero había un problema. Con esta concepción, éramos incapaces de explicar por qué y cómo se formaban (y se destruían) partículas subatómicas “de la nada” cuando estas colisionaban entre ellas en condiciones de alta energía, como en los aceleradores de partículas.

¿Por qué un electrón y un positrón, al colisionar, se aniquilan con una consecuente liberación de dos fotones? La física clásica no puede describir esto, pero la Teoría Cuántica de Campos, mediante la concepción de dichas partículas como perturbaciones en un campo cuántico, sí.

Pensar en las partículas subatómicas como vibraciones dentro de un tejido que impregna todo el espacio-tiempo no solo es asombroso, sino que los estados asociados a los distintos niveles de oscilación dentro de estos campos permiten explicar por qué se crean y destruyen partículas cuando colisionan entre ellas.

Cuando un electrón cede energía, lo que sucede es que transmite esta energía al campo cuántico de los fotones, generando una vibración en él que se traduce en la observación de una emisión de fotones. Por lo tanto, de la transferencia de cuantos entre campos distintos nace la creación y destrucción de partículas que, recordemos, no son más que perturbaciones en estos campos.

La gran utilidad de la Teoría Cuántica de Campos es en cómo vemos las interacciones o fuerzas fundamentales del Universo, al tratarse “simplemente” de fenómenos de comunicación entre campos de diferentes “partículas” (que ya hemos visto que partículas en sí no son, pues son perturbaciones dentro de los campos que se manifiestan) subatómicas.

Y es que es un cambio de paradigma muy importante en lo que a existencia de las fuerzas fundamentales se refiere. La Teoría Newtoniana nos decía que las interacciones entre dos cuerpos se transmitían de forma instantánea. La Teoría de Einstein nos dijo que lo hacían a través de campos (los campos clásicos, no cuánticos) a una velocidad finita limitada por la velocidad de la luz (300.000 km/s). La Teoría cuántica las entendía como creaciones y destrucciones espontáneas e instantáneas.

Y, finalmente, la Teoría Cuántica de Campos planteó que las interacciones se debían a fenómenos de intercambio de partículas mediadoras (los bosones) a través de la transferencia de perturbaciones entre distintos campos cuánticos.

Para obtener estos campos cuánticos, permitimos que los clásicos (como el campo electromagnético) tengan varias posibles configuraciones con una probabilidad más o menos alta. Y de la superposición de estas posibilidades nacen los campos cuánticos, que explican los extraños fenómenos observados en el mundo de las partículas subatómicas.

Si pensamos en la naturaleza elemental del Universo como campos dentro del tejido espacio-temporal que pueden sufrir perturbaciones (a causa de unos niveles de energía que quedan superpuestos), conseguimos explicar los fenómenos cuánticos (dualidad onda-partícula, la cuantización energética, la superposición cuántica, el principio de incertidumbre…) mediante una perspectiva relativista.

Estos campos evolucionan como una superposición de todas las configuraciones posibles y la simetría dentro de estos campos permitiría también explicar por qué algunas partículas tienen carga positiva y otras, negativa. Además, en este modelo, las antipartículas serían perturbaciones dentro de estos mismos campos pero que viajan hacia atrás en el tiempo. Increíble.

En resumen, la Teoría Cuántica de Campos es una hipótesis que es el resultado de aplicar las leyes de la cuantización al sistema de la física relativista de campos clásicos y que permite entender las partículas subatómicas (y sus interacciones) como perturbaciones dentro de un tejido cuántico que impregna todo el Universo, haciendo que un electrón de un átomo de tu piel sea resultado de una vibración en un campo que te conecta con el rincón más inhóspito de la más alejada galaxia. Todo es un campo.

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