Del electromagnetismo a la teoría cuántica de campos.

Un “campo” en física es una región del espacio en la que se ejerce una acción, fuerza o influencia física, sobre los objetos, sobre la materia o sobre la luz, como por ejemplo en los campos gravitatorio y electromagnético. Una “teoría de campo” describe cómo se comporta éste y cómo interactúan los objetos con el campo en el que se encuentran.

El electromagnetismo es una realidad muy poderosa. Resulta sorprendente pensar que un flujo de partículas invisibles y los efectos de un campo de fuerzas también invisible puedan accionar casi todo. La mayor parte de su teoría la desarrolló un escocés, James Clerk Maxwell (1831-1879), que fue quién formuló las ecuaciones que describen las interacciones entre los campos eléctrico y magnético. Sus ecuaciones llevaron al concepto de velocidad de la luz, y a la radiación lumínica y calórica, como variedades de los campos electromagnéticos.

 

 

Las investigaciones sobre la radiación condujeron a Max Planck (1858-1947) a formular el principio de los “cuantos” de energía, y a Albert Einstein (1879-1955) a desarrollar su teoría de la relatividad. La formulación de la teoría cuántica hizo necesario reformular las ecuaciones de Maxwell relativas a la electricidad y el magnetismo.  La teoría de la relatividad de Einstein, en sus formas restringida-especial y generalizada, obligó a revisar la teoría gravitatoria de Isaac Newton (1643-1727), y toda la física aplicable a altas velocidades, así como los conceptos de espacio, tiempo, masa, energía y, en resumidas cuentas, de la luz y la materia en el universo.

 

 

La mecánica cuántica es la inhabitual y poderosa teoría del mundo subatómico, donde nuestros conceptos intuitivos de fuerzas y movimientos en la vida humana ordinaria no tienen validez. En su lugar, es necesario un nuevo tipo de física, basado en reglas cuánticas. La idea provenía de principios del siglo XX, cuando Planck afirmó y demostró que la energía existe y se transmite en unidades discontínuas  y pequeñas denominadas “cuantos”. Esta teoría fue ampliada por Einstein, Niels Bohr (1885-1962), Werner Heisenberg (1901-1976), Erwin Schrödinger (1887-1961), y Paul Dirac (1902-1984), entre otros, en la década de 1920 a 1930.

La mecánica cuántica es la única entre todas las teorías de las que se desconoce el cómo o el porqué. Realiza predicciones asombrosamente exactas sobre el mundo microscópico las cuales son totalmente contrarias al sentido común, pero las extrañas propiedades de dicho mundo no entran en conflicto con la teoría, sino que son, según su punto de vista, el modo en que se comporta la naturaleza a esa escala pequeñísima. A pesar de las dificultades que entraña entender lo que significa, le debemos casi todo lo relativo a la tecnología moderna.

 

 

Paul Dirac mostró a finales de la década de 1920 que se podía combinar la teoría cuántica con la teoría electromagnética de campo de Maxwell, así como con la teoría relativista de Einstein, y creó la primera “teoría de campo cuantificado”, en la que se muestra cómo interactúan los electrones con los fotones, o sea, con las partículas de la luz (en realidad no son ni partículas ni ondas, aunque se pueden comportar como ambas cosas, haría falta un nuevo nombre para un nuevo concepto, por ejemplo “cuantones” o “quantones”, en general para todo tipo de partículas elementales).

La “teoría cuántica de campos” aplica las leyes de la física cuántica no solo a las partículas, sino también a los campos que describen las fuerzas de la naturaleza. La teoría subatómica tiene una precisión equivalente a dar la distancia de Eurasia (entre Lisboa y Tokio) con un error menor al espesor de un cabello. Todo en el universo puede explicarse en sus principios con la teoría cuántica de campos, todo está formado por átomos que están unidos por la interacción de sus electrones. Estas interacciones se deben a la fuerza electromagnética que actúa entre ellos, lo que a su vez no es más que un intercambio de fotones. Se puede afirmar que la teoría cuántica de campos soporta la mayor parte de la física, la totalidad de la química y también toda la biología.

 

En 1949, varios físicos, entre ellos Richard Feynman, presentaron la “electrodinámica cuántica” (QED). Más tarde se utilizó esta teoría para combinar la fuerza electromagnética con otra de las cuatro fuerzas de la naturaleza, la nuclear débil. Este desarrollo se denominó teoría electrodébil, y otra teoría cuántica de campos, conocida como cromodinámica, describe la fuerza nuclear fuerte. Solamente la cuarta fuerza de la naturaleza, la gravitatoria, se resiste a todos los intentos de ser cuantificada.

Las partículas subatómicas parecen estar relacionadas entre sí, aunque estén separadas por enormes distancias. A nivel subatómico, la suerte de una partícula puede afectar en el mismo instante la de otra en otro extremo del universo. Cuando dos objetos cuánticos, como electrones o fotones, entran en contacto entre sí, sus estados cuánticos se combinan o entrelazan. A partir de ese momento, la suerte de ambos permanece entrelazada, independientemente de lo alejados que puedan estar en el futuro. Este extraño fenómeno se llama entrelazamiento cuántico.

Todo en el universo parece interrelacionado, y  el deseo de los físicos es encontrar una “teoría del todo” sencilla con una única “teoría de campo unificado”. La unificación es un intento de describir las cuatro fuerzas de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética, y gravitatoria) y la relación entre todas las partículas elementales en un solo marco teórico. En física se pueden describir las fuerzas mediante campos que actúan o transportan las interacciones entre las partículas, lo cual se llama “teorías de campo”. El resultado sería la denominada “gran teoría unificada” o “teoría del Todo”. Los físicos trabajan en esa deseada unificación desde hace casi 100 años. El problema consiste en que los físicos no saben todavía cómo formular una teoría cuántica de campo de la teoría gravitatoria de Einstein.

Una posible candidata a convertirse en la “teoría del todo” es la denominada “teoría de cuerdas”, pero queda un largo camino por recorrer hasta saber si es correcta o no, y con qué formulación matemática, ecuaciones,  se podría utilizar o materializar.