Teora cuntica de campos

Dispersin de neutrones.Ladispersin inelsticadeneutronesen uncristales el resultado de la interaccin de un neutrn lanzado contra lostomosen vibracin de lared cristalina. En teora cuntica de campos, el proceso se modeliza de manera ms sencilla al introducir los cuantos de lasondas sonorasdel cristal, losfonones, entendindolo como la absorcin o emisin de un fonn por el neutrn.

Partculas y campos, clsicos y cunticos.Las nocionesclsicasde partcula y campo comparadas con su contrapartidacuntica. Una partcula cuntica est deslocalizada: su posicin se reparte en una distribucin de probabilidad. Un campo cuntico es equivalente a un colectivo de partculas cunticas.Lateora cuntica de camposes una disciplina de lafsicaque aplica los principios de lamecnica cunticaa lossistemas clsicos de campos continuos, por ejemplo, elcampo electromagntico. Una consecuencia inmediata de esta teora es que el comportamiento cuntico de un campo continuo es equivalente al de un sistema de partculasn 1cuyo nmero no es constante, es decir, que puedencrearse o destruirse.1Tambin se la denominateora de campos cunticos,TCCn 2oQFT, sigla en ingls dequantum field theory.Su principal aplicacin es lafsica de altas energas, donde se combina con los postulados de larelatividad especial. En este rgimen se usa para estudiar laspartculas subatmicasy sus interacciones, y permite explicar fenmenos como larelacinentreespnyestadstica, lasimetra CPT, la existencia deantimateria, etc.2Tambin es una herramienta habitual en el campo de lafsica de la materia condensada, donde se utiliza para describir las excitaciones colectivas de sistemas de muchas partculas y entender efectos fsicos tales como lasuperconductividad, lasuperfluidezo elefecto Hall cuntico.3En particular, la teora cuntica del campo electromagntico, conocida comoelectrodinmica cuntica, fue el primer ejemplo de teora cuntica de campos que se estudi y es la teora fsica probada experimentalmente con mayor precisin.4Los fundamentos de la teora de campos cuntica fueron desarrollados entre las dcadas de 1920 y 1950 porDirac,Fock,Pauli,Tomonaga,Schwinger,FeynmanyDyson, entre otros.Historia[editar]Artculo principal:Historia de la teora cuntica de campos

Richard Feynman,Shin'ichir TomonagayJulian Schwingerrecibieron elpremio Nobel de fsicaen 1965 por el desarrollo de laelectrodinmica cuntica.El desarrollo de la teora cuntica de campos ocurri simultneamente con el de la mecnica cuntica ordinaria, en un intento de explicar los fenmenos atmicos tomando tambin en cuenta las leyes de lateora de la relatividad.5Entre 1926 y 1928 se desarrollaron los primeros intentos de encontrar unaecuacin de ondarelativista que describiera el movimiento de una partcula cuntica, debidos aErwin Schrdingery aPaul Dirac. Sin embargo, dichas ecuaciones mostraban ciertas inconsistencias.Por otro lado, en 1926Werner Heisenberg,Pascual JordanyMax Bornprofundizaron en el estudio del problema delcuerpo negro: el comportamiento de la radiacin electromagntica dentro de una cavidad, en ausencia de partculas cargadas. Esto constituy el primer ejemplo de una teora cuntica de campos, en este caso aplicando lasreglas de cuantizacinal campo electromagntico. En sus resultados, la radiacin se comportaba como un conjunto de partculas losfotones, en consonancia con la hiptesis de los cuantos de luz, formulada porEinsteinen 1905. Tras este ejemplo, las mencionadas ecuaciones de onda relativistas se estudiaron de nuevo desde otro punto de vista. En lugar de interpretarlas comofunciones de onda, se usaron las reglas de cuantizacin de un campo clsico para manipularlas. De este modo se obtuvieron ecuaciones para partculas cunticas respetando las leyes de la relatividad que s eran consistentes. Esta reinterpretacin, conocida comosegunda cuantizacin, fue llevada a cabo por Heisenberg,Wolfgang Pauli,Vladimir Fock,Wendell Furry,Robert OppenheimeryVictor Weisskopf.A pesar de sus xitos iniciales, la teora cuntica de campos tena problemas tericos muy serios. El clculo de muchas cantidades fsicas en apariencia ordinarias resultaba en un valor infinito, un resultado sin sentido. Un ejemplo de esto eran las pequeas diferencias entre algunosniveles de energaen eltomodehidrgeno, la llamadaestructura fina. Este problema de las divergencias fue resuelto durante las dcadas de 1930 y 1940 porJulian Schwinger,Freeman Dyson,Richard FeynmanyShin'ichiro Tomonagaentre otros, mediante una tcnica conocida comorenormalizacin. Esta etapa culmin con el desarrollo de la moderna electrodinmica cuntica QED, porQuantum Electrodynamics. La tcnica de losdiagramas de Feynman, un procedimiento grfico de clculo desarrollado por Richard Feynman, se convirti en una de las herramientas bsicas de la teora cuntica de campos.En la dcada de 1950 QED fue generalizada a una clase ms general de teoras conocidas comoteoras gauge, comenzando con el trabajo deChen Ning YangyRobert Mills.6A finales de la dcada de 1960,Sheldon Glashow,Abdus SalamySteven Weinbergunificaron las interacciones electromagntica ydbilen lateora electrodbiluna teora gauge mediante el concepto deruptura espontnea de simetra, introducido originariamente para explicar la superconductividad.7Sin embargo, no fue hasta la dcada de 1970 que qued establecido elmodelo estndarde la fsica de partculas. El modelo de unificacin electrodbil no recibi especial atencin hasta que, en 1971,Gerardus 't HooftyMartinus Veltmandemostraron que las teoras con simetras rotas espontneamente podan ser renormalizadas.8Por otro lado, la intensidad de lasinteracciones fuertesentrehadronesfue un desafo para los tericos de campos hasta el desarrollo del concepto de lalibertad asintticaporFrank Wilczek,David GrossyHugh David Politzeren 1973.9Tambin durante la dcada de 1970, la teora cuntica de campos rompi los grilletes de los diagramas de Feynman, al descubrirse que las soluciones noperturbativasde las ecuaciones de los campos clsicos juegan un papel crucial a nivel cuntico.10Adems, la actitud hacia la tcnica de la renormalizacin y hacia la teora cuntica de campos en general fue cambiando progresivamente, gracias a los avances de entre otrosKenneth Wilsonen fsica de la materia condensada. La aparicin de los infinitos pas de ser considerada una patologa a simplemente un recordatorio de una limitacin prctica: no conocemos qu ocurre a distancias mucho ms pequeas que aquellas que podemos observar directamente.11