Un campo cuántico se describe mediante alguna teoría cuántica de campos.
En una primera aproximación cabría pensar que los campos cuánticos se podrían comenzar a comprender como una generalización de algunas teóricas clásicas de campos. Posteriormente, nos damos cuenta que se podría comprender mejor la Teoría Cuántica de Campos (TCC o QFT) en relación con otras teorías físicas, sin olvidarse de su origen: la Mecánica Cuántica (MC o QM). Una de las primeras motivaciones para el desarrollo inicial de la TCC fue poder incorporar a la MC el comportamiento de partículas con carga eléctrica, como podía ser el electrón, cuando estas se mueven a altas velocidades (velocidades cercanas a la de la luz «c»), para lo que se tuvo en cuenta la Teoría Especial de la Relatividad (que es la primera de las dos Teorías de Relatividad publicadas por Einstein en 1905).
En una fase posterior del desarrollo de la TCC se tienen en cuenta varios hechos bien estudiados y observados experimentalmente: las interacciones entre partículas (p. ej. fotones y electrones), así como su creación y aniquilación. Siendo estas algunas de las razones que dan lugar a la Electrodinámica Cuántica (EDC o QED).
Entrado en una perspectiva histórica, la teoría cuántica estándar, tal como la desarrollaron Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920, está bien para describir el funcionamiento de partículas individuales de forma aislada y a bajas velocidades.
En palabras de Steven Strogatz, matemático de la Universidad de Cornell (Ithaca. Nueva York. EE. UU.): «Si alguna vez te has preguntado de qué estamos hechos en realidad, probablemente te veas sumergido en una maraña de teorías y pensamientos. Al igual que otros seres vivos, por supuesto, estamos hechos de células. Y las células, a su vez, están hechas de moléculas y las moléculas están hechas de átomos. Aunque profundizando aun más, llegaríamos a un nivel subatómico de electrones, quarks, fotones, etc. Siendo estas partículas las que tradicionalmente se han considerado el final de la línea, los componentes fundamentales de la materia. Pero hoy sabemos que ese no es realmente el caso. Los físicos nos dicen que, en un nivel más fundamental (profundo), todo estaría formado por una especie de ‘fluidos’ a los que llamamos campos cuánticos. Estos campos actúan, en ocasiones, como partículas que pueden interactuar entre sí. Hoy se sabe que la teoría cuántica de campos es posiblemente la teoría científica más exacta de todos los tiempos. Sin embargo, también hay motivos para creer que a la teoría cuántica de campos pudiera no estar completa, lo que nos conduce a preguntas sin respuesta.»
Según David Tong, físico teórico de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), conocido especialista en teoría cuántica de campos: «El físico cuántico alemán Pascual Jordán fue uno de los primeros que, a finales de la primera mitad del siglo XX, se da cuenta que si comienzas con un campo y aplicas las reglas de la mecánica cuántica, terminas con una partícula.»
Centrándonos en la actualidad, el Modelo Estándar de Partículas es nuestra mejor teoría actual del universo en el que vivimos. Este es un ejemplo de teoría cuántica de campos. Tiene en cuenta, básicamente, todas las partículas que se conocen (ver tabla de más abajo). Cada una de ellas (cada tipo) tiene asociado un campo. El modelo estándar es una forma de describir cómo cada uno de esos campos interactúa con los demás. Pensemos por un momento que el campo cuántico de los electrones (de todos los electrones) o el campo cuántico de los fotones (de todos los fotones), estando cada uno de ellos en «todo el universo», justificaría el hecho de que un electrón o un fotón «sea el mismo» aquí o en las inmediaciones de la constelación de Orión.
Existe una analogía formal entre campos clásicos y cuánticos: en ambos casos los valores de los campos están unidos a puntos espacio-temporales, donde estos valores están especificados por números reales (uno o varios) en el caso de los campos clásicos y operadores en el caso de los campos cuánticos. Los operadores de los campos cuánticos representan todo el espectro de valores posibles, por lo que más bien tienen el estatus de observables (operadores físicos). [Quantum Field Theory. Encyclopedia of Philosophy. Standford University. California. EE UU. 2020]
Hay dos teorías cuánticas de campos (TCC o QFT) que se encuentran en el corazón del modelo estándar de física de partículas. Producto de muchas décadas de trabajo teórico, meticulosamente confirmado por experimentos, este modelo cubre el funcionamiento de tres interacciones de la naturaleza (fuerte, débil y electromagnética) de las cuatro conocidas (fuerte, débil, electromagnética y gravitatoria), siendo las partículas mediadoras de las anteriores interacciones los diferentes bosones.
La primera TCC es la electrodinámica cuántica (EDC o QED) es la teoría unificada «electrodébil» del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil (que, por ejemplo, gobierna determinados procesos nucleares, como algunas desintegraciones radiactivas (beta), cruciales en la forma en que nuestro Sol «quema» su combustible). La EDC está mediada por los bosones llamados Zo, W+, W– y los fotones (γ) todas de de spin 1 (vectoriales).
La segunda TCC es la cromodinámica cuántica (CDC o QCD), por su parte, involucra a la teoría de la fuerza nuclear fuerte, mediada por bosones llamados gluones (g), de spin 1, de muy corto alcance, que une a los quarks para formar hadrones, teniendo bariones (con tres quarks: protones y neutrones) y mesones (con un quark y su anti-quark), así como la cohesión nuclear entre protones y neutrones.
En 2012, con el descubrimiento del bosón de Higgs, de spin 0 (escalar), predicho casi cinco décadas antes, la propiedad más sólida de la materia, la masa de una partícula fundamental, quedaría determinada por su grado de interacción con el bosón de Higgs. Esto daría lugar al campo de Higgs, que es otro campo cuántico.
Modelo Estándar de Partículas Elementales al que es necesario añadir el bosón de Higgs.
En el modelo estándar hay 12 fermiones (6 tipos de quarks y 6 tipos de leptones) y 12 bosones (fotón, 8 tipos de gluones -fuerza fuerte-, 3 tipos de mediadores para la interacción débil), posteriormente se le añadió el bosón de Higgs ‘h’ (de spin cero y carga eléctrica nula).
El 4 de julio de 2012, los experimentos (con protones) ATLAS y CMS en el LHC –Gran Colisionador de Hadrones- del CERN (Ginebra, Suiza) anunciaron que cada uno había observado una nueva partícula en la región de masa alrededor de 125 GeV. Esta partícula es consistente con el bosón de Higgs (sin carga eléctrica y de spin nulo -bosón escalar-); aunque se necesitará más trabajo para determinar mejor las características del bosón de Higgs.
El bosón de Higgs, como se propone dentro del Modelo Estándar, es la manifestación más simple del mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Otro tipo de bosón de Higgs son predichos por otras teorías que van más allá del Modelo Estándar: Teorías Supersimétricas.
La interacción gravitatoria es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y se describe mediante la teoría de la relatividad general de Einstein. Sin embargo, la gravedad no se puede describir directamente como un campo en el sentido de la QFT, ya que la relatividad general es una teoría clásica que describe la gravedad como la curvatura del espacio-tiempo.
El Modelo Estándar de partículas ha funcionado maravillosamente para predecir lo que los experimentos han demostrado hasta ahora sobre los componentes básicos de la materia, pero los físicos reconocen que está incompleto.
La Supersimetría (SUSY) es una extensión del modelo estándar que tiene como objetivo llenar algunos de los vacíos. Predice una partícula compañera para cada partícula del modelo estándar. Estas nuevas partículas resolverían un problema importante con el modelo estándar: fijar la masa del bosón de Higgs.
Si la teoría es correcta, deberían aparecer partículas supersimétricas en colisiones de protones en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN.
A primera vista, el Modelo Estándar parece predecir que todas las partículas deberían carecer de masa, una idea que contrasta con lo que observamos a nuestro alrededor. Los teóricos han ideado un mecanismo para dar masa a las partículas que requiere la existencia de una nueva partícula, el bosón de Higgs. Sin embargo, es un enigma por qué el bosón de Higgs debería ser ligero, ya que las interacciones entre él y las partículas del modelo estándar tenderían a hacerlo muy pesado.
Las nuevas partículas interactuarían a través de las mismas fuerzas que las partículas del modelo estándar, pero tendrían masas diferentes. Si las partículas supersimétricas se incluyeran en el modelo estándar, sus tres interacciones (electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuerte y débil) podrían llegar a tener exactamente la misma intensidad a energías muy altas, como en el universo primigenio (muy alta densidad y temperatura).
Vemos, según lo anterior que no se descarta en absoluto la más que probable existencia de otros tipos de campos cuánticos, con sus correspondientes bosones (mediadores de la interacción)
Sin embargo, lo que todavía faltaría una teoría cuántica para la interacción gravitatoria (mediada por el hipotético bosón de spin 2: gravitón) De las cuatro interacciones fundamentales, la gravedad explicada con la teoría general de la relatividad de Einstein se presenta como la deformación del espacio-tiempo.
Una teoría cuántica de campos (TCC) viene a ser un conjunto de reglas a modo de funciones de correlación que explican cómo las mediciones en un punto de un campo se relacionan o se correlacionan con las mediciones tomadas en otro punto. Cada teoría cuántica de campos describe la física usando un número específico de dimensiones. Las teorías de campos cuánticos bidimensionales suelen ser útiles para describir el comportamiento de materiales; las teorías de campos cuánticos de seis dimensiones son especialmente relevantes para la teoría de cuerdas; y las teorías de campos cuánticos de cuatro dimensiones describen la física en nuestro universo de cuatro dimensiones real (3 espaciales más 1 temporal). El Modelo Estándar es uno de ellos; es la teoría de campo cuántica más importante porque es la que mejor describe el universo (hasta ahora)
Las partículas físicas y los campos (interacciones) eran consideradas hasta mediados del siglo pasado como dos aspectos claramente diferenciadas. En la actualidad se consideran dos manifestaciones de una misma realidad descrita por el campo cuántico. Así pues, las partículas físicas parecen ser excitaciones de los ubicuos campos cuánticos.
En la enciclopedia de Stanford (Stanford Encyclopedia of Philosophy: Quantum Field Theory. 2020) podemos leer como contestación a la pregunta ¿Qué es una Teoría Cuántica de Campos (TCC)?: «A diferencia de muchas otras teorías físicas, no existe una definición canónica de lo que es una TCC. En cambio, se pueden formular una serie de explicaciones totalmente diferentes, todas las cuales tienen sus méritos y límites. Una de las razones de esta diversidad es el hecho de que las TCC han ido creciendo sucesivamente de forma muy compleja. Otra razón es que la interpretación de una TCC es particularmente oscura, por lo que incluso el espectro de opciones no está claro. Posiblemente, la mejor y más completa comprensión de una TCC se obtiene al detenerse en su relación con otras teorías físicas, principalmente con respecto a Mecánica Cuántica, pero también con respecto a la Electrodinámica Clásica (teoría electromagnética), la Teoría de la Relatividad Especial y la Física del Estado Sólido (Física Estadística) Sin embargo, la conexión entre las TCC y estas teorías también es compleja y no se puede describir detalladamente paso a paso.» [Stanford. Quantum Field Theory. 2020]
La energía de punto cero (EPC), también conocida como ‘Energía de Vacío’, se postula como una fuente potencialmente ilimitada y ‘ubicua’ de energía.
La energía del punto cero se pueden formular en varias formas diferentes, en su forma más básica, es el mínimo, que no es cero, de energía de un sistema mecánico cuántico.
En teoría cuántica de campos (TCCs), la EPC podría ser entendida, de forma muy sencilla, considerando la energía que se espera del modo fundamental del oscilador armónico cuántico (mínimo de energía). La EPC ‘impregnaría’ uniformemente todo el espacio-tiempo, aunque no sea directamente observable, sí lo es de forma indirecta (ver efecto Casimir).
El ‘efecto Casimir’, predicho por las TCCs, se evidencia mediante una fuerza atractiva entre dos objetos metálicos separados por una pequeña distancia (comparada con el tamaño de los objetos), debida a un efecto asociado a la energía del vacío cuántico.
El ‘oscilador armónico cuántico’ es el análogo cuántico del ‘oscilador armónico clásico’. Este es uno de los sistemas cuánticos más importante, ya que cualquier potencial se podría aproximar por un potencial armónico en las proximidades de un punto de equilibrio estable (mínimo de energía).
El filósofo de la ciencia Ervin László postuló en 2004 la existencia de un campo cuántico de información (a modo de campo generador de no localidad mediante el entrelazamiento de algún estado cuántico -campo psi, campo de interacción cuántico/vacío o akáshico-) que podría ser el origen tanto de las manifestaciones físicas como mentales. [László, 2004 y 2016]
El Campo de Información Global: Un Concepto Especulativo (Actualmente)
Desde la perspectiva de la Teoría Cuántica de Campos (QFT) y el Modelo Estándar (MDE), la respuesta es compleja y, por ahora, se inclina hacia la especulación teórica más que hacia una inclusión directa.
¿Qué es un Campo en QFT?
En QFT, un campo es una entidad física que permea todo el espacio-tiempo. Las partículas son excitaciones (cuantos) de estos campos. Para que un campo sea «físico» en este contexto, debe tener propiedades que permitan interacciones, transferencias de energía y momento, y que sean susceptibles de ser descritas matemáticamente y, en principio, medidas experimentalmente.
La Información en el Entrelazamiento:
La «información» en el entrelazamiento es de naturaleza cuántica. No es información binaria que podamos leer directamente y enviar. Se manifiesta como una correlación estadística entre resultados de mediciones. Cuando mides el spin de una partícula entrelazada y obtienes «arriba», instantáneamente sabes que el spin de su compañera es «abajo». Esta correlación es la manifestación de la información compartida, pero no fue «enviada» por un medio físico convencional.
El Desafío de un «Campo de Información Pura»:
Si postulamos un «campo de información global», tendríamos que responder preguntas fundamentales desde la perspectiva de la QFT:
¿Cuáles son sus propiedades físicas? ¿Tiene energía? ¿Momento? ¿Spin? ¿Carga? ¿Cómo interactúa con los campos de materia y fuerza conocidos?
¿Es un campo fundamental o emergente? Si es fundamental, ¿cuál es su bosón (o fermión) mediador?
¿Cómo se acoplaría este campo al entrelazamiento? El entrelazamiento es una propiedad inherente de los estados cuánticos. No es una fuerza que necesite un mediador, sino una descripción de las relaciones entre partículas.
¿Qué nuevas predicciones experimentales generaría? Para que sea una teoría científica, debe ser falsable y verificable.
Perspectivas y Retos
Aunque la idea de la información como un concepto fundamental es muy poderosa, en el marco actual de la física de partículas, la información (cuántica) es vista como una propiedad que emerge de las interacciones y estados de los campos fundamentales existentes (electromagnético, de quarks, de leptones, etc.), no como un campo fundamental en sí mismo con su propia partícula mediadora.
Sin embargo, este aspecto apunta a áreas de investigación muy activas en la física teórica:
Fundamentos de la Mecánica Cuántica: Se sigue debatiendo la naturaleza de la realidad cuántica y si el espacio-tiempo y la materia emergen de una realidad aún más profunda basada en la información (por ejemplo, el principio holográfico).
Gravedad Cuántica: Algunas teorías de gravedad cuántica, como la teoría de cuerdas o la gravedad cuántica de lazos, proponen que el espacio-tiempo mismo y sus propiedades (incluyendo la no-localidad) podrían emerger de estructuras más fundamentales que podrían interpretarse en términos de información.
Conexiones entre Entropía, Información y Gravedad: La relación entre el entrelazamiento, la entropía y la geometría del espacio-tiempo (p. ej. las posibles relaciones de Einstein-Rosen con pares entrelazados de Einstein-Podolsky-Rosen) es un área de investigación puntera. En estos contextos, la información podría ser vista como una base aún más profunda.
En conclusión, si bien el entrelazamiento cuántico es una manifestación de correlaciones de información pura a un nivel fundamental, la idea de un «campo de información global» como una entidad física adicional a los campos conocidos del modelo estándar es, por el momento, una propuesta especulativa y carece de una formulación matemática y experimental clara dentro del paradigma actual de la QFT. Es una pregunta que reside en la frontera entre la física establecida y las futuras teorías del todo.