Historia de la teoría cuántica de campos para niños
La teoría cuántica de campos es una forma especial de entender cómo funcionan las partículas más pequeñas del universo y las fuerzas que actúan entre ellas. Comenzó a desarrollarse a finales de los años 1920. Su objetivo principal era combinar la mecánica cuántica (que describe el mundo de lo muy pequeño) con la teoría del campo electromagnético (que explica la luz y la electricidad).
Hoy en día, esta teoría es muy importante para describir cómo se comportan los campos que transmiten las fuerzas, como la fuerza electromagnética, en un espacio plano. Los científicos siguen trabajando para adaptarla y poder describir estos campos también en espacios curvos, como los que se encuentran cerca de objetos muy masivos.
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¿Cómo empezó la teoría cuántica de campos?
En 1926, varios científicos como Max Born, Pascual Jordan y Werner Heisenberg dieron los primeros pasos para crear la teoría cuántica de campos. Imaginaron que los campos (como el campo electromagnético) podían verse como muchos pequeños "osciladores" vibrando. Luego, aplicaron las reglas de la mecánica cuántica a estos osciladores.
Esta primera versión funcionaba bien cuando no había partículas cargadas. A este método se le llama ahora "teoría libre".
El aporte de Paul Dirac
En 1927, Paul Dirac creó el primer modelo completo de la electrodinámica cuántica. Esta teoría unía el campo electromagnético con la materia cargada, como los electrones, de una manera totalmente cuántica.
Gracias a este modelo, se pudo entender cómo un electrón puede emitir un fotón (una partícula de luz) cuando cambia a un estado de menor energía. Por ejemplo, cuando un átomo emite luz, es porque sus electrones cambian de nivel de energía y liberan fotones. Entender estos procesos es una de las grandes fortalezas de la teoría cuántica de campos.
Desarrollo en la primera mitad del siglo XX
Desde el principio, los científicos se dieron cuenta de que una teoría cuántica del electromagnetismo debía incluir las ideas de la relatividad especial de Albert Einstein. Esta necesidad de unir la mecánica cuántica con la relatividad fue clave para el avance de la teoría cuántica de campos.
En 1928, Pascual Jordan y Wolfgang Pauli demostraron que los campos cuánticos se comportaban correctamente bajo las reglas de la relatividad especial. Esto significaba que las mediciones en diferentes puntos del espacio no se afectaban entre sí de forma instantánea.
La ecuación de Dirac y sus soluciones
El descubrimiento de la ecuación de Dirac fue un gran impulso. Esta ecuación describía una partícula de forma cuántica y relativista. Al principio, tenía algunos problemas, como la aparición de "estados de energía negativa". Sin embargo, los científicos como Wendell Furry, Robert Oppenheimer y Vladimir Fock descubrieron que estos problemas desaparecían si se entendía la ecuación como una descripción de un campo.
Otro factor importante fue la necesidad de manejar sistemas con muchas partículas idénticas de forma sencilla. En 1927, Jordan intentó extender la cuantización a las funciones de onda de múltiples partículas. En 1928, Jordan y Eugene Wigner encontraron una forma especial de describir los electrones y otras partículas similares usando "operadores de creación y destrucción".
El problema de las "infinitudes" y la renormalización
A pesar de sus éxitos, la teoría cuántica de campos tenía un problema serio: al calcular algunas cantidades físicas, los resultados daban "infinito", lo cual no tenía sentido. Este problema se llamó "el problema de las divergencias".
En los años 1940, científicos como Hans Bethe, Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger, Richard Feynman y Freeman Dyson encontraron una solución a este problema. Desarrollaron un método llamado renormalización. Este método permitió obtener resultados finitos y con sentido.
Este avance llevó a la creación de la moderna electrodinámica cuántica (conocida como QED por sus siglas en inglés), que es una de las teorías más precisas de la física.
Avances en la segunda mitad del siglo XX
A partir de los años 1950, con el trabajo de Chen Ning Yang y Robert Mills, la QED se extendió a un tipo de teorías más general llamadas teorías de gauge. Estas teorías son muy importantes porque describen las fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Esto llevó al desarrollo de dos nuevas teorías de gauge:
- El modelo electrodébil: que unifica la fuerza electromagnética y la fuerza débil (responsable de la desintegración de algunas partículas).
- La cromodinámica cuántica: que describe la fuerza fuerte (la que mantiene unidos a los protones y neutrones dentro del núcleo de los átomos).
Estas teorías son la base del modelo estándar de física de partículas, que describe todas las partículas elementales conocidas y cómo interactúan entre sí.
Unificación electrodébil
La parte de la interacción débil del modelo estándar fue desarrollada por Sheldon Glashow. Más tarde, Steven Weinberg y Abdus Salam le añadieron el mecanismo de Higgs, que explica cómo las partículas adquieren masa. La validez de esta teoría fue demostrada por Gerardus 't Hooft y Martinus Veltman.
Cromodinámica cuántica
Hacia 1970, la interacción fuerte era la única fuerza subatómica importante que no se había descrito correctamente. Los avances en las teorías de gauge llevaron a construir una teoría para las interacciones fuertes basada en un tipo de simetría llamada SU(3). Esta teoría es la cromodinámica cuántica.
Desarrollos recientes
La teoría cuántica de campos sigue evolucionando. Algunos de los campos de estudio más recientes incluyen:
- Teoría cuántica de campos algebraica (AQFT)
- Teoría cuántica de campos axiomática
- Teoría cuántica de campos topológica (TQFT)
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