Física Teórica: Teoria quântica de campos
A Teoria Quântica de Campos é a aplicação conjunta da mecânica quântica e da relatividade especial aos campos que fornecem a estrutura teórica usada na física de partículas e na física da matéria condensada. Em particular, a teoria quântica (tradicionalmente abreviada como QED, do inglês "Quantum EletroDynamics"), é a teoria provada experimentalmente com maior precisão na Física. Resumidamente, pode-se dizer que a teoria quântica dos campos é uma teoria criada com o objetivo de descrever os campos de forma quantizada (na denominação mais antiga se chama segunda quantização). Por outro lado, a mecânica quântica lida essencialmente com a quantização da matéria e da energia. A teoria quântica dos campos considera tanto as partículas que compõem a matéria (quarks e leptóns) quanto os condutores de força (bósons mensageiros) como excitações de um campo fundamental de energia mínima não-nula (vácuo).
A noção de campo surgiu inicialmente como uma construção matemática "conveniente" para descrever as forças, que são conceitos centrais na mecânica de Newton. Entretanto, no século XIX, devido principalmente aos trabalhos de Maxwell, o conceito de campo passa a ocupar o papel central na descrição física da realidade. De fato, a mudança foi ainda maior, porque foi então que surgiu a primeira grande unificação da física: a relação entre campos elétricos e magnéticos, bem como o reconhecimento de que a luz (óptica) é uma manifestação particular deste campo eletromagnético.
O eletromagnetismo foi a "raison d’être" do surgimento da relatividade. Com a inadequação das transformações de Galileu quando aplicadas à equação de onda tridimensional, surgiu um dilema: ou se preservava a mecânica clássica e abandonava-se o nascente eletromagnetismo, ou se preservava este e abandonava-se quase três séculos de previsões solidamente confirmadas pela experimentação. O caminho foi achado, surpreendemente, numa espécie de conciliação entre as duas alternativas. Inicialmente, Woldemar Voigt derivou em 1887 um conjunto de relações, baseado apenas na equação de onda ordinária, devida a Jean D'Alembert. Essas relações eram transformações espaciais e temporais que deixavam invariante a forma desta equação. Estas relações são as que se conhecem como transformações de Loretz-Fitzgerald, cientistas que redescobriram estas transformações mais tarde. Em particular, Lorentz o fez num contexto diferente, na tentativa de se reconciliar as teorias do éter com os resultados de experiências físicas, tais como a de Michelson-Morley. Einstein então entra em cena, com seu trabalho seminal de 1905, "Sobre a Eletrodinâmica dos Corpos em Movimento", onde introduz a relatividade, interpretando corretamente as transformações de Lorentz-Fitzgerald como alterações do espaço e do tempo em função da velocidade relativa entre os referenciais.
Em Física, um campo é a atribuição de uma quantidade a todo ponto do espaço. Por exemplo, pode-se falar de campo gravitacional, que atribui um potencial gravitacional a cada ponto do espaço. As isotermas mostradas diariamente nos boletins meteorológicos são uma imagem de um campo de temperatura ou térmico na superfície terrestre. Os campos são classificados por simetrias de espaço-tempo ou por simetrias internas. Os campos podem ser quantidades estruturadas, isto é, formadas por diversas componentes. Assim, por exemplo, o campo gravitacional é um campo vetorial, como o campo elétrico ou o campo magnético, quantidades que associam três valores a cada ponto do espaço em cada instante de tempo - a saber, as suas componentes num dado sistema de coordenadas. Além da necessidade de possuir um dado número de componentes, elas precisam obedecer uma dada lei de transformação para que se trate, efetivamente, de um vetor. Em física clássica, por exemplo, a magnitude de um vetor precisa ser invariante sob rotações espaciais. A Teoria de Campos refere-se usualmente à construção da dinâmica de um campo, isto é, à especificação de como um campo muda com o tempo. Usualmente, isso é feito em se desenhando uma Lagrangiana ou uma Hamiltoniana do campo, e tratando-o como na Mecânica clássica (ou na Mecânica quântica) de um sistema com um infinito número de graus de liberdade.
A mecânica quântica é a teoria física que obtém sucesso no estudo dos sistemas físicos cujas dimensões são próximas ou abaixo da escala atômica, tais como moléculas, átomos, elétrons, prótons e de outras partículas subatômicas, muito embora também possa descrever fenômenos macroscópicos em diversos casos. A Mecânica Quântica é um ramo fundamental da física com vasta aplicação. A teoria quântica fornece descrições precisas para muitos fenômenos previamente inexplicados tais como a radiação de corpo negro e as órbitas estáveis do elétron. Apesar de na maioria dos casos a Mecânica Quântica ser relevante para descrever sistemas microscópicos, os seus efeitos específicos não são somente perceptíveis em tal escala. Por exemplo, a explicação de fenômenos macroscópicos como a super fluidez e a supercondutividade só é possível se considerarmos que o comportamento microscópico da matéria é quântico. A quantidade característica da teoria, que determina quando ela é necessária para a descrição de um fenômeno, é a chamada constante de Planck, que tem dimensão de momento angular ou, equivalentemente, de ação. A mecânica quântica recebe esse nome por prever um fenômeno bastante conhecido dos físicos: a quantização. No caso dos estados ligados (por exemplo, um elétron orbitando em torno de um núcleo positivo) a Mecânica Quântica prevê que a energia (do elétron) deve ser quantizada. Este fenômeno é completamente alheio ao que prevê a teoria clássica.
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