La teoría cuántica de campos combina las ideas de otras teorías cuánticas para representar a todas las partículas como» excitaciones » que surgen en campos subyacentes. El físico británico Paul Dirac comenzó a rodar la bola a finales de la década de 1920 con su ecuación que describe cómo se comportan los electrones relativistas, y con ella la mayoría de las otras partículas de materia.
La teoría cuántica estándar desarrollada por Niels Bohr y Werner Heisenberg en la década de 1920 es adecuada para describir el funcionamiento de partículas individuales aisladas y a velocidades lentas. Pero para explicar sus interacciones en el mundo real, se necesita algo más.
En particular, es necesario combinar la teoría cuántica con la relatividad especial, la teoría de Einstein de cómo el espacio y el tiempo se deforman para las cosas que viajan a altas velocidades. La relatividad especial dice que la masa y la energía son intercambiables, como lo encarna la ecuación E=mc2. El principio de incertidumbre cuántica de Heisenberg, por su parte, dice que las partículas pueden tomar energía del vacío durante un cierto tiempo.
La ecuación de Dirac tenía una picadura en la cola: predijo la existencia de una partícula idéntica al electrón en todos los sentidos, aparte de la carga eléctrica opuesta. El positrón, la primera partícula de antimateria, fue debidamente descubierta en los rayos cósmicos unos años más tarde. Fue la primera de una colección de partículas completamente nueva que los teóricos propusieron a medida que evolucionaban las teorías cuánticas de campos – y que más tarde apareció en la realidad.
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Dos teorías cuánticas de campos 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 de las cuatro fuerzas de la naturaleza a través de interacciones de partículas de bosón portadoras de fuerza con fermiones creadores de materia.
La electrodinámica cuántica (QED) es la teoría unificada «electrodébil» del electromagnetismo y la fuerza nuclear débil, que gobierna los procesos nucleares como las desintegraciones beta radiactivas que son cruciales, por ejemplo, en cómo el sol quema su combustible.
La cromodinámica cuántica (QCD), por su parte, es la teoría de la fuerza nuclear fuerte. Transmitida por bosones llamados gluones, esta fuerza fuerte de muy corto alcance une a los quarks para formar partículas como protones y neutrones.
La gloria de coronación del modelo estándar llegó en 2012, con el descubrimiento del bosón de Higgs, predicho casi cinco décadas antes. La masa es la propiedad más sólida de la materia, y la masa de una partícula fundamental está determinada por su grado de interacción con el bosón de Higgs. De acuerdo con una teoría propuesta por primera vez en 1964, el campo similar a la melaza asociado con el Higgs proporciona un arrastre que varía según el tipo de partícula.
Lo que todavía nos falta, sin embargo, es una teoría cuántica de campo de la gravedad. Solo de las cuatro fuerzas, la gravedad no tiene partículas unidas a ella, y en su lugar se explica por la teoría general de la relatividad de Einstein como la deformación del espacio-tiempo, una olla de pescado muy diferente. Richard Webb