Teoria quantistica dei campi
La teoria quantistica dei campi (Quantum Field Theory o QFT) è la teoria fisica che unifica la meccanica quantistica con la relatività ristretta per descrivere le particelle elementari e le loro interazioni.
È il linguaggio teorico su cui si basa quasi tutta la fisica delle particelle moderna.
Perché nasce la teoria quantistica dei campi?
La meccanica quantistica tradizionale funziona bene per descrivere sistemi microscopici come atomi, elettroni, molecole.
Tuttavia, presenta un problema profondo quando si cerca di applicarla a particelle che si muovono a velocità relativistiche.
Secondo la relatività di Einstein l'energia e massa sono equivalenti e le particelle possono essere create o distrutte.
Nella meccanica quantistica ordinaria, invece, il numero di particelle è fisso. La QFT nasce proprio per risolvere questo problema.
L'idea fondamentale della QFT
La teoria quantistica dei campi parte da un'idea radicale: le particelle non sono oggetti fondamentali.
Gli oggetti fondamentali sono i campi quantistici che riempiono tutto lo spazio-tempo.
Ad esempio esiste un campo elettronico, un campo dei quark, un campo elettromagnetico, un campo del gluone, un campo di Higgs
In questa visione, le particelle sono soltanto eccitazioni quantizzate dei campi.
Ad esempio, un elettrone è una vibrazione del campo elettronico, un fotone è una vibrazione del campo elettromagnetico, un quark è una vibrazione del campo dei quark.
L'idea è concettualmente simile alle onde su una corda: la corda è il campo e le vibrazioni sono le particelle.
La differenza tra campo classico e campo quantistico
In fisica classica un campo assegna un valore a ogni punto dello spazio.
Ad esempio, il campo gravitazionale assegna una forza gravitazionale, mentre il campo elettrico assegna una forza elettrica
Nella QFT il campo viene quantizzato.
Questo significa che il campo possiede livelli discreti di energia e le sue eccitazioni si comportano come particelle
La quantizzazione del campo
Uno dei primi esempi storici è il campo elettromagnetico.
Nel XIX secolo Maxwell descriveva la luce come un'onda elettromagnetica continua.
Con la QFT il campo elettromagnetico viene quantizzato e compare il fotone.
La luce quindi possiede una doppia natura: ondulatoria e corpuscolare.
Il fotone è il quanto del campo elettromagnetico.
Le interazioni tra particelle
Nella teoria quantistica dei campi le forze derivano dall'interazione tra campi.
Per esempio, due elettroni interagiscono scambiando fotoni, i quark interagiscono scambiando gluoni, il decadimento beta invece coinvolge bosoni W.
Queste particelle di scambio sono dette bosoni mediatori.
Nota. Uno degli strumenti più famosi della QFT sono i diagrammi di Feynman. Sono rappresentazioni grafiche delle interazioni tra particelle. Per esempio, una linea può rappresentare un elettrone, una linea ondulata può rappresentare un fotone. Un urto tra due elettroni può essere rappresentato come uno scambio di un fotone virtuale. I diagrammi non sono soltanto immagini intuitive. Ogni diagramma corrisponde a un termine matematico preciso in una serie di calcoli.
Il vuoto quantistico
Uno degli aspetti più sorprendenti della QFT è il concetto di vuoto.
Nella fisica classica il vuoto è assenza di tutto.
Nella QFT il vuoto è invece uno stato fisico dinamico.
Anche nel vuoto i campi quantistici fluttuano continuamente.
Possono comparire temporaneamente coppie particella-antiparticella dette particelle virtuali.
Queste fluttuazioni hanno effetti reali misurabili, come l'effetto Casimir, le correzioni energetiche negli atomi o la polarizzazione del vuoto.
La rinormalizzazione
Quando i fisici iniziarono a fare i calcoli della QFT comparvero quantità infinite.
Per risolvere il problema fu sviluppata la rinormalizzazione.
L'idea consiste nel ridefinire le grandezze fisiche osservabili: massa, carica, costanti di accoppiamento
Inizialmente sembrava un trucco matematico. Poi si capì che era una struttura teorica profondissima.
La rinormalizzazione è oggi uno dei pilastri della fisica teorica moderna.
La teoria quantistica dei campi e il Modello Standard
La QFT costituisce la base matematica del Modello Standard
Il Modello Standard descrive quark, leptoni, gluoni, fotoni, bosoni W e Z, bosone di Higgs e tre delle quattro interazioni fondamentali (elettromagnetica, debole e forte).
La gravità non è ancora inclusa in modo soddisfacente.
Il problema della gravità quantistica
La relatività generale descrive la gravità come curvatura dello spazio-tempo.
La QFT, invece, assume normalmente uno spazio-tempo fisso.
Quando si tenta di quantizzare la gravità emergono problemi matematici enormi.
Per questo motivo la ricerca moderna studia teorie più avanzate, come la gravità quantistica, la teoria delle stringhe o la loop quantum gravity.
Perché la QFT è considerata così importante?
La teoria quantistica dei campi è una delle teorie più accurate mai costruite.
La quantum electrodynamics (QED), che è una QFT dell'interazione elettromagnetica, produce previsioni sperimentali corrette con precisioni impressionanti.
Per esempio, il momento magnetico dell'elettrone è stato verificato sperimentalmente con accordi fino a molte cifre decimali.
In particolar modo, la QFT cambia completamente il modo di vedere la realtà fisica.
Nella fisica classica gli oggetti sono fondamentali e i campi descrivono le forze.
Nella teoria quantistica dei campi, invece, i campi sono fondamentali e le particelle emergono dai campi
In questo senso, l'universo appare come una rete di campi quantistici che permeano tutto lo spazio-tempo.
E così via.
