¿Cómo prueban los científicos que existen campos?

Desde el punto de vista matemático del punto, los campos existen porque hay un valor de cantidad física para cada punto de cada campo cuántico en el espacio-tiempo. En la teoría cuántica de campos, este es solo un marco matemático que funciona muy bien. Pero no se ha demostrado que exista físicamente.

Para probarlo, tenemos que responder preguntas como la siguiente pregunta:

En electrodinámica cuántica (QED), una partícula cargada emite partículas de fuerza de intercambio continuamente. Este proceso no tiene efecto sobre las propiedades de una partícula cargada, como su masa y carga. ¿Cómo es explicable? Si una partícula cargada como generador tiene una salida conocida como fotón virtual, ¿cuál será su entrada?

Si existe la energía del punto cero en el espacio (vacío), ¿cómo podemos explicar la energía del punto cero sin utilizar el principio de incertidumbre?

En los últimos años, se han realizado grandes esfuerzos que son considerables. Por ejemplo, “Los científicos crean fotones reales a partir de los virtuales”

Los investigadores afirman haber detectado las fluctuaciones teóricas directamente.

Esquema para la generación de tiempo bloqueado y la detección de transitorios cuánticos por muestreo electroóptico. De: Subciclo electrodinámica cuántica

Necesitamos describir las fluctuaciones cuánticas sin usar el principio de incertidumbre como se muestra a continuación. Para redefinir el gravitón, la mejor manera es describir la interacción fotón-gravitón. Se ha descrito el cambio de frecuencia del fotón en el campo gravitacional.

Podemos describir los mecanismos de producción de energía de punto cero. Cuando la densidad del gravitón aumenta en el espacio, varios gravitones con la masa de partículas NR m (G) son adyacentes entre sí y las interacciones se registran y se convierten en cargas de color y un número de gravitones se convierte en color magnético. Finalmente, las energías sub cuánticas producen fotones virtuales, y los fotones virtuales forman el fotón real. Sobre la energía del vacío, incluso en ausencia de los fotones en el vacío, las ecuaciones de Maxwell pueden generalizarse en el vacío, como sigue;

Al cambiar el campo eléctrico de fotones, el campo magnético también cambia. También en este caso, los gravitones se convierten en partículas portadoras magnéticas y entran en la estructura del fotón que viene dada por;

Donde i, j son números naturales. Cuando la densidad del gravitón aumenta en el espacio, los gravitones interactúan entre sí y adquieren un campo eléctrico y magnético y producen la energía del electromagnetismo.

Leer más: La respuesta de Hossein Javadi a las partículas virtuales no existe, pero bajo ciertas condiciones, se pueden separar y ser “reales”. Cuando esto sucede, ¿se vuelven reales?

La respuesta de Hossein Javadi a ¿Existe un vínculo entre la debilidad de la gravedad y la disparidad entre la materia y la antimateria?

La respuesta de Hossein Javadi a ¿Qué principio puede potencialmente sustituir 4 fuerzas fundamentales en física? ¿Es el principio de menor acción?

No puedes probar esto. Tanto la imagen de partículas como la imagen de campo conducen a las mismas ecuaciones y, por lo tanto, a los mismos resultados. Solo puede elegir sobre la base de qué concepto tiene más sentido. Lea el siguiente extracto del Capítulo 10 de mi libro que, por cierto, está disponible de forma gratuita en quantum-field-theory.net:

Para aquellos que creen que hay una realidad y que quieren entenderla, Robert Oerter describió la elección de esta manera:

¿Ola o partícula? La respuesta: Ambas, y ninguna. Podrías pensar en el electrón o el fotón como una partícula, pero solo si estuvieras dispuesto a dejar que las partículas se comporten de la extraña manera descrita por Feynman: aparecer de nuevo, interferir entre sí y cancelarse. También podría pensarlo como un campo u onda, pero tenía que recordar que el detector siempre registra un electrón o ninguno, nunca la mitad de un electrón, sin importar cuánto se haya dividido o extendido el campo. Al final, ¿es el campo solo una herramienta de cálculo para decirle dónde estará la partícula, o las partículas son solo herramientas de cálculo para decirle cuáles son los valores del campo? Elige tu opción. – R. Oerter ( O2006 , cap. 6: “Las partículas de Feynman, los campos de Schwinger”, p. 128)

Pero antes de elegir, echemos un vistazo a algunas de las cosas que QFT ha logrado:

QFT explica por qué el detector siempre registra un electrón o ninguno.

QFT proporciona una derivación simple de e = mc 2 y le da un significado.

QFT explica el principio de exclusión de Pauli.

QFT explica por qué los cuantos de materia actúan como partículas.

QFT explica por qué la cantidad de neutrones en un núcleo es limitada.

QFT explica por qué los campos de fuerza se convierten en campos clásicos en el límite de muchos cuantos.

QFT explica el mecanismo de Higgs.

QFT ofrece dos posibles explicaciones para la materia oscura.

QFT explica el zoológico subatómico (“uno de los mayores logros científicos de todos los tiempos”).

QFT explica las paradojas de la relatividad especial.

En QFT el tiempo es diferente del espacio.

QFT es compatible con la relatividad general.

en QFT (y en relatividad general) la gravedad es un campo de fuerza, no una curvatura

del espacio-tiempo.

QFT (y la relatividad general) explica las ondas de gravedad como oscilaciones en este campo.

QFT explica cómo se detectaron estas ondas.

QFT explica la dualidad onda-partícula.

QFT explica el Principio de incertidumbre (campos dispersos en el espacio)

QFT ofrece una solución al problema de medición.

QFT ofrece una explicación de la “acción espeluznante a distancia” de Einstein.

Bueno, ¡esa es una lista de logros! Con todo eso, seguramente debe preguntarse por qué QFT no ha sido aceptado, si no aceptado, por la comunidad física y el público. Bueno, hay un inconveniente. Para cosechar esos beneficios, debemos aceptar que:

Los campos cuánticos se describen matemáticamente por vectores en el espacio de Hilbert, no por números simples.

QFT no nos dice cómo interactúa un cuanto con su propio campo

QFT no nos dice por qué o cuándo ocurre el colapso cuántico.

El colapso cuántico es instantáneo (es decir, no local).

Y así, querido lector, espero que, como Frank Wilczek, Steven Weinberg, Sean Caroll, Art Hobson, Julian Schwinger (y yo), elija QFT: la única teoría que ofrece una imagen de la realidad que es comprensible y tiene sentido . Y quizás algún día la comunidad de física finalmente abandonará el barco QM hecho de partículas que flotan en un mar de paradoja para navegar más suavemente en los mares de campos cuánticos.

“Testabilidad” se refiere a la teoría, más que a los elementos reificados de ella. Los “campos” de la teoría de campos son un artefacto de la forma en que se formula la teoría. Probablemente podría reformular la teoría de una manera diferente, pero mientras hiciera las mismas predicciones matemáticas, serían “la misma teoría”. La formulación de la teoría es una conveniencia para que las personas hablen sobre ella y la conceptualicen, pero no es un compromiso ontológico. Son las predicciones de la teoría las que cuentan.

De esa manera, QFT, y en particular el Modelo Estándar, es la teoría más exitosa de todos los tiempos. Predice, desde sus primeros principios, con una precisión extraordinaria, el comportamiento de electrones y fotones hasta una docena de decimales. Predijo la existencia de varias partículas nuevas que se encontraron más tarde, incluido el bosón de Higgs. Si los campos son “reales” es irrelevante. Lo que cuenta es que hay una protuberancia en el gráfico del solenoide de muón compacto, y eso es algo que sin duda es “real” como cualquier cosa puede ser.

La dificultad con la teoría de cuerdas es que un gráfico comparable requeriría cantidades de energía absurdas, pero no imposibles. Esto es cierto independientemente de qué teoría se proponga para una teoría más allá del Modelo Estándar; Las acusaciones de que la teoría de cuerdas es de alguna manera única a este respecto son el resultado de luchas internas académicas y, francamente, son una mierda.

Al igual que con los campos, no importa si las cadenas son “reales” o no. Las preguntas sobre lo que es “real” se relegan mejor a los filósofos, es decir, se ignoran. Lo que importa es si obtienes resultados correctos de la teoría. Eso, la teoría cuántica de campos indudablemente lo hace. Puede tratar de encontrar formulaciones alternativas, pero estará enganchado para (a) reproducir todos sus resultados experimentales y (b) mostrar que su explicación es tan conveniente y útil como la existente.

Los campos son un componente central en la formulación matemática de las teorías más exitosas en física, desde el electromagnetismo hasta la relatividad general y la teoría cuántica de campos. Sin embargo, los científicos no han probado y nunca podrán probar que los campos, o cualquier otro componente de nuestro modelo matemático, realmente “existan” de la misma manera que “existen” las mesas y las sillas.

Como elegiste la mecánica cuántica como uno de los temas de las preguntas, supongo que te estás refiriendo a los campos cuánticos. Incluso si no, es mejor hablar de campos cuánticos, ya que los campos clásicos (como los campos eléctricos y magnéticos) pueden derivarse de los cuánticos, pero no al revés.

La teoría del campo cuántico es un marco matemático basado en el concepto matemático de un campo (una función que tiene algún valor en cada punto del espacio-tiempo), junto con las herramientas matemáticas de la mecánica cuántica.

Usando este marco podemos construir un modelo de la Naturaleza eligiendo los tipos de campos que nos gustaría tener y sus diversas propiedades e interacciones. Luego usamos este modelo para derivar predicciones para resultados experimentales.

Cuando realizamos estos experimentos para probar la teoría, encontramos que los resultados concuerdan con nuestras predicciones con una precisión muy alta. Por lo tanto, se puede decir que los científicos han demostrado que la teoría cuántica de campos proporciona una descripción muy precisa de la naturaleza.

De hecho, la teoría cuántica de campos se considera una de las teorías más precisas de la naturaleza que tenemos actualmente. Entonces, ¿es “cierto”? ¿Los campos cuánticos realmente “existen”? Nadie sabe. Algunos te dirán que la pregunta en sí misma no tiene sentido.

¿Porqué es eso? Bueno, escribimos algunas ecuaciones e hicimos algunos cálculos, y resultaron ser correctos con cierto grado de precisión. Basamos nuestras ecuaciones y cálculos en la premisa de que los campos “existen”. Sin embargo, mañana alguien más podría inventar un modelo totalmente diferente, sin campos, cuyas predicciones concuerdan con el experimento con una precisión aún mayor. Si creemos que los campos existen ahora, ¿dejarán de existir repentinamente después de que se publique esa teoría más exitosa?

De hecho, muchos físicos creen que la teoría cuántica de campos es simplemente un caso especial de otra teoría más fundamental, que presumiblemente también debería incluir la gravedad. Esa teoría, que actualmente se desconoce, podría o no incluir campos como entidades fundamentales; sin embargo, tendría que reducirse a la teoría del campo cuántico a bajas energías.

PD: También preguntaste “¿Cómo prueban que un campo puede convertirse en otro campo?”. Bueno, un campo no puede convertirse en otro campo, así que eso es todo.

Otras lecturas:

• Filosofía de la ciencia: ¿Podemos decir con seguridad que existen electrones o es solo un modelo para explicar los fenómenos en el universo?
• ¿Cuál es una buena explicación para la teoría de campo cuántico para tontos?
• ¿Cuál es la relación entre una partícula y un campo?

Como suplemento a la respuesta de Alex.

Campo (física) –
Parece que Michael Faraday primero decidió usar el campo para describir el campo electromagnético. Si coloca algunos rellenos de hierro en una hoja de papel en un imán, puede visualizar el campo magnético.
Limaduras de hierro

No podemos verlos sin ayuda de cosas como limaduras de hierro o partículas cargadas. Pero podemos ver la luz, que son ondas electromagnéticas que viajan con longitudes de onda de 390 nm a 700 nm. Por supuesto, no podemos ver los campos electromagnéticos oscilantes, solo vemos chispas provenientes de donde se genera la luz.

En dinámica de fluidos, el concepto de campo también se usa muy comúnmente.

La gente encuentra el concepto de campos insatisfactorio porque parece requerir una visión dualista de la realidad donde tenemos objetos físicos que interactúan entre sí y “números flotantes en el espacio” no físicos que a veces afectan a los objetos pero a veces los dejan pasar como si Eran inmateriales.

Es mucho más satisfactorio cuando te das cuenta de que los llamados objetos “físicos” son solo un caso especial de un campo, donde se concentra mucha energía. Los objetos físicos no son una categoría fundamentalmente diferente de los campos que los rodean.

Las interacciones donde los objetos parecen tocarse entre sí son solo interacciones de corto alcance de sus campos. ¿Crees que los imanes son espeluznantes porque se afectan entre sí sin tocarse? Incorrecto: ese efecto es exactamente lo que es “tocar”, los imanes simplemente se tocan entre sí desde una distancia mayor que la mayoría de los objetos.

Puede probar que los campos existen físicamente solo por observación y algo de sentido común.

Mira esta imagen de lentes gravitacionales.

¿Ves cómo la luz de fuentes distantes se deforma por la presencia de masa en primer plano?
¿Cómo sabría curvarse la luz si no hubiera un campo (métrico) entre las galaxias?

Otro ejemplo que confirma la existencia física de los campos es, por ejemplo, la ley de influencia del cuadrado inverso del campo electromagnético. Si no hubiera campos en lo que percibimos como espacio vacío y el vacío estaba realmente vacío, no sería posible ninguna interacción sin contacto físico real.

Cuando acepta la existencia física de los campos, entonces está claro que una partícula es el centro de la perturbación en el campo y la fuerza de su influencia es cómo el campo que lo rodea se altera físicamente y se carga con la energía proporcionada por la partícula.

¿Cómo prueban que un campo puede convertirse en otro campo?

Hasta donde sabemos, los campos existen por sí mismos. No recurren a otros campos. Pero pueden intercambiar energía de un campo a otro.
Vemos innumerables pruebas de esto en las colisiones de partículas de alta energía.

Por ejemplo, este es un diagrama de Feynman de aniquilación electrón-positrón en el que la energía en el campo de electrones se transfiere al campo electromagnético (radiación gamma) y viceversa.

El campo de electrones y el campo electromagnético no dejan de existir con esta transformación. Los campos en sí mismos son una parte permanente del espacio-tiempo y son los mismos (por lo que podemos decir) en todo el universo observable. Solo la energía entre ellos se intercambia (y conserva).

No sé si un ‘campo’ se convierte en otro ‘campo’. Pero, si considera que un “campo” es un conjunto de mediciones de fuerza posicional que se proyectan a partir de una carga eléctrica, entonces SÍ medimos y usamos ese “campo” todo el tiempo entre dichas cargas eléctricas. Además, según MC Physics, una carga eléctrica a una velocidad dada también proyecta un “campo” de fuerza magnética que también se puede medir y es bien conocido.