Para comprender los “campos físicos” necesita un pequeño salto conceptual y para eso necesita conocer un poco de historia.
En el marco mecanicista newtoniano, se cree que toda la realidad física está hecha de partículas de materia que se mueven en el espacio vacío de acuerdo con las leyes de movimiento de Newton. Cuando chocan, se impulsan el uno al otro. Dos partículas de materia pueden interactuar entre sí a distancia (ya sea por gravedad o por fuerza electrostática o fuerza magnetostatica). Esta fuerza de interacción siempre actúa a lo largo de la línea que une las dos partículas. El programa de investigación mecanicista fue simple y llano. Fue para expresar las posiciones de un sistema de partículas en función del tiempo.
El mejor éxito de este programa de investigación fue obviamente el sistema solar. Otra fue la teoría del calor en forma de teoría cinética. Aunque este programa sufrió algunas dificultades técnicas en situaciones como muchos sistemas del cuerpo, en general fue un gran éxito durante unos 150 años.
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La primera pista de que este programa era demasiado restrictivo vino con la investigación de Michael Faraday y otros cuando se observó que a veces, cuando las partículas cargadas estaban en movimiento relativo, interactuaban con una fuerza que no actuaba en la línea de su unión.
Se introdujo el concepto de campo. Al principio, se pensaba que era solo un mapa, una representación gráfica conveniente de la fuerza experimentada por una carga de prueba
en el espacio. “Campo” no tenía ninguna existencia “real”. Pero pronto se dio cuenta de que “campo” era mucho más que un mapa, era algo “real” de lo contrario
¡No podía hacer la electrodinámica de Maxwell! Si sacudes una carga “aquí”, hará que una segunda carga vibre “allí” después de un tiempo. Dentro de este período de tiempo, la energía y el impulso de la primera carga deben ser transportados por el campo, de lo contrario no podría ahorrar energía y principios de conservación del impulso. Y como el campo tenía que ser el asiento de la energía y el impulso, tenía que ser algo real.
Pero la gente continuó aferrándose a la filosofía mecanicista. Entonces pensaron que el campo tenía que ser algún medio mecánico que llamaran éter. Cuando coloca una carga eléctrica, crea una tensión en el medio (éter). Se pensaba que las ondas electromagnéticas propagaban ondas en este medio de éter.
Pero, el modelo del éter se volvió más y más feo con el tiempo. Tenía que tener características muy peculiares para dar cuenta de todos los hechos conocidos del campo electromagnético. ¡Debe ser muy elástico (porque la luz tiene una velocidad muy alta) pero extremadamente delgado (ya que no resiste el movimiento de los planetas u otras partículas materiales de manera apreciable)! ¡También debe ser gelatinosa (ya que la luz es ondas transversales) y debe tener algunos engranajes y ruedas internos!
A medida que se hizo más y más artificial, se hizo evidente que el campo electromagnético tenía que considerarse mejor como algo fundamental y sus propiedades no se podían derivar de la mecánica. Debe ser tan fundamental como las partículas de materia, si no más. ¡O quizás los campos son aún más fundamentales que las partículas materiales! El antiguo programa de investigación de física se derrumbó y un nuevo programa de investigación despegó donde irónicamente se comenzó a sospechar que las partículas de material eran algún tipo de nudos en el campo. Finalmente, la relatividad especial mostró que el éter era totalmente innecesario.
Por lo tanto, debe pensar en el “campo” como una nueva entidad fundamental. Puede imaginarlo mejor tratándolo como un sistema, que consta de un número infinito de osciladores (uno para cada uno de sus infinitos grados de libertad). En casi todos los casos conocidos, puede asociar una densidad lagrangiana a este campo y la ecuación de Euler-Lagrange correspondiente le proporciona las ecuaciones del campo.
En la teoría del campo cuántico, la realidad es un conjunto de campos cuánticos y las partículas son excitaciones del campo.
