Física cuántica, rama de la física que estudia el
comportamiento de las partículas teniendo en cuenta su dualidad
onda-corpúsculo. Esta dualidad es el principio fundamental de la teoría
cuántica; el físico alemán Max Planck fue quien estableció las bases de esta
teoría física al postular que la materia sólo puede emitir o absorber energía
en pequeñas unidades discretas llamadas cuantos.
Cuanto, cantidad elemental de energía proporcional
a la frecuencia de la radiación a la que pertenece.
Para la física clásica, un oscilador de cierta frecuencia
podía emitir cualquier parte de su cantidad total de energía sin importar su
valor. En 1900, Max Planck, para justificar el espectro de emisión de un cuerpo
negro, enunció su hipótesis según la cual el contenido energético de un
oscilador puede ser sólo un múltiplo entero de la magnitud hf, a la que se
denomina cuanto de energía, y en donde f es la frecuencia de su vibración y h
la constante de Planck igual a 6,62 · 10-34 Js (joules). En realidad, los cuantos o
unidades de radiación son tan pequeños que la radiación nos parece continua.
Einstein, en 1905, explicó el efecto fotoeléctrico
utilizando la teoría de los cuantos, admitiendo que la luz se traslada por el
espacio en forma de cuantos. A este cuanto de radiación se le dio
posteriormente el nombre de fotón.
Teoría cuántica de campos, teoría formal que, mediante el
procedimiento denominado de segunda cuantificación, extiende la mecánica
cuántica a los campos dinámicos, proporcionando la explicación de fenómenos que
no se pueden interpretar a la luz de la teoría clásica. La teoría explica, por
ejemplo, el proceso de creación y absorción de partículas durante los casos de
colisión; la creación de parejas de partículas en presencia de energía
suficientemente alta, y su consiguiente aniquilación; la energía de punto cero,
por la cual un sistema cuántico, en su estado fundamental, posee una energía
que no es nula; la existencia de la antimateria, por la que a cada partícula
elemental corresponde una partícula igual en todo a ella, pero diferente por la
carga eléctrica o por alguna otra propiedad cuántica, y también, en el ámbito
de la física del estado sólido, los fenómenos de la superconductividad y de la
superfluidez.
En el modelo que ofrece la teoría cuántica de campos, las
partículas están representadas como los estados excitados cuantizados de los
campos correspondientes. Así, en el ámbito de la electrodinámica cuántica —la
teoría surgida de la aplicación de la teoría cuántica de campos a la
interacción electromagnética—, el fotón y el electrón se definen como los
cuantos del campo electromagnético. La electrodinámica cuántica fue la primera
de las teorías cuánticas de campo, formulada hacia finales de la década de 1920
por los fundadores de la mecánica cuántica. A finales de la década de los
cuarenta, los físicos estadounidenses Richard Feynman y J. Schwinger, junto con
el físico japonés S. Tomonaga, reformularon la teoría cuántica de campos a la
luz de los principios de la relatividad, ofreciendo una exposición
relativistamente invariante.
Las consecuencias más importantes de esta operación fueron
la previsión de la existencia de la antimateria y la determinación de la
relación existente entre el espín de las partículas y el tipo de estadística
seguido por éste, con la distinción entre partículas de Fermi-Dirac, o
fermiones, y partículas de Bose-Einstein, o bosones. El éxito de la
electrodinámica cuántica, debido a la eficacia del formalismo introducido por
ella y a las numerosas confirmaciones experimentales que siguieron, indujo a
los físicos a aplicar el esquema formal de la teoría cuántica de campos a otros
tipos de interacción (fuerzas fundamentales) conocidos en la naturaleza. De ahí
surgieron la cromodinámica cuántica, para la interacción fuerte, y la teoría de
la interacción débil, que confluyó pronto, junto a la electrodinámica cuántica,
con la teoría electrodébil del físico estadounidense Steven Weinberg y del
físico paquistaní Abdus Salam. La cromodinámica cuántica, la teoría
electrodébil y la relatividad general constituyen el denominado modelo
estándar.
Algunas dificultades de naturaleza formal, que complican el
equilibrio matemático de estas teorías de campo —haciendo necesarios
procedimientos de ‘renormalización’—, junto al hecho de que falta aún una
teoría cuántica apropiada para la interacción gravitacional, son la causa de
que la unificación de las diversas interacciones conocidas en una única teoría
denominada teoría del todo no haya encontrado todavía una formulación
definitiva.
