Teoria quantistica dei campi

Teoria quantistica dei campi Teoria formale che, attraverso il procedimento detto di “seconda quantizzazione”, estende la meccanica quantistica ai campi dinamici, fornendo la spiegazione di fenomeni non interpretabili alla luce della teoria classica. La teoria riesce a spiegare, ad esempio, la generazione e l’assorbimento di particelle durante eventi di collisione; la conversione dell’energia della radiazione elettromagnetica in una coppia di particelle e, reciprocamente, la loro “annichilazione”; l’energia di punto zero, ovvero l’energia di cui è dotato ciascun sistema quantistico nel suo stato fondamentale; l’esistenza delle antiparticelle, corrispondenti “speculari” delle particelle reali, caratterizzate dal possedere carica e parametri quantistici di valore opposto e simmetrico rispetto a quello delle particelle; e, ancora, nell’ambito della fisica dello stato solido, i fenomeni della superconduttività e della superfluidità.

Nel modello fornito dalla teoria quantistica dei campi, le particelle sono rappresentate dallo stato eccitato di un campo quantizzato. Così, nell’ambito dell’elettrodinamica quantistica (QED), la teoria nata dall’applicazione della teoria quantistica dei campi all’interazione elettromagnetica, i fotoni appaiono automaticamente nella teoria come quanti del campo elettromagnetico. La QED fu la prima teoria quantistica di campo: formulata per la prima volta a metà degli anni Venti da Paul Dirac, ebbe la sua versione definitiva intorno alla fine degli anni Quaranta, quando i fisici statunitensi Richard Feynman e Julian Schwinger e il fisico giapponese Shinichiro Tomonaga incorporarono le equazioni della elettrodinamica quantistica con quelle della relatività ristretta, ottenendo una teoria basata su equazioni relativisticamente invarianti.

Il successo della QED, dovuto in parte alla bellezza del formalismo e alla semplicità delle equazioni su cui si basa, in parte alle numerosissime conferme sperimentali che seguirono, indusse i fisici ad applicare il procedimento di seconda quantizzazione anche agli altri tipi di interazione. Nacquero così la cromodinamica quantistica (QCD), per l’interazione forte, e la teoria per l’interazione debole, che confluì ben presto, insieme all’elettrodinamica quantistica, nella teoria elettrodebole a opera dei fisici statunitensi Sheldon Glashow e Steven Weinberg e del fisico pakistano Abdus Salam. La QCD, la teoria elettrodebole e la relatività generale costituiscono l’ossatura del cosiddetto Modello standard, il modello che, a tutt’oggi, meglio descrive le famiglie di particelle e le interazioni fondamentali esistenti in natura.

Il Modello standard prevede che, nei primissimi istanti di vita dell’universo, le interazioni fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale) fossero fuse in un’unica forza e che sia stato l’abbassarsi della temperatura cosmica a produrne la differenziazione. Oggi, l’obiettivo comune alla maggior parte dei fisici teorici è appunto riuscire a individuare le leggi che regolano tale forza originale e a organizzarle in una teoria che unifichi le diverse interazioni note, già battezzata Teoria della Grande Unificazione (GUT, Grand Unifying Theory). Qualche problema di natura formale, che complica l’assetto matematico delle teorie di campo – risolto in maniera non del tutto convincente dal cosiddetto “metodo di rinormalizzazione” – insieme al fatto che ancora manca un’opportuna teoria quantistica per l’interazione gravitazionale fanno sì che la GUT non abbia ancora trovato una soddisfacente formulazione definitiva.