EmFísica, umcampo é umagrandeza física que possui um valor associado em todo ponto do espaço[1]. Por exemplo, pode-se falar decampo gravitacional, que atribui umpotencial gravitacional a cada ponto do espaço. Asisotermas mostradas diariamente nos boletinsmeteorológicos são uma imagem de umcampo de temperatura ou térmico na superfícieterrestre. Os campos são classificados porsimetrias de espaço-tempo ou porsimetrias internas.
Os campos podem ser quantidades estruturadas, isto é, formadas por diversos componentes. Assim, por exemplo, o campo gravitacional é um campo vetorial, como ocampo elétrico ou o campo magnético, quantidades que associam três valores a cada ponto do espaço em cada instante de tempo - a saber, as suas componentes num dadosistema de coordenadas. Além da necessidade de possuir um dado número de componentes, elas precisam obedecer uma dada lei de transformação para que se trate, efetivamente, de umvetor. Em física clássica, por exemplo, a magnitude de um vetor precisa ser invariante sob rotações espaciais.
ATeoria de Campos refere-se usualmente à construção da dinâmica de um campo, isto é, à especificação de como um campo muda com o tempo. Usualmente, isso é feito em se desenhando umaLagrangiana ou umaHamiltoniana do campo, e tratando-o como naMecânica clássica (ou naMecânica quântica) de um sistema com um infinito número degraus de liberdade.
NaFísica Clássica de Campos, um campo pode ser interpretado como uma simplesmente uma abstração de uma interação entre corpos, servindo como uma forma de isolá-los. Por exemplo, para duas partículas, nas posições
e
interagindo por uma força gravitacional, podemos tanto dizer que a força que a partícula 1 sofre é
,
quanto assimilar um campo gravitacional gerado pela partícula 2, chamadopartícula de teste, sobre o qual a partícula 1 está imersa
e, da mesma forma, a força que atua na partícula 1 é
.
Já naTeoria Quântica de Campos, o tratamento é diferente. Os campos existem mesmo sem uma partícula de teste: ocupam espaço, contêm energia, e sua presença impede um "vácuo" à maneira clássica[2]. Isso levou os físicos a considerar campos eletromagnéticos como uma entidade física.
Um campo pode ser classificado como umcampo escalar,campo vetorial,campo espinoral ou umcampo tensorial, a depender da quantidade física representada. Sua forma deve permanecer a mesma ao longo do espaço: um campo não pode assumir um valor vetorial numa posição, e um valor escalar na outra.
ParaIsaac Newton, sualei da gravitação universal simplesmente expressava a força gravitavional que atua entre qualquer par de objetos com massa. Quando se observa o movimento de muitos corpos interagindo entre si, como os planetas noSistema Solar, o cálculo da força entre cada par de corpos rapidamente torna-se computacionalmente inconveniente. No século XVIII, uma nova grandeza foi criada para simplificar o cálculo de todas essas forças gravitacionais. Essa grandeza, conhecida comoCampo Gravitacional, dada em cada ponto do espaço como a aceleração total que um pequeno objeto sofreria em tal ponto.
O surgimento de um conceito independente de campo ocorreu de fato no século XIX, com o desenvolvimento doeletromagnetismo.Em seu início,Ampére eCoulomb ainda conseguiam lidar com as leis newtonianas que expressam as forças entrecargas elétricas ecorrentes elétricas.
A natureza independente do conceito de campo se tornou mais aparente com a descoberta deMaxwell que asondas nesses campos se propagam com velocidade constante. Consequentemente, as forças nas cargas e correntes não mais dependiam apenas nas posições e velocidades de outras cargas e correntes no mesmo instante de tempo, mas também em suas posições e velocidades no passado.
Maxwell, a priori, não adotou o conceito moderno de campo como uma grandeza fundamental que poderia existir de forma independente. Em vez disso, ele supôs que o campo eletromagnético expressa a deformação em um determinado meio, chamadoÉter Luminífero, pelo qual as ondas eletromagnéticas se propagam, assim como deformações mecânicas numa membrana. Se fosse esse o caso, a velocidade observada das ondas eletromagnéticas dependeriam da velocidade do observador em relação ao Éter. Apesar de muito esforço, nenhuma evidência experimental de tal dessa hipótese foi encontrada, de forma que essa situação só foi resolvida pela introdução daTeoria Especial da Relatividade porAlbert Einstein em 1905. Essa teoria mudou a forma como referenciais de observadores em movimento inercial se comportavam uns com relação aos outros. Eles se comportam de forma que a velocidade das ondas eletromagnéticas da teoria de Maxwell seria a mesma para todos os referenciais inerciais. Ao remover a necessidade de um meio de fundo, essa teoria abriu caminhos para os físicos começarem a pensar sobre campos como entidades realmente independentes.
No final da década de 1920, as novas regras damecânica quântica foram aplicadas inicialmente aos campos eletromagnéticos. Em 1927,Paul Dirac usoucampos quânticos para explicar com sucesso como o decaimento de um átomo para umestado quântico inferior leva a umaemissão espontânea de umfóton, oquantum do campo eletromagnético. Isso foi sucedido em pouco tempo pela descoberta (seguindo o trabalho dePascual Jordan,Eugene Wigner,Werner Heisenberg, andWolfgang Pauli) de que todas as partículas, incluindoelétrons eprótons, podem ser entendidos como o quantum de algum campo quântico, elevando os campos para o status de os mais fundamentais objetos da natureza.
Referências
