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Máster y doctorado

Introducción matemática a teorías de campos

Una partícula tiene una posición en cada instante. Un campo tiene un valor en cada punto y en cada instante: por ejemplo, la altura de una cuerda. Construiremos una ecuación de campo desde su acción y comprobaremos un modo con derivadas. Trabajaremos primero con campos clásicos reales y unidades c=ℏ=1.

1. Un campo es una función del tiempo y del lugar

Escribimos φ(t,x). Al fijar t obtenemos una fotografía espacial; al fijar x seguimos un punto en el tiempo. En un modelo continuo hay infinitas coordenadas espaciales. Un campo puede ser escalar, vectorial o una sección de un fibrado, según qué valor se asigne a cada punto.

El dominio, la regularidad y los datos iniciales y de frontera forman parte del modelo. Una misma ecuación local sobre una recta infinita, un intervalo con extremos fijos o un dominio periódico representa problemas diferentes.

Leer una onda sin confundir sus variables

φ(t,x)=cos(2x−5t).

  1. Fotografía inicial

    t=0 da cos(2x).
  2. Seguir el origen

    x=0 da cos(5t).
  3. Punto concreto

    En t=π/10 y x=0 el valor es cos(π/2)=0.
Resultado

La función describe todos los puntos, no una sola trayectoria de partícula.

Lo comprobamos

Todavía no hemos dicho qué ecuación satisface.

Contar datos temporales

Una ecuación de campo contiene φₜₜ.

  1. Posición inicial

    Se especifica una función φ(0,x)=f(x).
  2. Velocidad inicial

    Se especifica otra función φₜ(0,x)=g(x).
  3. Frontera

    En un intervalo pueden imponerse extremos fijos o periodicidad, compatibles con esos datos.

Resultado

Dos funciones iniciales sustituyen las dos coordenadas de una ecuación escalar de segundo orden.

Lo comprobamos

La existencia requiere además hipótesis sobre ecuación y regularidad.

2. La acción se varía cambiando una función entera

La acción S[\varphi]=\int\mathcal L(\varphi,\partial\varphi,x)\,dt\,dx asigna un número a un campo. Probamos φ+εη, donde η es una perturbación suave de soporte compacto, o se anula apropiadamente en la frontera. La condición estacionaria es dS[φ+εη]/dε en ε=0 igual a cero para toda η admisible.

La primera variación contiene coeficientes de η y de sus derivadas. Integramos por partes para pasar las derivadas de η a los coeficientes. El control de la frontera permite usar el lema fundamental variacional y concluir una ecuación local.

Derivar una parte de la densidad

Solo mira (1/2)φₜ² bajo φ→φ+εη.

  1. Sustituir

    (1/2)(φₜ+εηₜ)².

  2. Derivar en cero

    Queda φₜηₜ.

  3. Integrar por partes

    La integral temporal es [φₜη] en los bordes menos la integral de φₜₜη.

Resultado

Anular η en los bordes elimina ese término por una razón explícita.

Lo comprobamos

No se descarta una frontera desconocida por comodidad.

Estacionario no siempre significa mínimo

Compara F(ε)=ε² y G(ε)=−ε².

  1. Primera derivada

    Ambas valen cero en ε=0.
  2. Curvatura

    F tiene mínimo y G tiene máximo.

  3. Acción

    δS=0 expresa estacionariedad; estudiar mínimo exige información adicional.

Resultado

El nombre “principio de mínima acción” no autoriza concluir mínimo en cualquier caso.

Lo comprobamos

La ecuación variacional usa la primera variación.

3. Euler–Lagrange conserva los signos de cada derivada

Para un campo escalar, \frac{\partial\mathcal L}{\partial\varphi}-\partial_\mu\left(\frac{\partial\mathcal L}{\partial(\partial_\mu\varphi)}\right)=0, sumando sobre las coordenadas. Con varias componentes hay una ecuación por campo. Podemos multiplicar toda la ecuación por menos uno sin cambiar sus soluciones.

En una dimensión espacial elegimos \mathcal L=\tfrac12\varphi_t^2-\tfrac12\varphi_x^2-V(\varphi). Los coeficientes son −V′(φ), φₜ y −φₓ.

Sustituirlos da −V′−φₜₜ+φₓₓ=0, es decir φₜₜ−φₓₓ+V′(φ)=0.

Un potencial cuadrático

V(φ)=(9/2)φ².

  1. Derivada del potencial

    V′=9φ.
  2. Ecuación

    φₜₜ−φₓₓ+9φ=0.
  3. Identificar

    En Klein–Gordon, m²=9 y m=3, tomando masa no negativa.
Resultado

El coeficiente de φ es el cuadrado de la masa en estas unidades.

Lo comprobamos

No confundimos V con V′.

Añadir una interacción

V(φ)=(m²/2)φ²+(λ/4)φ⁴.

  1. Derivar

    V′=m²φ+λφ³.
  2. Ecuación

    φₜₜ−φₓₓ+m²φ+λφ³=0.
  3. Distinguir

    Para λ≠0 ya no es la ecuación lineal libre.
Resultado

Una potencia cuarta en la energía produce una potencia tercera en la ecuación.

Lo comprobamos

Si λ<0 no se conserva la misma afirmación de energía no negativa.

4. Klein–Gordon es una ecuación de ondas con un término de masa

En varias dimensiones, para \mathcal L=\tfrac12\varphi_t^2-\tfrac12|\nabla\varphi|^2-\tfrac12m^2\varphi^2 con m≥0, obtenemos \varphi_{tt}-\Delta\varphi+m^2\varphi=0. Δ suma las segundas derivadas espaciales.

Con m=0 recuperamos ondas.

El término de masa modifica las frecuencias; no convierte esta ecuación clásica en una teoría cuántica por sí solo. Para campo real podemos trabajar con cosenos y senos, aunque las exponenciales complejas simplifiquen los cálculos.

Un campo uniforme que oscila

m=2 y φ(t,x)=3cos(2t), independiente de x.

  1. Espacio

    Δφ=0.
  2. Tiempo

    φₜₜ=−4φ.
  3. Sustituir

    −4φ+4φ=0.

    Datos iniciales: campo tres y velocidad cero.

Resultado

Un campo uniforme en el espacio puede cambiar en el tiempo.

Lo comprobamos

Su energía total es finita en un dominio periódico finito; no se afirma eso en toda la recta.

Comprobar una constante

Prueba φ(t,x)=a constante.

  1. Derivadas

    φₜₜ=Δφ=0.
  2. Condición

    Queda m²a=0.
  3. Casos

    Si m=0, toda constante sirve.
    Si m>0, solo a=0.
Resultado

La parte sin derivadas también impone una condición.

Lo comprobamos

No toda función con derivadas nulas resuelve cualquier ecuación de campo.

5. Un modo revela la relación entre frecuencia y longitud de onda

Para φ=eⁱ⁽ᵏ·ˣ⁻ᵚᵗ⁾, la segunda derivada temporal multiplica por −ω² y Δ multiplica por −|k|².

Sustituir en Klein–Gordon da (-\omega^2+|k|^2+m^2)\varphi=0.
Un modo no nulo requiere ω²=|k|²+m².
Tres fotografías de un mismo modo estacionario
φ=2 cos x · cos(2t)t=00π2πt=π/80π2πt=π/40π2πPerfil cero no significa energía cero.
Perfil espacial del campo dos coseno x por coseno dos t en un dominio periódico de cero a dos pi. Las tres filas usan la misma escala espacial y la misma escala de amplitud. En t cero la amplitud es dos; en t pi octavos es raíz de dos; en t pi cuartos el campo vale cero en todo el espacio. Este último perfil nulo no significa que la solución se haya detenido: su velocidad temporal es entonces menos cuatro coseno x. Para masa al cuadrado tres satisface Klein–Gordon y conserva energía total ocho pi. Las filas son instantes del mismo campo y no tres soluciones independientes.
La rama no negativa es ω=√(|k|²+m²).
Es estrictamente positiva salvo cuando k=0 y m=0.

En un dominio periódico los k permitidos también deben cumplir la frontera; no se eligen independientemente de ella.

Verificar un modo real

φ(t,x)=cos(2x−√13·t) y m=3.

  1. Tiempo

    φₜₜ=−13φ.
  2. Espacio

    φₓₓ=−4φ.
  3. Ecuación

    −13φ−(−4φ)+9φ=0.
Resultado

La frecuencia √13 procede de 2²+3².

Lo comprobamos

No basta verificar el signo del término temporal y omitir el espacial.

Un modo estacionario en amplitud

En [0,2π] periódico, φ=2cos x·cos(2t), con m²=3.

  1. Tiempo

    φₜₜ=−4φ.
  2. Espacio

    φₓₓ=−φ y la periodicidad se cumple.
  3. Balance

    −4φ+φ+3φ=0.
Resultado

La forma espacial cos x oscila sin trasladar su perfil.

Lo comprobamos

La suma de modos viajeros también puede producir un modo estacionario.

6. La energía intercambia parte cinética y parte de campo

El momento es π=∂ℒ/∂φₜ=φₜ.

La densidad hamiltoniana \mathcal H=\pi\varphi_t-\mathcal L=\tfrac12(\varphi_t^2+|\nabla\varphi|^2+m^2\varphi^2) es no negativa en el modelo libre. Energía total significa integrar esta densidad cuando sea integrable.

La energía pasa de campo a movimiento sin cambiar el total
El mismo modo: energía total 8πFracción de energía totalt=0t=π/8t=π/4Azul: velocidad temporalVerde: gradiente y masaCada barra suma el mismo total.
Tres barras de igual longitud representan la energía total del modo dos coseno x por coseno dos t, con masa al cuadrado tres y frontera periódica. El total es ocho pi en cada instante. En t cero toda la energía procede del gradiente y del término de masa, en verde. En t pi octavos la mitad es cinética y la mitad de campo. En t pi cuartos toda es cinética, en azul, aunque el campo y su gradiente se anulen. Se representan integrales espaciales divididas por la energía total, no densidades puntuales ni probabilidades. La ausencia de flujo neto por la frontera justifica conservar el total.

En una dimensión, derivar E e integrar por partes da un término interior φₜ(φₜₜ−φₓₓ+m²φ), que se anula por la ecuación, y el borde [φₜφₓ]. Con frontera periódica o flujo neto nulo, E se conserva.

Calcular la energía del modo dibujado

φ=2cos x·cos(2t), m²=3, dominio periódico [0,2π].

  1. t=0

    φₜ=0, φₓ=−2sin x y φ=2cos x.
  2. Integrar

    E=(1/2)∫(4sin²x+12cos²x)dx=8π.
  3. t=π/4

    φ=φₓ=0 y φₜ=−4cos x; E=(1/2)∫16cos²x dx=8π.
Resultado

La energía se conserva aunque cambie el tipo de contribución.

Lo comprobamos

No se conserva necesariamente la densidad en cada punto por separado.

Cuándo puede cambiar la energía del dominio

En [a,b], queda E′=[φₜφₓ]ₐᵇ.

  1. Extremos fijos

    Si φ=0 en los bordes para todo t, entonces φₜ=0 allí y el flujo es cero.

  2. Periódico

    Los productos en los dos extremos coinciden y se cancelan.

  3. Entrada de energía

    Con borde forzado, ese término puede no ser cero.

Resultado

La conservación total necesita las condiciones de frontera adecuadas.

Lo comprobamos

La ecuación interior sola no descarta intercambios por los extremos.

7. Noether exige una simetría continua de la acción

Una familia continua diferenciable de simetrías de la acción produce una corriente conservada sobre soluciones, bajo las hipótesis del teorema de Noether. Traslaciones temporales se relacionan con energía y espaciales con momento. Una simetría discreta no da automáticamente una corriente de ese mismo teorema.

La redundancia gauge es otra estructura importante. En el caso abeliano A→A+dχ deja F=dA inalterado porque d²χ=0, para campos suficientemente regulares. En teorías no abelianas la curvatura contiene un término de producto adicional; no se reduce toda la teoría a cambiar el nombre del campo escalar.

Desplazar un campo sin masa

Para ℒ=(φₜ²−φₓ²)/2, prueba φ→φ+a constante.

  1. Acción

    Sus derivadas no cambian; la densidad tampoco.

  2. Corriente

    j⁰=φₜ y j¹=−φₓ.
  3. Conservación

    ∂ₜj⁰+∂ₓj¹=φₜₜ−φₓₓ=0 en soluciones.
Resultado

Con masa, sumar a cambia en general el término m²φ² y esta simetría se pierde.

Lo comprobamos

No confundimos una solución constante con invariancia de toda la acción.

Un potencial cambia sin cambiar su rotacional

En el plano, A=(−y/2,x/2), χ=xy.

  1. Añadir gradiente

    ∇χ=(y,x); A′=(y/2,3x/2).
  2. Antes

    ∂ₓA_{y}−∂ᵧA_{x}=1/2−(−1/2)=1.
  3. Después

    3/2−1/2=1.
Resultado

Dos potenciales distintos describen aquí el mismo campo de curvatura.

Lo comprobamos

El ejemplo ilustra la identidad abeliana en un dominio regular.

8. Cuantizar exige más datos que variar la acción clásica

La variación produce ecuaciones clásicas. La cuantización añade un álgebra de observables no conmutativos y estados con probabilidades. En teoría cuántica de campos, los campos puntuales se tratan típicamente como distribuciones operatoriales: se integran contra funciones de prueba para formular objetos adecuados.

Los productos en un mismo punto pueden necesitar regularización y renormalización. Una expresión formal de integral de camino no demuestra por sí sola existencia de una medida rigurosa para toda interacción. Las construcciones dependen del modelo, dimensión y condiciones.

Entender una distribución antes de un operador

La delta δ actúa sobre una función de prueba f.

  1. Definición

    δ(f)=f(0).
  2. No es una altura

    No es una función ordinaria con un valor finito que sustituyamos en cero.

  3. Campo suavizado

    De forma análoga, escribir φ(f) distingue una distribución aplicada a f de un supuesto valor puntual.

Resultado

El ejemplo es una distribución escalar, no una construcción completa de campo cuántico.

Lo comprobamos

Integrar contra una prueba no autoriza cualquier producto posterior.

Separar dos tareas

Ya dedujimos φₜₜ−Δφ+m²φ=0.

  1. Tarea clásica

    Con datos y frontera, estudiar sus soluciones.

  2. Tarea cuántica

    Construir estados y observables que cumplan las relaciones requeridas.

  3. Comprobar

    Hacer la primera cuenta no cumple automáticamente la segunda tarea.

Resultado

Una ecuación llamada Klein–Gordon no es por sí sola toda una teoría cuántica.

Lo comprobamos

La distinción evita prometer resultados sin definir los objetos.

9. La dispersión no es por sí sola la velocidad de una señal

En una dimensión y rama positiva, ω(k)=√(k²+m²).

Para k≠0, la velocidad de fase es ω/k, mientras la velocidad de grupo es dω/dk=k/ω. Son conceptos distintos; la velocidad característica de la ecuación libre está fijada por su parte principal de ondas.

Las frecuencias de un modo no describen todos los datos de una solución. Al combinar modos se deben respetar realidad, frontera y condiciones iniciales. Esa secuencia mantiene conectadas acción, ecuación, solución propuesta y comprobación.

Masa y dos velocidades

m=4 y k=3.

  1. Frecuencia

    ω=√(9+16)=5.
  2. Fase

    ω/k=5/3.
  3. Grupo

    k/ω=3/5.
Resultado

Una velocidad de fase mayor que uno no prueba envío de información más rápido que la luz.

Lo comprobamos

Aquí c=1; la causalidad del campo no se deduce usando solo ω/k.

El signo de k

m=0 y k=−2.

  1. Rama positiva

    ω=|k|=2.
  2. Grupo

    Para k<0, d|k|/dk=−1.
  3. Dirección

    Frecuencia positiva y propagación hacia x decreciente son compatibles.

Resultado

Escribir ω=k sería incorrecto al exigir la rama positiva con k negativo.

Lo comprobamos

En k=0 la función |k| requiere tratar su derivada aparte.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Dispersión con masa

Con |k|=3,m=4, calcula la frecuencia positiva.

  1. Modelo

    Unidades c=ℏ=1 y campo libre con m≥0.
  2. Relación

    ω²=|k|²+m².
  3. Sustituir

    ω²=3²+4²=9+16.
  4. Sumar

    ω²=25.
  5. Elegir rama

    La frecuencia positiva es ω=5.
  6. Comprobar

    −25+9+16=0; se incorpora m², no m.
Resultado

ω=5.

Lo comprobamos

La masa contribuye al cuadrado.

EJEMPLO RESUELTO 2

Campo sin masa

Si m=0 y k≠0 en una dimensión, ¿qué relación hay entre la frecuencia positiva y k?

  1. Hipótesis

    m=0 y k≠0 en una dimensión.
  2. Relación

    ω²=k².
  3. Raíces

    ω=±|k|.
  4. Rama positiva

    Como k≠0, |k|>0; escogemos ω=|k|.
  5. Signo

    Si k<0, |k|=−k y no k.
  6. Comprobar

    El caso k=0 tendría frecuencia cero y queda fuera del enunciado.

Resultado

ω=|k|.

Lo comprobamos

No se debe escribir ω=k para todo k negativo si se exige ω>0.

Los símbolos que hemos usado

φ(x,t)
Campo escalar real en el ejemplo principal.
ℒ
Densidad lagrangiana, función del campo y sus primeras derivadas en este marco.
S[φ]
Acción: integral espacio-temporal deℒ.
Variación η
Perturbación de prueba del campo, con soporte o borde controlados.
π=∂ℒ/∂φₜ
Momento canónico del campo.
k / ω
Vector de onda / frecuencia angular del modo.
c=ℏ=1
Unidades elegidas para relacionar escalas de tiempo, longitud y masa.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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