Quantum effects in curved spaces: from the particle concept to field theory

Authors

  • Sandro Dias Pinto Vitenti Universidade Estadual de Londrina

DOI:

https://doi.org/10.47456/Cad.Astro.v6n2.49699

Keywords:

quantum field theory, curved spacetime, quantum vacuum, particle concept, cosmological constant, quantum cosmology, general relativity

Abstract

Quantum field theory is currently the most accurate description of matter, but this framework is the result of a long evolution of the concept of particle in physics. In this article, we trace this development: starting from classical mechanics, where particles are treated as point-like objects; moving to quantum mechanics, where they are described as waves associated with probabilities; and finally arriving at quantum field theory, where particles appear as excitations of fundamental fields. We show that in curved or expanding spacetimes, the definition of a particle is no longer unique: different observers can adopt different vacuum states and consequently identify particles in different ways. We also discuss the role of the quantum vacuum and its connection to the cosmological constant problem, one of the major open questions in contemporary physics. By connecting quantum theory, general relativity, and cosmology, the article addresses both the progress achieved and the conceptual challenges that remain in describing the universe at its most extreme scales.

Author Biography

  • Sandro Dias Pinto Vitenti, Universidade Estadual de Londrina

    Graduado em Física Bacharelado pela Universidade de Brasília em 2003, com mestrado em Física pela mesma instituição concluído em 2005 e doutorado pelo Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas em 2011, possui formação acadêmica e experiência na área de cosmologia e física teórica. Atualmente, ocupa o cargo de professor adjunto na Universidade Estadual de Londrina, atuando principalmente nas áreas de cosmologia primordial, gravitação e cosmologia quântica, teoria quântica de campos em espaços curvos, cosmologia numérica, análise de dados e aglomerados de galáxias como sondas cosmológicas. Suas contribuições para a pesquisa nessa área incluem o desenvolvimento da biblioteca de cosmologia numérica e análise de dados denominada "Numerical Cosmology library" (NumCosmo), a qual implementa diversos algoritmos de estatística, análise de dados e cálculo de observáveis astrofísicos e cosmológicos, sendo de grande utilidade para a comunidade científica. Além disso, é membro do Laboratório Interinstitucional de e-Astronomia (LIneA) e desempenha papel de investigador principal em colaborações internacionais, como o Legacy Survey of Space and Time (LSST) e o Dark Energy Science Collaboration (DESC).

References

[1] B. Greene, The Fabric of the Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality (Penguin Books Limited, 2005).

[2] S. Carroll, Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime (Penguin Publishing Group, 2020).

[3] S. Hawking, A Brief History of Time (Random House Publishing Group, 2011).

[4] N. Birrell e P. Davies, Quantum Fields in Curved Space, Cambridge Monographs on Mathematical Physics (Cambridge University Press, 1984).

[5] R. Wald, Quantum Field Theory in Curved Spacetime and Black Hole Thermodynamics, Chicago Lectures in Physics (University of Chicago Press, 1994).

Published

29-10-2025

How to Cite

[1]
S. D. P. Vitenti, “Quantum effects in curved spaces: from the particle concept to field theory”, Cad. Astro., vol. 6, no. 2, p. 27–41, Oct. 2025, doi: 10.47456/Cad.Astro.v6n2.49699.