Biología cuántica

Salvador Miret Artés

• Editorial: Los Libros de La Catarata
• Año: 2019
• ISBN:
  9788490977248
• Categoría: Sciences biologiques
• Categoría: Science générale

Desde que en 1943 Pascual Jordan acuñara el término de biología cuántica y en 1944 Erwin Schrödinger, con su libro What's life?, abriera el camino a la biología molecular se ha hablado mucho de las consecuencias de describir la vida en términos o conceptos cuánticos; en particular, de efectos triviales y no triviales. Los efectos triviales provienen del hecho que toda sustancia está hecha de moléculas, átomos, electrones, protones, etc. Más recientemente, en 2007, se produjo la primera confirmación experimental de que la mecánica cuántica podría estar detrás de procesos vitales como la propia fotosíntesis y se empezó a hablar de efectos no triviales cuánticos tales como entrelazamiento, efecto túnel, coherencia y latidos cuánticos, decoherencia, quiralidad, etc. La biología cuántica surge de la unión de la física, la química y la biología. El tema que trata es el de la propia vida. Sin lugar a dudas, toda la investigación básica llevada a cabo en la biología cuántica tendrá aplicaciones futuras directas en nuestra sociedad que conllevarán el cambio de muchos paradigmas.

CAPÍTULO 1

Etología cuántica. Algunos efectos no triviales en mecánica cuántica

Antes de comenzar a desarrollar con un poco de detalle algunos de los llamados efectos no triviales de la mecánica cuántica, es conveniente recordar algunos conceptos básicos de esta disciplina.

Los cuantos

A finales de 1900, el físico alemán M. K. E. L. Planck propuso la hipótesis de los cuantos para poder describir y explicar la radiación emitida por un cuerpo negro en lo que se conoce como catástrofe ultravioleta. La hipótesis de Planck, radical y transgresora para su época, asumía que la energía viene empaquetada por unidades indivisibles o cuantos y, por tanto, es una magnitud discontinua o discreta. La experiencia diaria nos dice que el peso de cualquier sustancia es una magnitud que varía de forma continua, es decir, añadiendo o quitando cantidad de esa sustancia se puede hacer que el peso sea tan grande o pequeño como queramos.

La energía cinética de un coche (debido a su velocidad) puede incrementarse continuamente acelerando hasta alcanzar la velocidad que queramos. La energía potencial del agua de un pantano se puede aumentar a voluntad (continuamente) incrementando la altura del pantano sobre el nivel del mar. Esto deja de ser cierto si, por ejemplo, queremos pesar una sustancia que se suministra por unidades o paquetes indivisibles (ladrillos, botellas de agua, lentejas, etc.). Al añadir una unidad más, el peso no varía de una forma continua, sino que experimenta un incremento o salto igual a lo que pesa una unidad o paquete. De otra forma, si la moneda más pequeña que dispusiéramos fuera la de un euro, la cantidad de dinero que recibiríamos o daríamos solo puede aumentar o disminuir en unidades de euro. Se suele decir entonces que el peso y la cantidad de dinero varían de una forma discontinua o discreta. Al valor de esa unidad mínima se le llama cuanto.

Durante 1905, A. Einstein solo pudo explicar el famoso efecto fotoeléctrico utilizando los cuantos de Planck. Al cuanto de luz lo denominó fotón. La interpretación de este efecto revolucionó enormemente la física clásica porque iba en contra de la teoría ondulatoria de la luz, ampliamente aceptada en aquella época. La acogida y aprobación de esta propuesta por la comunidad científica se hizo esperar algún tiempo. Las ideas geniales o rompedoras, en cualquier campo del conocimiento, necesitan un periodo para ser digeridas y definitivamente aceptadas por sus respectivas comunidades. Como se sabe, el efecto fotoeléctrico se usa para abrir y cerrar puertas, generar la corriente eléctrica a partir de la radiación solar y, en general, en todo tipo de dispositivos como sensores y detectores donde una señal eléctrica se genera a partir de la luz.

La atmósfera científica tan positiva y fecunda de comienzos del siglo XX hizo que las nuevas observaciones condujeran a revolucionarias y profundas ideas sobre el mundo microscópico que cambiaron definitivamente la forma de ver la naturaleza. Fue Bohr quien desarrolló la primera teoría de la estructura atómica proponiendo que la materia emite o absorbe energía mediante fotones, es decir, de forma discontinua. Por tanto, el átomo también debería estar estructurado de acuerdo a estados de energías discretos. Así, al absorber o emitir luz, un átomo cambia de estado o de nivel de energía y tiene lugar lo que se denomina transición o salto cuántico. Lo mismo ocurre con las moléculas. Estas transiciones dan la base para entender la espectroscopia. Estableció también el llamado principio de correspondencia entre la teoría clásica y la cuántica, de tal forma que la segunda tiene como límite a la primera. Para masas cada vez más grandes de las partículas, nos acercamos más a la teoría clásica.

Hacia los años veinte del siglo pasado, Schrödinger, L. de Broglie y W. K. Heisenberg revolucionaron de nuevo la física. De Broglie estableció que la naturaleza, a escala microscópica, se comporta de una forma dual, llegando a hablar de dualismo onda-partícula (o corpúsculo). Un ente microscópico es a la vez onda y partícula introduciendo, por primera vez, el concepto de ondas de materia. Una partícula es un objeto pequeño de tamaño finito. La onda puede ser tan extensa como queramos. Este dualismo paradójico (extenso-no extenso, finito-infinito) puede verse como el oxímoron de la teoría cuántica, desarrollado en mi libro anterior. Solo recordar al lector que un oxímoron es una figura retórica que se utiliza con frecuencia en los textos escritos para resaltar una idea mediante palabras opuestas. Ejemplos de oxímoron son: la soledad sonora, un hielo abrasador, la docta ignorancia, etc. En la vida cotidiana también podemos pensar que algunos objetos son duales. Si tenemos un lápiz y lo miramos de frente veremos un punto gordo y si lo miramos desde un lateral, veremos un segmento recto. Si el lápiz es infinito, el segmento recto será infinito pero la visión frontal seguirá siendo un punto. En términos más técnicos, Bohr enunció el principio de complementariedad que nos dice que ambas descripciones, la corpuscular y la ondulatoria, son necesarias para comprender el mundo cuántico. Afortunadamente, los entes microscópicos se comportan de forma dual y no múltiple.

Sobre esta base, Schrödinger estableció un poco más tarde la mecánica ondulatoria a través de su famosa ecuación y Heisenberg propuso una teoría alternativa llamada mecánica matricial que fue perfeccionada por Bohr, Jordan y P. A. M. Di­­rac. Ellos obtuvieron los mismos resultados que Schrödinger y se demostró que ambas formulaciones eran equivalentes desde el punto de vista matemático. La teoría cuántica está basada en razonamientos matemáticos tan abstractos que, como dijo H. R. Hertz a propósito de las leyes de J. C. Mawxell, y que también se podría aplicar aquí para la ecuación de Schrödinger, “[…] estas fórmulas matemáticas tienen una existencia independiente y una inteligencia propia, saben más que nosotros, incluso más que los que la han descubierto, y deducimos más de ellas que lo que las dio origen”. En efecto, no por conocer esta ecuación que rige la mecánica cuántica no relativista se puede afirmar que conozcamos perfectamente el mundo microscópico. De hecho, a lo largo de todos estos años, el importante, espectacular y fructuoso progreso de la teoría cuántica, impredecible inicialmente, ha venido marcado fundamentalmente por el desarrollo y la aplicación de esta ecuación a las observaciones experimentales del mundo microscópico. Dirac quizás se excedió cuando dijo: “Las leyes físicas fundamentales necesarias para la teoría matemática de una gran parte de la física y de la totalidad de la química se conocen por completo, y la única dificultad reside en que la aplicación exacta de esas leyes lleva a ecuaciones demasiado complicadas para resolver…”.

El principio de incertidumbre

Heisenberg estableció el principio de incertidumbre (o de indeterminación) que viene a decirnos que es imposible co­­nocer al mismo tiempo y con precisión absoluta (error o incertidumbre cero) la posición y velocidad de una partícula microscópica. En otras palabras, cuanto menor es la incertidumbre de la velocidad, es decir, cuanto mejor queramos conocer la velocidad, mayor debe ser la incertidumbre o el error en la posición de la partícula. Esto contrasta drásticamente con lo que ocurre en el mundo macroscópico (o clásico), pues si queremos localizar un coche en movimiento, lo podemos hacer con un error extremadamente pequeño; en principio, y teóricamente, tan pequeño como queramos gracias, por ejemplo, al GPS. Así, el anhelado determinismo laplaciano de la teoría clásica quedaba definitivamente enterrado.

Las variables relacionadas por el principio de incertidumbre se denominan conjugadas o complementarias, como la velocidad y la posición, la energía y el tiempo, etc. Aún más, cuando consideramos magnitudes complementarias, el orden en que se realizan las correspondientes dos medidas cambia los resultados observados. Es decir, la propiedad conmutativa (no importa el orden en que se realiza una operación) no se cumple en el proceso de medición cuántico. Ese indeterminismo fundamental parece pues un límite infranqueable a nuestro conocimiento de la naturaleza. Este principio excluye definitivamente la idea de trayectoria de una partícula en el mundo cuántico y no deja de ser paradójico, respecto a nuestro mundo cotidiano, donde la trayectoria de un coche (o de una persona o un gato andando) está tan asumida por nosotros que lo contrario nos dejaría claramente perplejos. Como ya comenté en mi libro anterior, hay otra interpretación de la mecánica cuántica (la mecánica bohmiana) que descansa fundamentalmente en el concepto de trayectoria, la trayectoria cuántica. La medida débil, de la que hablaremos más adelante, también ha hecho que nos replanteemos este principio.

El espín

G. E. Uhlenbeck y S. A. Goudsmit, antes del desarrollo de la mecánica ondulatoria, observaron un comportamiento anormal del electrón en presencia de campos magnéticos. Para entender mejor ese comportamiento, supusieron que el electrón (partícula con carga eléctrica negativa) debería girar sobre sí mismo a la manera de una peonza, comportándose como un imán (recordemos que toda carga eléctrica en movimiento crea un campo magnético). A este movimiento lo denominaron espín. En lenguaje más técnico, se dice que el espín está orientado hacia arriba (↑) o hacia abajo (↓) según el electrón gire sobre sí mismo a favor de las agujas del reloj o en sentido contrario, respectivamente. W. E. Pauli fue uno de los pioneros en considerar esta propiedad de espín dentro de un marco teórico y a él se debe también el principio de exclusión. Este principio nos alerta de que en un mismo estado o nivel de energía cuántico solo se pueden encajar o acomodar dos electrones, cada uno de ellos con diferente espín. En la figura 1 queda representado lo que podríamos denominar el icono por excelencia de este pr...

Índice

• Biología cuántica
• Agradecimientos
• Carta abierta al lector
• CAPÍTULO 1. Etología cuántica. Algunos efectos no triviales en mecánica cuántica
• CAPÍTULO 2. Biología molecular, la química cuántica de la vida
• CAPÍTULO 3. Descripción cuántica de algunos procesos vitales
• CAPÍTULO 4. Sobre la teleología y el origen cuántico de la vida
• Epílogo
• Bibliografía