Seguro que muchos habéis escuchado ya por ahí que un tema de investigación actual es el estudio de efectos cuánticos en sistemas biológicos. Yo mismo escribí en Mapping Ignorance una entrada sobre el tema, titulada Non-trivial biological quantum effects.
En esta serie de posts nos vamos a centrar sólo en uno de esos efectos, el más importante por el momentos. Vamos a hablar sobre el posible papel de la física cuántica en el proceso fotosintético de algunas bacterias. Este es un tema de mucha presencia actualmente (lo que en inglés se denomina un "hot topic"). También es un tema que suscita mucho debate, aunque hay que estar un poco dentro de la investigación para verlo. De todo eso hablaremos por aquí. Como el tema es extenso haré una serie de posts, en vez de uno solo. Así a ojo creo que no bajará de ocho posts, así que id preparándoos.
La física cuántica es muy diferente de la física clásica. De eso no cabe duda. La física cuántica predice una gran cantidad de efectos que no observamos en el día a día, como la superposición de estados espaciales. De ahí se deduce que tiene que haber un mecanismo que pase de la física cuántica, de los átomos y las moléculas, a la física clásica donde nos movemos nosotros.
De esto ya hemos hablado brevemente en este blog. Existe la equivocada idea en parte de la comunidad científica de que la física cuántica se convierte en clásica si y sólo sí aumenta la acción de los sistemas [1]. Esto es sólo parcialmente cierto. Si bien cuando la acción es muy baja recuperamos las ecuaciones de movimiento de la física clásica, también la recuperamos en sistemas con la acción muy baja. También ocurre que ciertas predicciones de la física cuántica, como la posibilidad de tener un sistema macroscópico en superposición, son independientes del valor de la acción. Como no vemos eso en el día a día podemos suponer que hay otros mecanismos que transforman la física cuántica en clásica. De eso hablaremos hoy.
Vamos a ver qué ocurre en realidad, y por qué el gato de Schrödinger no se puede encontrar en estado vivo y muerto al mismo tiempo. Para eso tenemos que aprender una nueva palabra. Decoherencia [2]. Pero como ya sabemos, y yo no me cansaré de repetir, la física es una ciencia experimental. Por este motivo será mejor que empecemos hablando de un bonito experimento.
Interferencia de macromoléculas de Carbono
Los experimentos de interferencia de partículas son unos de los más importantes en física cuántica, y en física en general. En 2002 se realizó una encuesta entre los lectores de Physics World, preguntando cuál era el experimento de la historia de la física. El elegido fue el experimento de la doble rendija con electrones [3].
Un tema de rabiosa actualidad en el mundillo de la física cuántica es la existencia de fenómenos propios de de esta en los seres vivos. Por un lado es evidente que la cuántica afecta a los seres vivos en tanto que estamos formados por átomos, que a su vez forman moléculas y el comportamiento de estas está determinado por esta teoría. Sin embargo de lo que vamos a hablar aquí es de otro tema, se trata de fenómenos propios del mundo de la física cuántica, como la coherencia, el entrelazamiento o el efecto túnel, que aparentemente juegan un importante papel en ciertos procesos biológicos.
En tres post diferentes voy a describir los tres procesos principales que se estudian actualmente sobre el tema. La brújula de los pájaros, la fotosíntesis y el sentido del olfato. Este post trata sobre el primero de todos.
La brújula aviar y el entanglement
Una pregunta que ha habido desde hace mucho tiempo es como funciona la brújula de los pájaros. De hecho se conocen más de 50 especies que pueden detectar el norte de manera innata, entre ellos hay aves, mamíferos, reptiles, peces, anfibios e insectos. El caso de los pájaros es el más estudiado y aún así no podemos decir que el efecto esté totalmente comprendido. El principal problema para comprenderlo es que el campo magnético terrestre es muy pequeño, de unos 50 microteslas, y no es fácil fabricar una brújula en miniatura para detectarlo. Tampoco en la mayoría de las reacciones químicas se suele detectar su efecto, aunque como veremos ahora hay algunas que pueden.
Un momento revolucionario al respecto fue la publicación de dos artículos, basados en experimentos dirigidos por el profesor P.J. Hore, uno de ellos en la revista Nature titulado Chemical compass model of avían magnetoreception y el segundo en la revista Procceding of National Academy of Sciences titulado Chemical magnetoreception in birds: The radical pair mechanism. Estos dos artículos proponen y estudian un procedimiento llamado radical pair mecanism (RPM a partir de ahora) que se puede dar en la retina de un pájaro específico el petirrojo europeo. Según estos investigadores este proceso depende del campo magnético terrestre y permite a los pájaros "ver" el norte. Como dato curioso mencionar que el hecho de que la brújula de estos pájaros se encuentran en sus ojos se probó haciendo experimentos en los cuales se les cerraba uno de los ojos, en ese caso podían volar pero perdían totalmente el sentido de la orientación por lo que se ve que la brújula se encuentra en ambos ojos (referencia).
El petirrojo europeo protagonista de toda esta historia. Vía Wikipedia.
¿En qué consiste este mecanismo entonces? Básicamente se basa en lo siguiente. Como sabemos los electrones tienen una cualidad llamada espín, que es un campo magnético intrínseco a la partícula. Con "campo magnético" queremos decir que los electrones son como pequeñas brújulas y con "intrínseco" queremos decir que no tiene origen en ningún otro aspecto de la partícula en sí. Como curiosidad mencionar que el término espín, viene del inglés spin que significa "giro" porque sus descubridores pensaban que lo producía el electrón al girar, aunque ahora sabemos que no es así. Una propiedad importante del espín es que si lo mides sólo encontrarás dos valores, $\uparrow$ o $\downarrow$ o como los quieras llamar, pero sólo dos. Eso se puede demostrar fácilmente con el experimento de Stern-Gerlach.
Esquema del experimento de Stern-Gerlach, que dio pie al descubrimiento del espín. Vía Wikipedia.
Lo que ocurre ahora es que nosotros no estamos formados por electrones libres, sino por átomos. ¿Qué pinta entonces el espín? La cuestión es que muchas reacciones químicas se dan cuando se encuentran un átomo o molécula al que le sobra un electrón con un átomo o molécula al que le falta uno, entonces el espín será el del electrón que sobra o del que falta (también hay que tener en cuenta el efecto de los electrones al moverse, pero eso no lo tendremos en cuenta por no liar).
¿Podemos responder ya a la pregunta "qué es un RPM"? Pues es sencillo, como ya he dicho los espines sólo tienen dos posibilidades, $\uparrow$ o $\downarrow$, así que si dos espines se encuentran tenemos cuatro posibilidades: $\uparrow\uparrow$, $\uparrow\downarrow$, $\downarrow\uparrow$ y $\downarrow\downarrow$. Lo bueno es que la física cuántica es muy rara y transforma estas cuatro obvias posibilidades en otras cuatro, menos obvias: mantenemos $\uparrow\uparrow$, $\downarrow\downarrow$, pero debido al Principio de exclusión de Pauli las otras dos están prohibidas. En su lugar aparecen dos nuevas $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$ y $\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$, que vienen a indicar que cada espín está en dos estados al mismo tiempo y conectados (que es lo que llamamos coherencia y entrelazamiento, como bien sabéis).
La cuestión que nos interesa ahora es que estos cuatro estados se pueden agrupar de dos maneras, como singletes ($\uparrow\uparrow$, $\downarrow\downarrow$ y $\frac{\uparrow\downarrow+\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$) y como triplete ($\frac{\uparrow\downarrow-\downarrow\uparrow}{\sqrt{2}}$). Cada uno de estos grupos tiene un espín total diferente (cero el triple, uno el singlete). "¿Qué nos importa todo esto?", os preguntaréis. Pues porque cuando dos electrones se encuentran en un estado u otro pueden dar lugar a reacciones químicas diferentes y midiendo el resultado se puede saber si estaban en un estado u otro. "¿Y qué demonios tiene que ver esto con la brújula aviar?", os volveréis a preguntar. Pues la cuestión es que como he dicho los espines son campos magnéticos, por lo tanto se ven afectados por un campo magnético como el de la tierra.
En resumen en la retina de los pájaros se da una reacción química, que se basa en el siguiente mecanismo: Un fotón (la luz) excita una molécula de la retina y esta pierde un electrón (la llamaremos donante), este electrón se lo queda otra molécula (a esta la llamaremos receptora, originalidad ante todo) y ambos tiene espín. Entonces la moléculas se separan, viven su vida y cuanto se vuelven a encontrar deciden unirse y hacer una reacción química. El resultado de esta reacción química depende del espín de las moléculas y del campo magnético externo, por lo que midiendo el resultado podemos saber si estamos volando hacia el norte o no.
Resumen de la reacción que se da en la retina de las aves. * significa excitado, + con un electrón más, - con un electrón menos, S significa singlete, T triplete, A es la donante y B la receptora. Fuente.
Esta reacción se refleja como ya hemos dicho antes en una sensación visual para el pájaro, de modo que puede "ver" el norte.
Otra cosa que os podréis preguntar es: ¿es esto un efecto puramente cuántico? Evidentemente el espín es un fenómeno cuántico, pero todo esto es química al fin y al cabo y ya sabemos que la química está por todas partes. La cuestión que hace esto interesante desde el punto de vista cuántico es ¿qué ocurre cuando las moléculas están separadas? ¿Se mantiene el entrelazamiento entre ellas? Al respecto hay un muy reciente artículo del grupo de Hans Briegel, titulado Quantum Control and Entanglement in a Chemical Compass donde se demuestra que a mayor entrelazamiento en el sistema, mayor sensibilidad. Esto indica que el entrelazamiento juega un importante rol en la brújula aviar y abre la puerta a la invención de dispositivos tan precisos como este.
Y eso es todo por ahora, espero que haya quedado algo claro y si no para eso están los comentarios. Os dejo con un chiste que sólo entenderá gente muy especializada.
Y un trozo de una película que explica lo que (no) pasaría si los pájaros dejaran de sentir el campo magnético. Eso sí, para echarse unas risas a su costa la peli es el no va más (de mala).
Obviamente en un blog de ciencia escrito por un físico cuántico no pueden faltar una serie de posts sobre los efectos más interesantes de la física de lo más pequeño. Y esa es la motivación para comenzar con este post. En él hablaré del fenómeno cuántico más conocido y controvertido de todos, la coherencia. Esto servirá de punto de partida para otros menos divulgados, como el entrelazamiento, la computación o criptografía cuánticas.
Definición
Empecemos este post definiendo el tema en si. Obviamente la definición matemática no es sencilla de comprender, así que intentaré encontrar un equilibrio entre rigor y divulgación.
Partamos de un sencillo ejemplo: Tenemos una moneda. Al lanzar esta puede terminar en dos posibles estados, que si los escribimos con la notación que se usa en física cuántica serían $\left| cara\right> $ y $\left| cruz \right>$. En física clásica podemos decir que una moneda debe estar siempre en uno de estos dos estados. Sin embargo la física cuántica es mucho más cachonda, según ella si estos dos estados son posibles, también lo son combinaciones de ellos. Un ejemplo sería el siguiente, que denotamos como $\Psi$ (no se por qué, pero los estados nos gusta notarlos con letras griegas)
Os preguntaréis ahora que significa eso. Básicamente estoy diciendo que una "moneda cuántica" podrá estar en los dos estados al mismo tiempo, cara y cruz. En este caso además está con la misma proporción, mitad cara, mitad cruz. Entonces ahora la pregunta es obvia: "Y si la miro ¿qué veo, media cara y media cruz o ambas cosas a la vez?". Ahí la física cuántica tiene una respuesta ingeniosa. El estado superpuesto de cara y cruz (a esto es a lo que llamamos coherencia) se podrá mantener sólo si no se mira, cuando se mira se produce la llamada decoherencia, que no es más que el paso de ese estado superpuesto a estar en $\left| cara\right>$ o $\left| cruz \right>$ con un 50% de probabilidades cada una.
Aquí entonces la pregunta es clara de nuevo: "¿Y cómo podéis afirmar que hay un estado superpuesto si no podéis verlo ni medirlo?". Sinceramente parece que los físicos cuánticos estamos diciendo que hay algo fascinante, pero que no puede ser visto, como el que dice que hay duendecillos que desaparecen al mirarlos. Sin embargo la cuestión es que estos estados sí tienen su huella, y es eso lo que vemos y medimos. Espero que al final del post estéis más convencidos que ahora.
(Nota extra no imprescindible para el resto del post)
Estados como $\left| \Psi \right>$ no son los únicos posibles. Se puede tener cualquier combinación de cara y cruz, siempre que la probabilidad al medir de obtener algún resultado sea del 100%. Estados posibles son
Pero esto no es imprescindible saberlo, así que mejor sigamos.
El experimento de la doble rendija
Este es sin duda el experimento más clásico sobre la coherencia. Cabe decir que se puede hacer con luz (fotones), electrones o incluso con partículas más grandes. Como es tan clásico se han escrito muchas cosas sobre él, mejor que explicarlo os pongo un vídeo que creo que es bastante bueno, es del Dr Quantum.
Creo que en el vídeo se ve muy claro como cada electrón debe pasar por ambas rendijas, y que el mero acto de observarlo rompe esta coherencia.
Decoherencia y probabilidad
Como ya ha explicado el Dr. Quantum el acto de medir rompe el estado, obligándolo a decidir estar en uno de sus posibles estados. entonces la cuestión es: ¿Y cuál decide? ¿Qué le hace decidir estar en $\left|cara \right>$ o $\left|cruz \right>$? La respuesta estándar (aunque algunos pocos no estén de acuerdo, como explicaré más adelante) es el azar. Cuando miramos en un sistema cuántico coherente, es decir en varios estados al mismo tiempo, este aleatoriamente pasará a estar en uno de los estados en sí.
Entonces, en mi opinión, hay dos preguntas interesantes. La primera es: ¿Qué significa que medimos el sistema?
Esta es una pregunta que en mi opinión no termina de estar resuelta. Está muy claro que si nosotros hacemos cualquier cosa en el sistema que nos de información sobre como es dejará de estar en varios estados al mismo tiempo. Sin embargo también muchas veces lo hace espontáneamente, al interactuar con lo que tiene alrededor. Lo que sí sabemos con certeza es que la coherencia se mantiene principalmente en sistemas muy pequeños (a nivel atómico-molecular), de ahí que no veamos nunca una moneda en ambos estados, sin embargo recientemente el tamaño de los objetos en los que se consigue observar estos efectos aumenta (como en este estudio). El estudio de los fenómenos de decoherencia es un campo abierto de la física muy interesante (al menos para mi).
La otra pregunta es: ¿Y cómo sabemos que realmente hay coherencia y no es simplemente que ya estaba así?
Esta en mi opinión la responde muy bien el vídeo anterior, sabemos que hay coherencia por los efectos que produce. En el ejemplo de la doble rendija si no hubiera no veríamos el patrón de interferencia. Sin embargo he de decir que todavía hay quien defiende que en realidad este azar no es real, sino producto de nuestra ignorancia del sistema en si. Los defensores de esta rama se denominan "Bohmianos", dado que uno de sus principales logros vinieron de la mano de David Bohm. De esta otra teoría hablaré al final del post.
El gato de Schrödinger
Como es de rigor en un post sobre coherencia cuántica no se puede dejar de hacer una breve mención al gato de Schrödinger. Este es un experimento mental inventado por Erwin Schrödinger a raíz de una idea previa de Einstein.
La idea es la siguiente. Si yo tengo un átomo que es radiactivo, es decir que puede espontáneamente transformarse en otro átomo emitiendo una partícula, y lo pongo en una caja aislado del resto del mundo, este puede estar también desintegrado y no desintegrado al mismo tiempo. Hasta ahí todo bien, pero a Schrödinger se le ocurrió un experimento un poco sádico que hacer. Los pasos son muy sencillos.
1.- Tomar una caja absolutamente hermética.
2.- Buscar un átomo radiactivo. Por ejemplo busquémoslo tal que en una hora tenga un 50% de probabilidades de desintegrarse y un 50% de no hacerlo.
3.- Buscar un gato (eso es fácil). Por ejemplo este. Recomiendo fuertemente no tomarle mucho cariño al gato.
4. Buscar un frasco de veneno para gatos (os he advertido)
5. Introducimos en la caja el átomo y el gato. Además ponemos un detector de radiación totalmente fiable (es lo bueno de los experimentos mentales, los detectores no tienen fallos). El detector está midiendo al átomo, de modo que cuando este se desintegra activa un martillo electrónico que rompe el frasco de veneno, matando al gato (yo no quería, la culpa es de Schrödinger que es un sádico).
El dispositivo sería algo así
donde el gato ha dejado ya de tocar la guitarra porque sabe lo que le viene encima.
La cuestión es la siguiente. Si esperamos una hora el átomo según la física cuántica pasará a estar a la vez desintegrado y no desintegrado. En un estado que escribimos como
Es decir, ¡¡tenemos un gato que está vivo y muerto al mismo tiempo!! Esto es lo que le daba un poco de grima pensar a Schrödinger e Einstein y veían ahí una paradoja.Hoy en día no está vista como tal, pero sigue siendo muy ilustrativa y además da lugar a que hagan muchos chistes, como este episodio de "amor cuántico" en ciudad K.
En mi opinión no hay paradoja alguna. El detector al mirar el átomo le obliga a "decidir" en que estado está y así átomo y gato están siempre en un estado definido. Sin embargo hay mucha filosofía detrás de estos procesos. También hay otros experimentos mentales que tratan de analizar este fenómeno, como el del amigo de Wigner.
Estos experimentos han dado lugar a varias interpretaciones de la física cuántica. Ojo, son interpretaciones nada más, la ciencia es la misma y hace las mismas predicciones, pero a la hora de pensar en ello se hace desde distintos tipos de vista. La más seguida es la interpretación de Copenhague, y una de las más famosas al ser un poco esotérica es la interpretación de muchos mundos. Según esta última cada vez que el mundo tiene que tomar una decisión se divide en dos, por lo que habría un universo con el gato vivo y otro con el gato muerto, aunque eso no te sirva mucho de consuelo si te toca estar con el gato muerto.
Ahora seguro que ya os estaréis preguntando. ¿Y todo esto qué tiene que ver conmigo? ¿Tiene esto alguna aplicación o se da en la naturaleza habitualmente?
Dejadme sólo mencionar un par de aplicaciones, aunque sin mucho detalle, ya que cada una de ellas dará para un post en si.
La primera es la criptografía cuántica, donde usando estos fenómenos se puede enviar información en teoría indescifrable. De hecho esta aplicación ya está comercializada y ofrece unos productos muy fiables. Un ejemplo es la empresa MagigQ.
Otra aplicación, al menos teórica, es en computación cuántica. Aquí estos estados se utilizan para poder hacer cálculos de manera más rápida que en un ordenador clásico, que funcione sólo con 1's y 0's.
Un resultado experimental reciente también demuestra que la coherencia es muy importante en los procesos de la fotosíntesis (aquí el enlace por si alguien está interesado). Esto abre una puerta a el diseño de nuevos métodos de transporte de luz aprovechando estos fenómenos.
Teoría de variables ocultas
Por último solo mencionar que aún hay gente que no cree que la coherencia sea una realidad. Sin duda el principal opositor a la aceptación de este fenómeno fue Albert Einstein, quien afirmó que "Dios no juega a los dados con el universo".
http://www.thescientificcartoonist.com
Tanto Einstein como mucha gente después de él defendían que en realidad los resultados de las medidas deberían ser predecibles, y que si no podemos hacerlo es porque hay información que desconocemos. A esta información se la llamó "variables ocultas".
El principal defensor de estas teorías fue David Bohm. Actualmente estas teorías aún son defendidas, pero por una comunidad muy pequeña. El golpe de gracia que hizo que la gente dejara de creer en variables ocultas fue otro fenómeno cuántico, el entanglement (o entrelazamiento). Sobre él y su efecto en estos temas hablaré en un próximo post.
Finalmente os dejo con una canción que es muy clásica en estos círculos y que espero que después de leer el post os guste.
