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EFECTOS CUÁNTICOS EN EL MUNDO“REAL”junio 19, 2014 · por wanderer · en Ciencia, Física cuántica

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Las criptofitas son unas algas unicelulares que viven en lugares sin apenas luz, yasea porque hay mucha agua encima de ellas o porque se acomodan bajo gruesascapas de hielo. Sea como sea, el caso es que apenas tienen luz y, sin embargo, lanecesitan para realizar la fotosíntesis. Unos científicos de la Universidad de NuevaGales del Sur, Australia, han descubierto ahora que las criptofitas captan la pocaluz del ambiente de la manera más efectiva posible: mediante procesos cuánticos.

Según explica Paul Curmi, autor principal del estudio:

Una vez que una proteína recoleptora de luz hacapturado luz del sol, tiene que trasladar esa energía alcentro de reacción de la célula lo más rápidamenteposible, donde la energía se convierte en energía químicapara el organismo.

Se daba por hecho que la energía llegaba al centro dereacción de manera aleatoria, como un borracho quevuelve a casa. Pero la coherencia cuántica permitiría a laenergía ensayar simulttodas los caminos posibles antes

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de emprender la ruta más rápida.

Que la fotosíntesis es un proceso cuántico se sabía desde hace tiempo, y ya hapodido ser comprobado por varios estudios en los últimos años, como el realizadoen 2013 por científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas de Cataluña y de laUniversidad de Glasgow. Lo que este nuevo estudio llegado desde Australia aportaes la capacidad de las criptofitas para activar y desactivar el proceso a voluntad.

En la fotosíntesis, la luz excita los electrones de las moléculas de clorofila y activauna cadena de transporte hasta los depósitos de energía que nutren la planta; eneste proceso, los electrones deben recorrer el camino más eficiente para evitar ungasto de energía innecesario. Para hallar dicho camino, los electrones no siguen unúnico sendero, sino todos los posibles a la vez.

La mecánica cuántica es habitualmente considerada como la física de los sistemassubatómicos; sin embargo, sus leyes son universales y nada impide que actúen agran escala. Si no lo apreciamos, dicen algunos, es por una simple cuestión deperspectiva.

Un estado cuántico es la combinación de varios estados clásicos, de forma que sedan circunstancias como estar “vivo y muerto” a un tiempo. Esta combinación deestados, según aumenta la complejidad física del sistema, tiende a disiparse acausa de la decoherencia.

Según la teoría de la decoherencia, elaborada en los años 80, la interacción entrelas partes de un sistema complejo hace desaparecer sus propiedades cuánticas. Lainformación de una partícula se filtra a otras partículas en forma de luz y calor, loque equivale a decir que cada partícula es un observador que efectúa una mediciónsobre las otras partículas, y este intercambio de información concreta el sistema enuna de sus múltiples posibilidades.

Cuanto más grande es un objeto, mayor es su sensibilidad a la decoherencia, hastaque finalmente se hace “clásico”. Sin embargo, aún está por explicar este proceso.

Con todo, existen diferentes situaciones en las que la filtración de la informaciónpuede ralentizarse o anularse; y, entonces, las leyes cuánticas vuelven a aparecer,independientemente de la escala de realidad en que nos encontremos.

En un artículo publicado en la revista Investigación y Ciencia en marzo de 2013,los físicos Markus Aspelmeyer y Markus Arndt, de la Universidad de Viena,explicaban los nuevos caminos de las investigaciones sobre los estados desuperposición en cuerpos macroscópicos:

Al menos en principio, las leyes de la mecánica cuántica

¿Y…?

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deberían poder aplicarse a objetos tan grandes comodeseemos. Ello implicaría que también los cuerposmacroscópicos deberían experimentar la superposiciónde estados, lo que sin duda choca de forma drástica connuestra visión del mundo.

Según reflexionan los autores, todo se reduce a una pregunta clave:

…¿desaparecere de manera objetiva la superposicióncuántica a partir de cierto límite o vivimos en un mundofundamentalmente cuántico? Tal vez el hecho de noobservar fenómenos cuánticos en objetos de gran tamañose deba a que estos no resultan medibles cuandointeraccionan más de 100 partículas… o más de 100billones.

En términos matemáticos, la superposición está descrita por una función de ondaque incorpora todos los movimientos y posiciones posibles de una partícula. Esdecir, una función de onda puede ser imaginada como una partícula que muestratodas sus cualidades al mismo tiempo –por ejempo, todas sus posibleslocalizaciones, lo que equivale a estar en todas partes a la vez— como si de uncuadro cubista se tratase.

Desde esa perspectiva matemática, la función de onda permite calcular laprobabilidad de que se dé un resultado al medir un sistema físico. Pero existe unalarga discusión acerca de la realidad de la función de onda, en la que no se terminade aclarar si su carácter es meramente matemático o si existe como realidad física.

El comienzo de estas cuestiones dio origen a la paradoja de Schrödinger, aquelladel gato vivo y muerto al mismo tiempo. El mismo Schrödinger consideraba que suparadoja, creada para dejar patente el absurdo, era una muestra clara de que lamecánica cuántica tenía algún error. Opinión compartida por Einstein, para quientodos aquellos fenómenos “psi”, como le escribía en una carta de 1935 aSchrödinger, no podían estar describiendo la realidad.

El pensamiento humano clama contra los estados intermedios donde los opuestosse superponen. Y, sin embargo, los gatos de Schrödinger comenzaron a aparecerpor todas partes en la última década del siglo XX, cuando la tecnología de losterrícolas permitió que los experimentos mentales dieran paso a lascomprobaciones en el mundo espacial.

La primera demostración de la interferencia cuántica en moléculas fue llevada acabo en 1999 por científicos de la Universidad de Viena dirigidos por AntonZeilinger; en 2012, se grabó la dualidad onda-corpúsculo en un experimento con

moléculas complejas de más de cien átomos. Fue entonces cuando se comprobóque el experimento de la doble ranura era aplicable a moléculas; es decir, que, auna escala impensable hasta ese momento, la materia se puede comportar comouna onda que interfiere con otras ondas cuyas interferencias determinan laposición de la molécula.

¿Cómo se explican tales fenómenos? Los físicos reacios a aceptar la superposiciónde estados buscan modificar las ecuaciones de la mecánica cuántica de manera queéstas puedan explicar cómo se produce la transición desde los comportamientoscuánticos de lo microscópico al comportamiento clásico de nuestra realidadpercibia.

El problema al que se enfrentan es que, según apuntan Aspelmeyer y Arndt:

Tales cambios deberían ser lo suficientemente pequeñospara explicar que hasta ahora no se hayan observado enlos experimentos, pero también lo suficientementegrandes como para que, a escala macroscópica, sóloresulten válidas las leyes de la física clásica.

El bayesianismo cuántico, por su parte, defiende que la función de onda es unaabstracción y que todas las paradojas de la mecánica cuántica no son reales, sinoproductos de la mente. Así, en la realidad el gato está muerto o está vivo, lasmoléculas están en un punto concreto y el resto es humo, y las paradojas sóloexiste en la cabeza del observador.

Frente a esta idea, autores como Vlatko Vedral defienden justo lo opuesto: la granincógnita del experimento imaginario de Schrödinger no es la superposición deestados en el sistema macroscópico que es el gato, sino otra muy diferente: “Laverdadera pregunta es por qué los amos solo ven a sus mascotas vivas o muertas”.

Vedral es conocido por sus investigaciones sobre la aparición de procesos cuánticosen los sistemas macroscópicos:

A día de hoy, muy pocos otorgan a la física clásica unrango equiparable al de la mecánica cuántica; enrealidad, aquella no representa más que unaaproximación útil a un mundo que se rige por leyescuánticas a todas las escalas. Puede que los efectoscuánticos resulten difíciles de observar en el mundomacroscópico, pero la razón no tiene que ver con eltamaño en sí, sino con la manera en que los sistemascuánticos interaccionan unos con otros.

[…]

Y si los sólidos a escala macroscópica y a temperaturaambiente pueden experimentar el entrelazamiento, nonos encontramos sino a un paso de preguntarnos sipodemos hacer lo mismo con una clase muy particular desistemas calientes y de gran tamaño: los seres vivos.

Es por el entrelazamiento cuántico que los petirrojos europeos pueden emigrardesde Escandinavia a África ecuatorial sin extraviarse en un viaje de 13.000kilómetros. Estos pájaros perciben el campo magnético con los ojos. Dentro delglobo ocular del petirrojo, hay un tipo de molécula con dos electrones entrelazados.

Cuando la molécula absorbe la luz visible, los electronesadquieren la energía necesaria para separarse, lo que loshace sensibles al campo magnético terrestre. Si el campomagnético se inclina, afecta de manera diferente a cadaelectrón e induce un desequilibrio que modifica lareacción química que experimenta la molécula. Esadiferencia se traduce en impulsos neurales que, a lapostre, crean una imagen del campo magnético en elcerebro del pájaro.

Según los estudios de Vedral, “los efectos cuánticos persisten en el ojo del pájarodurante unos 100 microsegundos”, el doble de tiempo de lo que duran los mismosefectos en condiciones de laboratorio.

Aún desconocemos cómo un sistema natural preserva losefectos cuánticos durante tanto tiempo, pero la respuestaquizá nos ayude a controlar la decoherencia en losordenadores cuánticos.

La división entre los mundos clásico y cuántico no parece fundamental, sino solouna cuestión de ingenuidad experimental. “Hoy en día, pocos físicos piensan que lafísica clásica constituya una teoría corecta a ninguna escala”, afirma Vedral.

El hecho de que la mecánica cuántica se aplique a todos los tamaños nos obliga aenfrentarnos a los misterios más profundos de la teoría: “No podemos relegarlos ameros detalles que afectan solo a las escalas más pequeñas”.

En física cuántica, explica Vedral, espacio y tiempo son conceptos secundarios,entidades emergentes a partir de una física fundamental que carece de ellos. Elconcepto fundamental es el entrelazamiento, que conecta sistemas cuánticos sinreferencia al espacio o al tiempo.

En este sentido, recuerda Vedral, hay físicos que, como Stephen Hawking, creenque la teoría de la relatividad debe ser sustituida por otra en la que el espacio-tiempo no exista, ya que éste tejido no sería sino el resultado de un proceso deentrelazamientos.

Una posibilidad aún más interesante consiste en que lagravedad no constituya una interacción de plenoderecho, sino el “ruido” generado por la actividadcuántica de las otras fuerzas fundamentales. Esta idea deuna gravedad inducida se remonta al físico nuclearAndréi Sájarov, quien la propuso en los años sesenta.

De ser así, la gravedad no existiría en el nivel cuántico, por lo que los estudios quebuscan dar con una teoría cuántica de la gravedad serían un paso en falso.

Para David Deutsch, físico de la Universidad de Oxford y miembro de la RoyalSociety de Londres, la controversia y el debate en torno a la naturaleza cuántica dela realidad macroscópica son secundarios, pues se deben a lo que él denomina“mala filosofía”, donde el adjetivo no se refiere a una filosofía errónea, sino a unpensamiento que niega la posibilidad de un acercamiento diferente al problema dela realidad.

Según expone en su libro El comienzo del Infinito, tras el éxito probado de lamecánica cuántica a finales de la década de 1920, la comunidad científica noencontró otra salida que la de enrocarse en el instrumentalismo: “si laspredicciones funcionan, no hay por qué preocuparse de nada más”; de modo que lateoría de los cuantos se redujo a un manual de instrucciones con el que elaborarartilugios cada vez más eficientes que comenzaron a ver el éxito a partir de ladécada de 1940.

Desde entonces, se impondría la máxima nacida en el Rad Lab: “Cállate y calcula”.El blindaje de la física cuántica a cualquier tratamiento desde una perspectivaontológica ajeno al utilitarismo quedó plasmado en una frase que se ha repetido sincesar durante más de setenta años: “si crees que has comprendido la mecánicacuántica, es que no la has comprendido”; de modo que todo intento porcomprender se considera una lamentable pérdida de tiempo siempre que no tengarelación con el desarrollo tecnológico.

Como colofón a todo lo expuesto, una cita extraída del comienzo de otro de loslibros de Deutsch, La estructura de la realidad, que resume de dónde venimos ydónde estamos:

…gracias a una serie de extraordinarios descubrimientoscientíficos, disponemos hoy día de algunas teorías muycomplejas sobre la estructura de la realidad. Siaspiramos a comprender el mundo en un sentido que nosea meramente superficial, deberemos hacerlo por mediode esas teorías y la razón, y no basándonos en nuestrosprejuicios, las ideas que nos han sido imbuidas o, incluso,el sentido común. Las mejores de esas teorías no sólo sonmás ciertas que el sentido común, sino que también sonmucho más sensatas.

En cuanto al otro asunto aquel, “hacia dónde vamos”, habrá que dejarlo en unestado de superposición.

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