Algunos animales poseen la habilidad de sentir el campo magnético, algo que les permite orientarse en sus viajes migratorios. A esta habilidad se le denomina magneto-recepción y ha sido observada en una amplia gama de animales que incluye pájaros, insectos, tortugas, tiburones, langostas marinas, vacas, hongos e incluso bacterias. Sin embargo, los científicos no han sido capaces de comprender del todo los mecanismos responsables de esta capacidad.
Hans Briegel, de la Universidad de Innsbruck, y sus colaboradores han investigado el papel que las interacciones mecánico-cuánticas juegan en la magneto-recepción. Según cuentan en Physical Review Letters se puede mostrar que determinados aspectos de la Mecánica Cuántica (MC) intervienen en la brújula interna de estos animales y que quizás también controle otros aspectos biológicos.
Según estos físicos, su estudio demuestra que el entrelazamiento cuántico no solamente puede observarse en sistemas de laboratorio altamente aislados y controlados, sino que se da en procesos sistemas biológicos relevantes. Específicamente, estos investigadores han podido describir la ruta de cómo puede investigarse experimentalmente este principio en la brújula química de los animales.
Recordemos que hace relativamente poco tiempo NeoFronteras ya cubrió un resultado similar sobre el papel jugado por la MC en el proceso de fotosíntesis de un microorganismo.
Hay principalmente dos hipótesis de cómo funciona la magneto-recepción. Una de ellas, sobre la que han trabajado estos físicos y denominada de “pareja de radicales”, dice que los receptores magnéticos en los ojos de los animales son activados por fotones para producir radicales libres. Cada radical tiene un electrón desapareado y los spines de estos electrones de un par de estos radicales estarían cuánticamente correlacionados. La interacción entre radicales libres y el campo magnético circundante produce diferentes modos en los que esta correlación se puede dar, permitiendo así al animal sentir el campo magnético.
Una de las cosas que este grupo de investigadores quería saber era si los electrones de los radicales libres necesitaban estar correlacionados cuánticamente o si una explicación clásica era suficiente para dilucidar el fenómeno. En sus cálculos encontraron que la respuesta dependía fuertemente de la vida media de los radicales libres. Si la vida de éstos era corta, el entrelazamiento cuántico podría jugar un papel. Por el otro lado, si no era así, bastaba la explicación clásica, como en el caso de la magneto-recepción del petirrojo europeo.
No se está seguro del tipo de moléculas implicadas en el mecanismo de pares de radicales libres en las brújulas internas de los animales, así que la cuestión de si los animales usan o no entrelazamiento cuántico no está solventada. Los autores proponen cómo se daría el fenómeno varios tipos de radicales. Sin embargo, estos investigadores sugieren que se podrían realizar una serie de experimentos con el estado actual del arte en experimentación en MC para saber más sobre los mecanismos implicados en la magneto-recepción animal.
Así por ejemplo, la aplicación especial de determinados pulsos de campos magnéticos podría permitir observar cómo los efectos cuánticos afectan a la orientación del animal.
Obviamente se necesita trabajar más sobre el asunto, pues no han demostrado que la correlación cuántica se dé en esta habilidad, sino que es posible y cómo demostrarlo. Es decir, ciencia en estado puro.
Un grupo de físicos sugiere en un modelo teórico que el entrelazamiento cuántico ayuda a mantener la integridad de la molécula de ADN.
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La Mecánica Cuántica (MC) controla el mundo microscópico. La formación de los átomos y de sus núcleos o la formación de toda molécula puede explicarse mediante la Mecánica Cuántica. Los chips electrónicos del ordenador con el que lee esta nota también dependen de la Mecánica Cuántica. Una vez se la conoce un poco, la Mecánica Cuántica es casi cotidiana. De este modo, si con un trozo de CD construimos un espectroscopio casero con el que ver las líneas de emisión de un tubo fluorescente, vemos la MC en acción. Por supuesto, si no fuera por la Mecánica Cuántica tampoco habría vida, porque no se formarían moléculas orgánicas, empezando por el ADN. Así que si nos dicen que el ADN está controlado por la MC nos están diciendo una obviedad.
La Naturaleza nos contesta a las preguntas que le hacemos. La manera en la que le debemos preguntar es con un experimento y, en función de las respuesta, elaborar modelos sobre cómo funciona el Universo. Así que si hacemos unas preguntas sobre átomos y moléculas las Naturaleza nos contesta en el lenguaje de la MC.
Una vez pasa un tiempo y nos familiarizamos con la MC nos parece lógica y natural. Los saltos de energía que determinan los espectros nos parecen de lo más lógicos, el funcionamiento de un microondas también. Incluso el efecto túnel nos parece que simplemente es un préstamo de energía a muy corto plazo que siempre se devuelve.
Pero ya dijo Feyman que aquel que dice que comprende la MC es que no la comprende en absoluto. Hay ciertos aspectos de ella que están torturando a los físicos desde su descubrimiento. La superposición de estados, el colapso de la función de onda o las propiedades de no localidad, de no realismo y similares (por desgracia, la terminología no está del todo establecida y cada cual entiende una cosa distinta para cada término) nos dicen que el mundo de lo pequeño es muy raro para seres como nosotros que nos hemos criado en el mundo macroscópico. Además parece ser algo intrínseco de la realidad no artefactos de la teoría. Cada vez que se ha hecho a la Naturaleza la pregunta adecuada (el experimento adecuado) nos ha dicho que el mundo microscópico se comporta a veces de manera muy extraña.
Puede que dentro de unas décadas haya ordenadores cuánticos que evidencien esto a todos los mortales, o puede que un día se descubra que nuestro cerebro no es más que un ordenador cuántico. Hasta entonces puede que todavía haya algunos que discutan la validez de la MC.
Una de las cosas que más molesta a los enemigos de la MC es el entrelazamiento cuántico, en virtud de este fenómeno dos partículas separadas están correlacionadas cuánticamente de tal modo que el colapso de la función de ondas de una de ellas determine el estado de la otra instantáneamente, aunque se encuentre a años luz de distancia. Aunque esto no viola la causalidad relativista, porque no se transmite información, hay que admitir que es un poco incómodo.
Ahora un grupo de físicos sugiere, mediante un modelo teórico especulativo, que el entrelazamiento cuántico ayuda a mantener la integridad de la molécula de ADN
Elisabeth Rieper, de la Universidad Nacional de Singapur, y sus colaboradores se plantearon qué papel podría jugar el entrelazamiento cuántico en el ADN. Para saberlo construyeron un modelo teórico simplificado de ADN en el que los nucleótidos consisten en una nube de electrones (de carga negativa) alrededor de una carga positiva central. Este tipo de aproximaciones se suelen realizar frecuentemente, no porque a los físicos les parezcan más bonitas, prácticas o realistas, sino porque básicamente no saben resolver otras situaciones más complicadas. El caso es que, según el modelo, esta nube electrónica de tipo π se puede situar de tal modo en relación a la carga central que se cree un dipolo. Además, el movimiento de vaivén de esta nube puede ser igual al de un oscilador armónico (otra entidad simplificada favorita de los físicos). Estas oscilaciones están cuantizadas y forman unas entidades a las que se denominan fonones y que actúan a modo de partículas. Cuando dos nucleótidos se unen entre sí, como el par timina-adenina o el par citosina-guanina, estas nubes oscilan en direcciones opuestas para asegurar la estabilidad de la estructura. Estos investigadores se preguntaron entonces qué le pasarías a estas oscilaciones cuando estos pares de bases se unen hasta formar la doble hélice de ADN.
Los fonones, al ser también objetos cuánticos, pueden existir en una superposición de estados y pueden estar correlacionados al igual que los fotones o los electrones. Estos físicos vieron que a la temperatura del cero absoluto (otra situación favorita de los físicos por su simplicidad y a la que se da el estado fundamental de todo sistema cuántico) el modelo predecía que el entrelazamiento existía, algo que era de esperar. Sin embargo, entonces vieron que también se daba a temperatura ambiente. Esto era posible porque los fonones tienen una longitud de onda similar al tamaño de la hélice de ADN, permitiéndose que se formen ondas estacionarias en un fenómeno conocido como “fonones atrapados”. Cuando sucede esto los fonones no pueden escapar fácilmente. Algo similar ocurre con los fonones atrapados en las pequeñas estructuras de los chips de silicio, causando por ello problemas.
Según Riper y sus colaboradores, el fenómeno tiene un efecto profundo en la doble hélice de ADN y no se trata de un efecto despreciable. Aunque cada base está oscilando en direcciones opuestas, esto se da en una superposición de estados, de tal modo que el movimiento promedio es cero. En un modelo puramente clásico, sin embargo, esto no puede suceder y la doble hélice vibra hasta romperse. Por tanto, en cierto sentido, los efectos cuánticos son responsables de mantener la estabilidad de la doble hélice de ADN. El problema es cómo demostrar experimentalmente todo esto.
Al final de su artículo estos investigadores sugieren que el entrelazamiento cuántico puede que tenga influencia en la manera en la que la información es leía de la hebra de ADN y que esto quizás se pueda explotar experimentalmente, aunque no dicen cómo.
A la fotosíntesis y a la orientación magnética animal se sumaría este nuevo efecto, lo que hace de este campo algo bastante excitante. Bueno, puede que a este paso quizás haya que empezar a hablar de Biología Cuántica.
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Fuentes y referencias:
Nota en Technology Review.
Artículo en ArXiv.
Abren un puente experimental entre el mundo cuántico y clásico.
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Un equipo de investigadores de Arizona State University cree haber abierto una ventana que ayude a aclarar por qué la laberíntica física del mundo microscópico termina manifestándose como la física clásica que captan nuestros sentidos en el mundo macroscópico cotidiano. Si así fuera, estaríamos a las puertas de responder a la pregunta que ha estado torturando a los físicos teóricos desde el nacimiento de la Mecánica Cuántica: ¿cómo emerge el mundo clásico a partir del cuántico?
En el mundo microscópico una partícula no está en un sitio concreto, de hecho ni siquiera existe tal cosa como una partícula, sino una función de onda inmedible a partir de la cual podemos hallar la probabilidad de encontrar dicha partícula. Además, la función de ondas puede ser la superposición de varios estados que colapsan a uno solo cuando se efectúa una medida. Incluso podemos tener dos partículas entrelazadas situadas a distancia de tal modo que el resultado del colapso de una de ellas determina el de la otra en una extraña acción a distancia instantánea.
La realidad que percibimos, la silla sobre la que nos sentamos, la casa donde vivimos, la montaña que escalamos o el cuerpo de nuestra amada están hechos de átomos regidos por los principios de la Mecánica Cuántica (MC). Todos esos objetos tienen una masa, un tamaño, un color, una forma o una textura y son incluso percibidos como “sólidos”, pese a que en su mayoría son espacio vacío con unas escasas partículas organizadas adecuadamente. Es decir, los percibimos en una manifestación clásica corriente. La fuerza nuclear en sus dos variantes y el electromagnetismo permiten organizarlas bajo las reglas de la MC en lo que finalmente percibimos como “la realidad”. Pero el mundo que percibimos con nuestros sentidos no tiene superposición de estados, ni colapso de funciones de ondas, ni acciones a distancia. En definitiva, no existen gatos de Schrödinger que maullen. La paradoja está ahí.
Un posible escenario que intenta aclarar esta aparente contradicción ha sido investigado por Adam Burke, Gil Speyer, Tim Day, Richard Akis, Gil Speyer, Brian Bennett y David Ferry. Sus resultados experimentales han sido publicados en Physical Review Letters y apoyan lo que se llama darwinismo cuántico.
Describen la transición del estado cuántico al clásico como un proceso de decoherencia en el que está implicada una progresión evolutiva análoga a la selección natural descrita en la evolución biológica de Darwin.
Los autores utilizan dos teorías denominadas decoherencia y darwinismo cuántico, ambas propuestas por Wojciech Zurek de Los Alamos National Laboratory. El concepto de decoherencia mantiene que muchos estados cuánticos colapsan en una amplia diáspora o dispersión cuando interactúan con el medio. A través de un proceso de selección, otros estados cuánticos aparecen en una estado final estable, denominado estado puntero, que está lo suficientemente “adaptado al medio” para ser transmitido a través del medio sin que colapse.
Estos estados simples con la mínima energía pueden entonces hacer copias de alta energía de sí mismos que pueden ser descritos mediante un proceso darwinista y observados a escala macroscópica en el mundo clásico.
Este grupo de investigadores ha realizado unos experimentos basados en puntos cuánticos para explorar esta idea. Los puntos cuánticos actúan a modo de pozos de potencial con dos contactos a través de los cuales pueden entrar o salir electrones.
Podemos utilizar una analogía propuesta por Burke para poder entender mejor lo que han hecho. Imaginemos que una mesa de billar es un punto cuántico y los contactos son las dos únicas troneras por donde pueden entrar y salir las bolas (electrones). Las paredes interiores actúan a modo de barreras en donde las bolas rebotan. Además, en la mesa de billar no hay fricción y una bola puede rebotar indefinidamente en su interior. De este modo, una bola (un electrón) entrante con una trayectoria dada permanecerá en el interior hasta que abandone la mesa (ésta es la parte correspondiente a la decoherencia). O puede que la trayectoria entrante sea tal que no le sea posible alcanzar una tronera para salir y sobreviva como un estado puntero, que es denominado estado diamante (presumiblemente debido a que forma un patrón similar a un rombo).
Una diferencia entre el mundo cuántico y clásico es que los electrones, a diferencia de las bolas de billar, pueden sufrir efecto túnel y atravesar el espacio de fases prohibido para alcanzar el estado diamante, estado que una bola clásica entrando por una tronera desde el exterior no hubiera encontrado por sí misma.
Es esta trayectoria clásica aislada y la construcción de la amplitud de la función de ondas del electrón a lo largo de la trayectoria a lo que se llama función de ondas marcada. Para medir experimentalmente estas funciones de onda, uno puede imaginar que está entre las paredes interiores de la mesa de billar y podemos contar las bolas que hay dentro. Esto es lo que normalmente es medido con la conductancia del sistema formado por el punto cuántico y su ambiente.
Estos investigadores midieron la corriente a través del punto cuántico, es decir, el número de “bolas de billar” por segundo, para tratar de ver cómo cambiaba según movían una sonda sobre la “mesa de billar”. Contaban con un microscopio de puerta de barrido, que aplica un pequeño campo eléctrico. Su efecto se puede visualizar como una pequeña pared (o barrera) circular en la mesa de billar que se puede mover a voluntad dentro de la propia mesa (el punto cuántico).
Una bola que está viajando a lo largo de este patrón romboidal es perturbada si la barrera circular es situada en su trayectoria. Cuando esto pasa, puede ocurrir que la trayectoria se altere lo suficiente como para que la bola tome un nuevo curso dentro de la mesa de billar (dentro del punto cuántico) hasta que finalmente salga por una de las troneras para ser medida. El cambio en la trayectoria de la bola aparece como un cambio en la conductancia, es decir, en el número de bolas (electrones) que salen en un tiempo dado.
Como la ubicación de la barrera se va cambiando con un barrido, a modo similar al barrido de las antiguas pantallas de televisión, se puede levantar un mapa de las funciones de onda marcadas correspondientes a los estados punteros. De vez en cuando, un nuevo electrón pasará por estado túnel a estado diamante, así que las medidas pueden continuar hasta que el área al completo quede cubierta por el barrido.
Los datos obtenidos apoyan las teorías de la decoherencia y del darwinismo cuántico, según sostiene Burke. Según Ferry, los hallazgos son sólo un paso en un proceso abierto a la conjetura, pero apoyan la existencia del darwinismo cuántico y una nueva visión en la búsqueda de pruebas de cómo puede ocurrir la transición del mundo cuántico al clásico. Según él, si uno tiene en cuenta todo esto, se abre la puerta hacia una comprensión más profunda de lo que realmente está sucediendo en el corazón de la realidad física.
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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.
Sobre darwinismo cuántico.
