Efectos cuánticos en la vida real

Las criptofitas son unas algas unicelulares que viven en lugares sin apenas luz, ya sea porque hay mucha agua encima de ellas o porque se acomodan bajo gruesas capas de hielo. Sea como sea, el caso es que apenas tienen luz y, sin embargo, la necesitan para realizar la fotosíntesis. Unos científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur, Australia, han descubierto ahora que las criptofitas captan la poca luz 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 ha capturado luz del sol, tiene que trasladar esa energía al centro de reacción de la célula lo más rápidamente posible, donde la energía se convierte en energía química para el organismo. 

Se daba por hecho que la energía llegaba al centro de reacción de manera aleatoria, como un borracho que vuelve a casa. Pero la coherencia cuántica permitiría a la energía ensayar simulttodas los caminos posibles antes de emprender la ruta más rápida.

Que la fotosíntesis es un proceso cuántico se sabía desde hace tiempo, y ya ha podido ser comprobado por varios estudios en los últimos años, como el realizado en 2013 por científicos del Instituto de Ciencias Fotónicas de Cataluña y de la Universidad de Glasgow.

Lo que este nuevo estudio llegado desde Australia aporta es 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 activan una cadena de transporte hasta los depósitos de energía que nutren la planta; en este proceso, los electrones deben recorrer el camino más eficiente para evitar un gasto de energía innecesario. Para hallar dicho camino, los electrones no siguen un único sendero, sino todos los posibles a la vez.

La mecánica cuántica es habitualmente considerada como la física de los sistemas subatómicos. Sin embargo, sus leyes son universales y nada impide que actúen a gran escala. Si no lo apreciamos, dicen algunos, es por una simple cuestión de perspectiva.

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

Según la teoría de la decoherencia, elaborada en los años 80, la interacción entre las partes de un sistema complejo hacen desaparecer sus propiedades cuánticas. La información de una partícula se filtra a otras partículas en forma de luz y calor, lo que equivale a decir que cada partícula es un observador que efectúa una medición sobre las otras partículas, y este intercambio de información concreta el sistema en una de sus múltiples posibilidades.

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

Con todo, existen diferentes situaciones en las que la filtración de la información puede 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 de superposición en cuerpos macroscópicos:

qAl menos en principio, las leyes de la mecánica cuántica deberían poder aplicarse a objetos tan grandes como deseemos. Ello implicaría que también los cuerpos macroscópicos deberían experimentar la superposición de estados, lo que sin duda choca de forma drástica con nuestra visión del mundo.

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

…¿desaparecere de manera objetiva la superposición cuántica a partir de cierto límite o vivimos en un mundo fundamentalmente cuántico? Tal vez el hecho de no observar fenómenos cuánticos en objetos de gran tamaño se deba a que estos no resultan medibles cuando interaccionan más de 100 partículas… o más de 100 billones.

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

Desde esa perspectiva matemática, la función de onda permite calcular la probabilidad de que se dé un resultado al medir un sistema físico. Pero existe una larga discusión acerca de la realidad de la función de onda, en la que no se termina de 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, aquella del gato vivo y muerto al mismo tiempo. El mismo Schrödinger consideraba que su paradoja, creada para dejar patente el absurdo, era una muestra clara de que la mecánica cuántica tenía algún error. Opinión compartida por Einstein, para quien todos aquellos fenómenos “psi”, como le escribía en una carta de 1935 a Schrödinger, no podían estar describiendo la realidad.

El pensamiento humano clama contra los estados intermedios donde los opuestos se superponen. Y, sin embargo, los gatos de Schrödinger comenzaron a aparecer por todas partes en la última década del siglo XX, cuando la tecnología de los terrícolas permitió que los experimentos mentales dieran paso a las comprobaciones en el mundo espacial.

La primera demostración de la interferencia cuántica en moléculas fue llevada a cabo en 1999 por científicos de la Universidad de Viena dirigidos por Anton Zeilinger; en 2012, se grabó la dualidad onda-corpúsculo en un experimento con moléculas complejas de más de cuatrocientos átomos. Fue entonces cuando se comprobó que el experimento de la doble ranura era aplicable a moléculas; es decir, que, a una escala impensable hasta ese momento, la materia se puede comportar como una onda que interfiere con otras ondas cuyas interferencias determinan la posición de la molécula.

¿Cómo se explican tales fenómenos? Los físicos reacios a aceptar la superposición de estados buscan modificar las ecuaciones de la mecánica cuántica de manera que éstas puedan explicar cómo se produce la transición desde los comportamientos cuánticos de lo microscópico al comportamiento clásico de nuestra realidad percibia.

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

Tales cambios deberían ser lo suficientemente pequeños para explicar que hasta ahora no se hayan observado en los experimentos, pero también lo suficientemente grandes como para que, a escala macroscópica, sólo resulten válidas las leyes de la física clásica.

El bayesianismo cuántico, por su parte, defiende que la función de onda es una abstracción y que todas las paradojas de la mecánica cuántica no son reales, sino productos de la mente. Así, en la realidad el gato está muerto o está vivo, las moléculas están en un punto concreto y el resto es humo, y las paradojas sólo existe en la cabeza del observador.

 

Frente a esta idea, autores como Vlatko Vedral defienden justo lo opuesto: la gran incógnita del experimento imaginario de Schrödinger no es la superposición de estados en el sistema macroscópico que es el gato, sino otra muy diferente: “La verdadera 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 cuánticos en los sistemas macroscópicos:

A día de hoy, muy pocos otorgan a la física clásica un rango equiparable al de la mecánica cuántica; en realidad, aquella no representa más que una aproximación útil a un mundo que se rige por leyes cuánticas a todas las escalas. Puede que los efectos cuánticos resulten difíciles de observar en el mundo macroscópico, pero la razón no tiene que ver con el tamaño en sí, sino con la manera en que los sistemas cuánticos interaccionan unos con otros.

[…]

Y si los sólidos a escala macroscópica y a temperatura ambiente pueden experimentar el entrelazamiento, no nos encontramos sino a un paso de preguntarnos si podemos hacer lo mismo con una clase muy particular de sistemas calientes y de gran tamaño: los seres vivos.

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

Cuando la molécula absorbe la luz visible, los electrones adquieren la energía necesaria para separarse, lo que los hace sensibles al campo magnético terrestre. Si el campo magnético se inclina, afecta de manera diferente a cada electrón e induce un desequilibrio que modifica la reacción química que experimenta la molécula. Esa diferencia se traduce en impulsos neurales que, a la postre, crean una imagen del campo magnético en el cerebro del pájaro.

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

Aún desconocemos cómo un sistema natural preserva los efectos cuánticos durante tanto tiempo, pero la respuesta quizá nos ayude a controlar la decoherencia en los ordenadores cuánticos.

La división entre los mundos clásico y cuántico no parece fundamental, sino solo una cuestión de ingenuidad experimental. “Hoy en día, pocos físicos piensan que la física 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 a enfrentarnos a los misterios más profundos de la teoría: “No podemos relegarlos a meros 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. El concepto fundamental es el entrelazamiento, que conecta sistemas cuánticos sin referencia al espacio o al tiempo.

En este sentido, recuerda Vedral, hay físicos que, como Stephen Hawking, creen que 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 de entrelazamientos.

Una posibilidad aún más interesante consiste en que la gravedad no constituya una interacción de pleno derecho, sino el “ruido” generado por la actividad cuántica de las otras fuerzas fundamentales. Esta idea de una gravedad inducida se remonta al físico nuclear Andréi Sájarov, quien la propuso en los años sesenta.

De ser así, la gravedad no existiría en el nivel cuántico, por lo que los estudios que buscan 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 Royal Society de Londres, la controversia y el debate en torno a la naturaleza cuántica de la 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 un pensamiento que niega la posibilidad de un acercamiento diferente al problema de la realidad.

Según expone en su libro El comienzo del Infinito, tras el éxito probado de la mecánica cuántica a finales de la década de 1920, la comunidad científica no encontró otra salida que la de enrocarse en el instrumentalismo: “si las predicciones funcionan, no hay por qué preocuparse de nada más”; de modo que la teoría de los cuantos se redujo a un manual de instrucciones con el que elaborar artilugios cada vez más eficientes que comenzaron a ver el éxito a partir de la década 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 perspectiva ontológica ajeno al utilitarismo quedó plasmado en una frase que se ha repetido sin cesar durante más de setenta años: “si crees que has comprendido la mecánica cuántica, es que no la has comprendido”; de modo que todo intento por comprender se considera una lamentable pérdida de tiempo siempre que no tenga relación con el desarrollo tecnológico.

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

…gracias a una serie de extraordinarios descubrimientos científicos, disponemos hoy día de algunas teorías muy complejas sobre la estructura de la realidad. Si aspiramos a comprender el mundo en un sentido que no sea meramente superficial, deberemos hacerlo por medio de esas teorías y la razón, y no basándonos en nuestros prejuicios, las ideas que nos han sido imbuidas o, incluso, el sentido común. Las mejores de esas teorías no sólo son más ciertas que el sentido común, sino que también son mucho más sensatas.

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

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