sobre el origen de la ecuación de Schrödinger.

Una de las piedras angulares de la física cuántica es la ecuación de Schrödinger, la cual describe lo que un sistema de objetos cuánticos como los átomos y partículas subatómicas van a hacer en el futuro en función de su estado actual. Las analogías clásicas son la segunda ley de Newton y la mecánica hamiltoniana, las cuales predicen lo que un sistema clásico hará en el futuro, dada su configuración actual. Aunque la ecuación de Schrödinger fue publicada en 1926(ver aquí) , los autores de un nuevo estudio explican que el origen de la ecuación todavía no está plenamente apreciada por muchos físicos. En un nuevo artículo publicado en PNAS (ver aquí) , Wolfgang P. Schleich y un grupo de físicos de instituciones en Alemania y USA explica que los físicos por lo general llegan a la ecuación de Schrödinger con una receta matemática . En el nuevo estudio, los científicos han demostrado que es posible obtener la ecuación de Schrödinger de una identidad matemática simple, y encuentran que las matemáticas involucradas pueden ayudar a responder algunas de las preguntas fundamentales que atañen a esta importante ecuación. Aunque gran parte del trabajo consiste en complejas ecuaciones matemáticas , los físicos describen la cuestión de los orígenes de la ecuación de Schrödinger en una forma poética: "El nacimiento de la ecuación de Schrödinger dependiente del tiempo fue quizás no a diferencia del nacimiento de un río difícil de localizar su fuente única a pesar del hecho de que los signos pueden marcar oficialmente su inicio. Normalmente, muchos arroyos y ríos se fusionan de repente para formar un poderoso río. En el caso de la mecánica cuántica, hay tantos resultados experimentales convincentes que muchos de los principales libros de texto en realidad no motivan el tema [de los orígenes de la ecuación de Schrödinger].En su lugar, a menudo simplemente postulan la clásica regla -cuántica.... La razón dada es la que "funciona". Uno de los Coautores Marlan Scully, profesor de física en la Universidad A & M de Texas, explica cómo los físicos pueden utilizar la ecuación de Schrödinger a lo largo de sus carreras, pero muchos aún carecen de una comprensión más profunda de la ecuación. "Muchos físicos, tal vez incluso la mayoría de los físicos, ni siquiera piensan en los orígenes de la ecuación de Schrödinger en el mismo sentido que Schrödinger lo hizo", dijo Scully. "A menudo se nos enseña (véase, por ejemplo, el clásico libro de Leonard Schiff, 'Quantum Mechanics') que la energía va a ser reemplazada por una derivada en el tiempo y que el impulso se va a sustituir por una derivada espacial. Y si se pone esto en un Hamiltoniano de la dinámica clásica de las partículas, se obtiene la ecuación de Schrödinger Es una lástima que no pasamos más tiempo en motivar y enseñar un poco de la historia a nuestros estudiantes;. como consecuencia, muchos estudiantes no saben acerca de los orígenes ". Scully añadió que la comprensión de la historia, tanto de la ciencia y los científicos involucrados pueden ayudar a proporcionar una apreciación más profunda de la materia. De esta manera, los autores del presente trabajo están construyendo sobre el propio descubrimiento revolucionario de Schrödinger. "Schrödinger estuvo abriendo nuevos caminos e hizo el trabajo heroico de obtener la ecuación correcta", dijo Scully. "¿Cómo se obtiene la ecuación correcta , es menos importante que conseguirla el hizo un trabajo maravilloso en aquel entonces derivándo la función de onda de un átomo de hidrógeno y mucho más. Lo que estamos tratando de hacer es entender más profundamente la conexión entre la mecánica clásica y cuántica de ver las cosas desde diferentes puntos de vista, obteniendo sus resultados de manera diferente ". Como la analogía del río implica, hay muchas maneras diferentes de obtener la ecuación de Schrödinger, con la más destacada habiendo sido desarrollada por Richard Feynman en 1948 (ver aquí). Sin embargo, ninguno de estos enfoques ofrece una explicación satisfactoria para uno de los rasgos definitorios de la mecánica cuántica: su linealidad. A diferencia de las ecuaciones clásicas, que son no lineales, la ecuación de Schrödinger es lineal. Esta linealidad da a la mecánica cuántica algunas de sus características singularmente no clásicas, como la superposición de estados. En su artículo, los físicos desarrollaron una nueva forma de obtener la ecuación de Schrödinger a partir de una identidad matemática utilizando la mecánica estadística clásica basada en la ecuación de Hamilton-Jacobi. Para hacer la transición desde la ecuación de onda clásica no lineal a la lineal ecuación de Schrödinger es decir, desde la física clásica a la física cuántica , los físicos hicieron algunas elecciones diferentes con respecto a la amplitud de la onda y de este modo linealizaron la ecuación no lineal. Algunas de las opciones resultaron en un acoplamiento más fuerte entre la amplitud y la fase de la onda en comparación con el acoplamiento en la ecuación clásica. "Hemos demostrado con una identidad matemática como punto de partida de todo, que la elección del acoplamiento determina la no linealidad o la linealidad de la ecuación", Schleich, profesor de física en la Universidad de Ulm, dijo. "En algunas ecuaciones de onda, hay acoplamiento entre la amplitud y fase de modo que la fase determina la amplitud, pero la amplitud no determina la fase. En la mecánica cuántica, tanto la amplitud como la fase dependen una de la otra, y esto hace a la ecuación de onda cuántica lineal ". Debido a que este acoplamiento entre la amplitud y la fase asegura la linealidad de la ecuación, que es esencialmente lo que define una onda cuántica; para ondas clásicas, la fase determina la amplitud, pero no viceversa, por lo que la ecuación de onda es no lineal. "Como se muestra en nuestro documento, la lógica de la continuidad más la ecuación Hamilton-Jacobi conducen a una ecuación que es muy similar a la ecuación de Schrödinger," dijo Scully. "Pero es diferente y esta diferencia es algo que consideramos importante entender. Desde cierto punto de vista, el término adicional que entra en la ecuación de onda no lineal correspondiente a la física clásica (en oposición a la ecuación de Schrödinger lineal) muestra que la ecuación clásica no es lineal y que no podemos tener superposiciones de estados. Por ejemplo, no podemos unir ondas viajando a la derecha e izquierda para conseguir ondas estacionarias debido a este término no lineal. Es cuando tenemos ondas estacionarias (soluciones de onda viajando a la izquierda y derecha) que conseguimos más naturalmente las soluciones de valores propios que deben, parecerse a los estados propios del átomo de hidrógeno. Así enfatizando que la linealidad es muy importante ". El análisis también arroja luz sobre otra vieja pregunta acerca de la ecuación de Schrödinger, cual es la razón del por qué ella involucra una unidad imaginaria? En el pasado, los físicos han discutido si la unidad imaginaria, la cual no aparece en las ecuaciones clásicas-es un rasgo característico de la mecánica cuántica, o si responde a otro propósito. Los resultados aquí sugieren que la unidad imaginaria no es una característica cuántica característica, sino es sólo una herramienta útil para combinar dos ecuaciones reales en una única ecuación compleja . En el futuro, los físicos tienen previsto extender su enfoque-que se ocupa actualmente de partículas sencillas al fenómeno del entrelazamiento, el cual implica múltiples partículas. Señalan que Schrödinger llamó al entrelazamiento “el rasgo de la mecánica cuántica”, y una mejor comprensión de sus orígenes podrían revelar algunos datos interesantes sobre el funcionamiento de los componentes más pequeños de nuestro mundo. "Actualmente estamos viendo los problemas desde el punto de vista actual-cómo y en qué medida se puede recuperar la mecánica cuántica mediante la relajación de la clásica idea actual y centrarse en una corriente de tipo cuántico", dijo Scully. "Desde esta perspectiva, conseguimos dentro de la invariancia gauge que hay un montón de cosas divertidas que se pueden considerar y que estamos tratando de adaptarlas juntas y ver donde cada una de estas perspectivas nos lleva. También es divertido saber quienes han tenido ideas como estas en el pasado y cómo todas las ideas se unen para darnos una comprensión más profunda de la mecánica cuántica . Si nuestro papel estimula el interés en este problema, se habrá cumplido su propósito. "






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 http://phys.org/news/2013-04-schrodinger-equation.html

una constelación cuántica.

La representación geométrica de Majorana del spín cuántico como puntos sobre una esfera ofrece un enfoque intuitivo en la comprensión de los sistemas cuánticos con varios componentes.

El físico italiano Ettore Majorana, quien desapareció en 1938, es ampliamente reconocido por haber inventado la noción de una partícula fermiónica, el fermión de Majorana, el cual tiene la extraña propiedad de ser su propia antipartícula [ ver aquí ]. Lo que quizás es menos conocido es que también desarrolló una representación natural y exacta de un espín cuántico [ver aquí], lo que inspiró a Julian Schwinger para crear la representación bosónica de uso frecuente hoy en día en el estudio teórico de los sistemas de spin cuánticos [ ver aquí ].

En la representación de Majorana, un estado de spín en general corresponde a una configuración de puntos sobre una esfera, una imagen que hace que un espacio de Hilbert de alta dimensión sea más fácil de comprender. En Physical Review Letters, Patrick Bruno del European Synchrotron Radiation Facility en Grenoble, Francia, ha reavivado esta representación mediante el desarrollo de un método intuitivo y sistemático para el cálculo de las propiedades físicas del estado de spín, tales como su energía, y siguiendo la evolución del spin en el tiempo [ ver aquí ]. El enfoque intuitivo de Bruno tiene el potencial para guiar nuestra comprensión de los sistemas cuánticos con varios componentes, que son vastos y complejos, como lo existentes en ingeniería cuántica e información cuántica.

Para el caso elemental de un spin ½ O cualquier sistema cuántico de dos
niveles, Felix Bloch estableció [ ver aquí ] que un estado puro arbitrario puede ser representado por un punto sobre una esfera unidad. En esta imagen (ver Fig. 1, izquierda), un estado de spin-hacia arriba corresponde al polo norte y un estado de espín hacia abajo corresponde al polo sur. Una superposición de estos dos estados corresponde a un punto sobre la esfera definido por el vector unidad n. La razón es geométrica: además de un factor de normalización no esencial y una fase general, un estado de superposición se especifica por la amplitud relativa y la fase de sus dos componentes, y estos dos parámetros se pueden asignar a las coordenadas esféricas θ, Φ, Que especifican la dirección de n. El punto en n también se podría ver como un autoestado con autovalor +1/2 para un spin orientado a lo largo de n. Para este simple caso de spin-1/2 , la estrella de Majorana se define como el punto único en la esfera en la dirección opuesta a n.

figura 1 a la izquierda en un spin-1/2 u otro sistema de dos niveles,cualquier estado puede ser construido a partir de una superposición de un spin hacia arriba y un spin hacia abajo (flechas azules).Esta superposición corresponde a un punto sobre una esfera unidad definido por el vector n.A la derecha de la imágen se observa una proyección planar del hemisferio norte de una representación esférica de estrellas de Majorana para un spin J=25.La región nubosa representa la distribución de probabilidades para la función de onda del spin.En la imágen de Bruno esta distribución de probabilidades es análoga a la densidad de un gas clásico que es repelido desde las estrellas de Majorana.Crédito.APS/Carin Cain; (Right) Courtesy P. Bruno/ESRF.

Sin embargo, un estado spin-J con J>1/2, en general, no corresponden a un estado propio del vector de spin en cualquier dirección. Además de una fase general, se necesitan 2J números complejos para especificar un estado, y estos números no pueden ser representados por un solo punto sobre una esfera. Autoestados con autovalores +J para el componente del spin en cada dirección, lo cuales son llamados
estados coherentes de spin, constituyen sólo un pequeño subconjunto de todos los posibles estados cuánticos. Sin embargo, uno puede representar un estado cuántico en general como una superposición lineal de los estados coherentes de spin-. El coeficiente de superposición, dado por el producto escalar del estado general con un estado coherente, es entonces una función de onda compleja de n. En términos generales, esta función de onda compleja representa la amplitud de probabilidad de encontrar el spin en esa dirección.

La visión de Majorana fue que esta función de onda tiene 2J puntos, o "vórtices"-sobre la esfera de Bloch, donde la función de onda se desvanece. Aparte de un factor de fase global y normalización, la función de onda está completamente especificada por las posiciones de estos vórtices. En concreto, el estado de espín tiene cero coincidencia con el estado de espín coherente a lo largo de las direcciones de los vórtices. En su nuevo trabajo, Bruno llama a estos vórtices las estrellas de Majorana. En esta imagen, el estado propio del momento angular de espín m a lo largo de la dirección n corresponde a
m estrellas coincidiendo en n con el restante 2J . Configuraciones especiales que no sean esta distribución "antípodal" dan todos los demás estados de spín cuántico en el vasto espacio de Hilbert.


Bruno ha encontrado un método sistemático de utilizar reglas esquemáticas para calcular las cantidades físicas, tales como la energía, en términos de las posiciones de estrella Majorana. El truco está en hacer una conexión entre la distribución de probabilidad de la función de onda de spin sobre la esfera de Bloch y la densidad de un gas clásico de partículas independientes (Fig. 1, derecha). Usando esta analogía, el cálculo de la función de onda de spin es equivalente a calcular la distribución del "gas" en el equilibrio térmico, suponiendo que es repelido de la estrellas Majorana por un potencial que varía logarítmicamente con la distancia. Además, Bruno ha encontrado que existe también un campo magnético artificial en la dirección radial que tiene una intensidad dada por la densidad del gas, como si cada partícula de gas lleva una unidad cuántica de flujo magnético. Junto con la energía de spin , este campo magnético artificial dota a las estrellas de Majorana con una dinámica clásica que refleja exactamente la evolución del espín cuántico que se rige por la ecuación de Schrödinger.

Como muestra Bruno,las estrellas Majorana son similares a vórtices en otros sistemas, tales como un superfluido de dos dimensiones o un gas de electrones en un estado Hall cuántico. Estos vórtices tienen una vida propia, y sienten un campo magnético artificial, proporcional a la densidad de las partículas. Hay una explicación sencilla de este fenómeno común. Cuando una partícula se mueve alrededor de un vórtice una vez, la función de onda cuántica acumula una fase de 2π. En otras palabras, la partícula siente un flujo parecido al Aharonov-Bohm en la posición de vórtice. Puesto que "moverse alrededor" es relativo, uno puede mirar esto desde la perspectiva del vórtice y decir que el siente el mismo flujo de la partícula. Esto es confirmado, efectivamente, en el presente caso por un cálculo directo de la fase geométrica para el movimiento cíclico de los vórtices [ ver aquí ].


La dinámica de las estrellas de Majorana difiere, pero está estrechamente relacionada con la forma canónica de la dinámica de Hamilton, que se imparten en la mecánica clásica. Un espacio de fase clásico es extendido por un conjunto de coordenadas generalizadas y sus momentos conjugados, con velocidades y fuerzas, simplemente dadas por los gradientes de la función de Hamilton. En el caso del spín cuántico, el espacio de fase se define por las coordenadas de las 2J estrellas de Majorana sobre la esfera de Bloch, pero la dinámica es, en general, no canónica.


Si se hubiera elegido una base ortogonal, tal como los 2J + 1 autoestados de la
componente del espín a lo largo de un eje fijo, la ecuación de Schrödinger implicaría una dinámica canónica, con las probabilidades y las fases jugando el papel de los momentos canónicos y las coordenadas [ ver aquí ]. La estructura canónica sigue siendo cierta incluso para las probabilidades relativas y fases después de la separación de la probabilidad total (que se normaliza siempre de todos modos) y una no esencial fase general [ ver aquí]. Estas variables canónicas puede ser directamente relacionada con las estrellas Majorana, pero la relación no necesariamente forma una transformación canónica, haciendo la dinámica de la última no canónica.

La representación de Majorana y el nuevo desarrollo de Bruno puede llegar a ser muy útil en sistemas tales como imanes moleculares [ver aquí] o qubits multinivel [ ver aquí ]. Gran parte de nuestra intuición en el pasado se derivó de una imagen semiclásica, con las estrellas agrupadas y moviéndose de acuerdo a la ecuación de Landau-Lifshitz. Ahora podemos visualizar el espacio cuántico con todo detalle y con facilidad dejando que las estrellas se diseminen y deambulen en la esfera de Bloch.


artículo del físico Qian Niu para Physics.aps.




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http://physics.aps.org/articles/v5/65

¿es posible viajar en el tiempo?.

Es fácil desestimar el viaje en el tiempo como nada más que ciencia ficción.

Después de todo, HG Wells escribió La máquina del tiempo a finales de 1800, pero todavía nadie ha construido una que funcione. Sin embargo no hay que rendirse,: estamos continuamente haciendo descubrimientos que nos pueden mostrar el camino a seguir – o descartarlo.
El viaje en el tiempo es inherente a los conceptos básicos de la relatividad general. La teoría de Einstein predice que el tiempo transcurre más lentamente en la fuerte gravedad, por lo que envejecen más lentamente los que viven en una cabaña que en un rascacielos: estándo más cerca del suelo, se está en la gravedad ligeramente más fuerte . Así que para hacer una máquina del tiempo, usted simplemente tiene que conectar dos regiones donde el tiempo fluye a diferentes velocidades.
Tomemos, por ejemplo, la Tierra y las inmediaciones de un agujero negro, donde la fuerte gravedad hace que el flujo de tiempo ocurra muy lentamente. Digamos que comenzamos con dos relojes marcando el lunes en los dos lugares. Cuando llega el Viernes en la Tierra, seguirá siendo sólo el miércoles por el agujero negro. Así que si usted pudiera viajar instantáneamente desde la Tierra hasta las cercanías del agujero negro, se podría viajar desde el viernes de vuelta hasta el miércoles.
La pregunta es, ¿se puede hacer? Sí - en principio. Según la teoría cuántica, la estructura del espacio-tiempo es una maraña de sub-microscópicos atajos a través del espacio y el tiempo conocidos como agujeros de gusano. Unos pocos pasos a lo largo de un túnel y se podría surgir años luz de distancia en el otro lado de la galaxia, o años en el pasado o el futuro. Es posible que las partículas fantasmales llamadas neutrinos ya podrían estar realizando tal hazaña .
Para el resto de nosotros, sin embargo, hay algunos problemas prácticos a resolver en primer lugar. Para usar un agujero de gusano para viajar en el tiempo, se tienen que vincular los tiempos y los lugares entre los que se desea viajar: lo que puede significar de alguna manera remolcar un extremo a las cercanías del agujero negro .
Manejar eso todavía tienes problemas: usted tendría que inflar el cuántico agujero de gusano hasta un tamaño macroscópico y encontrar una manera de mantener a su entrada y salida abiertas. Esto es un reto, ya que los agujeros de gusano son inestables y se cierran de golpe en un abrir y cerrar de ojos. Para mantenerlo abiertos, se necesita un tipo hipotético de materia con una gravedad repulsiva. No sabemos si tal materia exótica con la suficiente fuerza existe.Pero lo que sí sabemos es que para crear un túnel con una boca de un metro de diámetro - lo suficientemente amplia como para que alguien la atraviese- usted tendría que utilizar la energía total generada por una gran parte de las estrellas de nuestra Vía Láctea, en un año.
Debido a todo ese esfuerzo, una máquina del tiempo nunca nos llevará de regreso a los grandes momentos de la historia. Si encontramos un agujero de gusano, será por definición el primer momento en que los viajeros del tiempo al pasado serán capaces de alcanzarlo. Así que si se quiere ir a un safari de dinosaurios, se tiene una sola opción: encontrar una máquina del tiempo abandonada en la Tierra por los extraterrestres hace por lo menos 65 millones de años.
Sin embargo, podemos hacer algunas cosas interesantes con nuestra propia máquina del tiempo. Por ejemplo tan pronto como construyamos una, las futuras civilizaciones serán capaces de volver al pasado y visitarnos. Esto abre una posibilidad interesante: es posible que alguien vuelva y mate a un antepasado directo, haciéndo su propia existencia imposible? Este es el rompecabezas más famoso del viaje en el tiempo, la "paradoja del abuelo". Y resulta que la física cuántica puede tener una respuesta.
Desde hace años, los físicos cuánticos han estado "teletransportándo" partículas copiando la información que describe una partícula y pegándola en otra lejana. En enero, Seth Lloyd, del Instituto de Tecnología de Massachusetts y Aephraim Steinberg de la Universidad de Toronto, en Canadá, demostraron que las reglas cuánticas permiten que este tipo de teletransporte se realice en el tiempo y espacio (ver aquí). Debido a que los estados cuánticos de las partículas como los fotones y los electrones pueden ser afectados por las mediciones eso se hará en sus futuros, el viaje en el tiempo es algo natural para el mundo cuántico.
Los experimentos de Lloyd y Steinberg demostraron que, con los fotones, al menos, la mecánica del viaje en el tiempo conspira para mantener las nociones familiares de causa y efecto.Crearon fotones para viajar hacia atrás en el tiempo y luego voltean su estado de polarización. Este volteo corresponde a los fotones que entran en un estado que significaba que ellos podrían no haber viajado en el tiempo, en el primer lugar, y el nuevo estado "mata" al anterior.
Debido a las probabilidades involucradas en las mediciones cuánticas siempre había una posibilidad de que los procesos sucedieran o no sucedieran. Lloyd y Steinberg encontraron que cuando se creó un fotón para matar a su "abuelo", ya sea el viaje en el tiempo o el volteo de la polarización siempre fallaron.
Esto es un ejemplo de lo que Stephen Hawking en la Universidad de Cambridge llama la protección cronológica. Como la dificultad de crear un agujero de gusano para viajar en el tiempo demuestra, las leyes de la física parecen decididas a mantener las reglas del sentido común de causa y efecto. Sin embargo, la puerta de los viajes en el tiempo aún está firmemente abierta.





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http://www.newscientist.com/article/mg21128331.300-about-time-is-time-travel-possible.html

vida cuántica,la extrañeza dentro de nosotros.

Ideas desde el lado extraño de la física podrían explicar algunos misterios de larga data de la biología.

Alguna vez se ha sentido un poco incoherente? O quizás usted ha tenido dos opiniones sobre algo, o incluso permanecido en un estado sensible. Bueno, aquí esta su excusa: tal vez eres esclavo de las extrañas reglas de la mecánica cuántica.
Tendemos a pensar que la interacción entre la física cuántica y la biología se detiene con el gato de Schrödinger. No es que Erwin Schrödinger quiso que su desafortunado felino – suspendido gracias a las reglas cuánticas en un estado simultáneo de estar a la vez vivo y muerto – fuera a ser algo más que una metáfora. De hecho, cuando escribió su libro de 1944 ¿Qué es la vida?, Especuló que los organismos vivos harían todo lo posible por bloquear la falta de claridad de la física cuántica.
Pero, ¿es ese el caso? Podrían las partículas que ocupan dos estados a la vez, las cuales interactúan aparentemente inexplicablemente sobre grandes distancias exhibir otros malos comportamientos cuánticos haciéndo que muchos procesos escenciales para la vida funcionen?.Al aceptar esta idea, dicen sus defensores, podríamos aprovecharla para mejorar el diseño de fármacos, de células solares de alta eficiencia y súper rápidos ordenadores cuánticos. Hay algo que tenemos que entender antes de hacerlo: ¿cómo lo cuántico se relaciona con la biología en el primer lugar?
Por un lado, se podría pensar,que no deberíamos estar sorprendidos de que la vida tiene un límite cuántico. Después de todo, la biología se basa en la química y la química tiene que ver con las acciones de los electrones atómicos - y los electrones son las bestias en el corazón de la mecánica cuántica. Eso es la verdad, dice Jennifer Brooks, quien investiga los efectos de la biología cuántica en la Universidad de Harvard. "Por supuesto que todo es en última instancia cuántico porque las interacciones de los electrones se cuantifican".

Por otro lado, los estados cuánticos en teoría son bestias delicadas, que fácilmente se alteran y destruyen por la interacción con su entorno. Hasta ahora, los físicos los han logrado producir y manipular sólo en entornos altamente controlados con temperaturas cercanas al cero absoluto, y sólo por fracciones de segundos. Encontrar los efectos cuánticos en el mundo grande, húmedo y caliente de la biología es como tener que tenerlos en cuenta en un gran proyecto de ingeniería, dice Brookes. "¿Qué tan útil es saber lo que los electrones están haciendo cuando usted está tratando de construir un avión?" , pregunta.
Podría ser que esta creencia popular este equivocada? Tome como ejemplo el olfato, el área de interés de Brookes. Durante décadas, la línea ha sido que el olor de una sustancia química está determinada por la forma molecular. Los receptores olfativos en la nariz son como cerraduras que se abren sólo con la clave correcta, cuando esa clave se acopla, desencadena las señales nerviosas que el cerebro interpreta como un olor particular.
¿Es eso posible? Tenemos alrededor de 400 receptores de olor de diferentes formas, pero pueden reconocer alrededor de 100.000 olores, lo que implica un ingenioso cálculo para combinar las señales de los diferentes receptores y procesarlos en distintos olores. Por otra parte, esa es sólo el tipo de cosas con las que nuestros cerebros están bien. Una crítica más contundente es que algunos productos químicos tienen olor similar, pero se ven muy diferentes, mientras que otros tienen la misma forma, pero un olor diferente. Los compuestos orgánicos vainillina y isovainillina, por ejemplo, tienen el olor diferente, pero son dos similares arreglos de la misma molécula (benzaldehído).
Existe una explicación alternativa. Hace unos 70 años, incluso antes de que el mecanismo de la cerradura y clave se sugiriera, el distinguido químico británico Malcolm Dyson sugirió que, al igual que el cerebro construye los colores de diferentes frecuencias vibratorias de la radiación de luz, el interpreta las frecuencias características en la que ciertas moléculas vibran como un catálogo de olores.
La idea languideció en la oscuridad hasta 1996, cuando Luca Turín, un biofísico entonces en el Colegio Universitario de Londres, propuso un mecanismo que podría hacer el trabajo de detección de vibración:el túnel del electrón. Este fenómeno resulta de la básica falta de claridad de la mecánica cuántica, y es fundamental en dispositivos que van desde microchips a los microscopios.Cuando un electrón está confinado en un átomo, no tiene una energía exactamente definida, sino tiene una extensión de energías posibles. Eso significa que hay una cierta probabilidad de que él simplemente perfore la barrera de energía que normalmente evita que se escape del átomo.
La idea de Turín es que cuando una molécula olorosa se aloja en el bolsillo de un receptor, un electrón puede atravesar la molécula de un lado a otro, desatando una cascada de señales en el otro lado, que el cerebro interpreta como un olor.Eso sólo puede ocurrir si hay una coincidencia exacta entre el nivel de energía cuantizado del electrón y la frecuencia de vibración natural del olor. "El electrón sólo puede moverse cuando todas las condiciones se cumplen", dice Turín. La ventaja, sin embargo, es que crea un aroma sin necesidad de un exacto ajuste de forma.
Era una idea polémica. En el 2007 Brookes, entonces trabajando en el University College de Londres, y sus colegas demostraron que el mecanismo es físicamente plausible: los plazos son consistentes con la velocidad con la que el cerebro responde al olor, y las señales generadas son lo suficientemente grandes como para que el cerebro las procese (ver aquí). Y en enero de este año Turín, ahora trabajando en el Centro de Investigación Alexander Fleming de Ciencias Biomédicas en Vari, Grecia, y sus colegas informaron de lo que parece ser una evidencia para la detección de vibraciones. Ellos demostraron que las moscas de fruta puede distinguir entre dos tipos de acetofenona, una base común para los perfumes, cuando una contiene hidrógeno normal y la otra contiene el más pesado deuterio. Ambas formas tienen la misma forma, pero vibran a diferentes frecuencias (ver aquí). Esa sensibilidad solamente puede significar el efecto túnel del electrón, dice Andrew Horsfield del Imperial College de Londres, uno de los autores en el papel de Brookes , en los modelos clásicos de flujo de electrones el electrón no sería sensible a la frecuencia vibratoria. "No se puede explicar sin el aspecto cuántico".
El olfato no es la única cosa que los defensores de la biología cuántica creen que pueden explicar: está también el mecanismo que acciona a todo el reino animal. Todos tenemos el adenosin trifosfato o ATP, una sustancia química producida en las mitocondrias de las células por el movimiento de los electrones a través de una cadena de moléculas intermedias. Cuando tratamos de calcular qué tan rápido sucede esto, llegamos a un problema. "En la naturaleza el proceso es mucho más rápido de lo que debería ser", dijo Vlatko Vedral, un físico cuántico de la Universidad de Oxford.
Vedral piensa que esto es debido a que depende de la calidad de "superposición", la cual permite al tipo de onda mecánico cuántica que describe a los electrones estar en dos sitios a la vez. Se calcula que la omnipresencia cuántica podría acelerar el paso de los electrones a través de la cadena de reacción. "Si se pudiera demostrar que la superposición está ahí y que de alguna manera también es importante para el flujo de electrones, sería muy interesante", dice.
Los primeros cálculos de Vedral apoyan la idea, pero él dice que es demasiado pronto para hacer ninguna afirmación. Es difícil calcular todos los parámetros involucrados en el transporte de electrones, y es posible que los cálculos clásicos acaben utilizándo los números equivocados. "Y como todavía no tenemos ninguna prueba experimental", dice. Dicha prueba podría estar muy cerca - en la forma en que las plantas y algunas bacterias obtienen su energía. Parece que la "fotosíntesis podría ser un gran juego cuántico.

Evidencia directa de que esto es así llegó en el 2007, cuando un grupo dirigido por Graham Fleming en la Universidad de California, en Berkeley, tuvo una mirada cercana de la fotosíntesis en el tepidum Chlorobium una bacteria verde del azufre. Se detectaron "pulsaciones" las señales características de interferencia de ondas cuánticas en los centros de la fotosíntesis de las bacterias enfriada a 77 grados Kelvin (ver aquí). En enero del año pasado, un grupo liderado por Gregory Scholes de la Universidad de Toronto, Canadá, mostró un efecto similar a temperatura ambiente en las proteínas captadoras de luz de dos algas marinas (ver aquí).
Este es un truco que nos gustaría aprender. A pesar de que la fotosíntesis no es particularmente eficiente en general, la etapa inicial de la conversión de fotones entrantes en energía de los electrones en las moléculas pigmentadas recolectoras de luz de un organismo fotosintético es muy eficaz.Cuando la luz solar es débil, las plantas son capaces de traducir más de 90 por ciento de los fotones en energía que transporta un electrón, en luz solar fuerte las plantas tienen que arrojar la mitad de la energía para evitar el sobrecalentamiento.
La explicación de Scholes para esto es que cuando la luz incide en los electrones, ellos son empujados a una superposición cuántica que les permite estar en dos sitios a la vez. Eso efectivamente "conecta" a las moléculas captadoras de luz al centro de reacción donde la fotosíntesis se lleva a cabo por unos pocos cientos de femtosegundos. Durante ese tiempo, un electrón puede, de acuerdo a las reglas cuánticas, tomar todas las rutas entre los dos lugares al mismo tiempo. El sondear el proceso más de cerca causa que la superposición colapse - y revele que el electrón ha tomado el camino en que pierde el mínimo de energía.
¿Podríamos tener una página del libro de biología? Scholes cree que sí. "Cada año hay miles de artículos publicados sobre la transferencia de energía", dice. "Suena duro, pero no hemos aprendido una cosa aparte de lo obvio". Una mejor comprensión de lo que está pasando también podría ayudarnos en el camino hacia la construcción de un computador cuántico que explote los estados coherentes para hacer cálculos múltiples a la vez.Los esfuerzos en ese sentido han sido hasta ahora frustrados por nuestra incapacidad para mantener la coherencia requerida por mucho tiempo - incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto y en aisladas instalaciones experimentales donde las perturbaciones del mundo exterior se reducen al mínimo.
Este sigue siendo el dilema central para los físicos al estudiar los aspectos cuánticos de la biología. Si no podemos hacer estas cosas en nuestros laboratorios aislados, ¿cómo puede una hoja en su menos aislado jardín hacerlo? Si el petirrojo europeo pudiera hacer algo más que gorjear quizás ello también podría decirnos - y explicarnos sus aparentes superpoderes cuánticos (ver "La visión de las aves" al final del artículo).
Por el momento tenemos poco más que conjeturas. Una de ellas es que es simplemente una maravilla de la evolución. Scholes cree que las proteínas alrededor del equipo de recolección de luz de las algas podrían haber evolucionado estructuras que escudan las perturbaciones del medio ambiente y así permitir que los procesos internos exploten la magia de la física cuántica para darles una ventaja selectiva. Vedral piensa algo similar, aunque por qué y cómo la naturaleza hace esto, dice, "no está claro".
Turín se encoge de hombros, también. " 4 mil millones de años de la vida en la nanoescala habrán diseñado muchos milagros", dice. Debemos aprender a aceptar lo que vemos y tratar de imitar, dice - y no sólo en las células solares y los ordenadores cuánticos. Mientras que lo que hace a un fármaco eficaz o ineficaz no está nada claro, por ejemplo, sabemos que el funcionamiento de las cosas como neurotransmisores en el cerebro depende de las reacciones redox, las cuales todas tienen que ver con el flujo de electrones. Si estos flujos se dan de forma más extraña de lo que hasta ahora hemos imaginado, se podría abrir una nueva vía para diseñar fármacos para el tratamiento de algunos de nuestros males
Otros piensan que la naturaleza nos está llevando por el sendero del jardín. Es la fotosíntesis, por ejemplo, realmente hecha más eficiente mediante la explotación de la interferencia cuántica y los efectos de superposición? Creo que el jurado aún está deliberando sobre esta cuestión," dice Robert Blankenship de la Universidad de Washington en St Louis, Missouri. "Creo que es posible que, dependiendo de los detalles del sistema, se podría fácilmente disminuir la eficiencia." Simon Benjamin, un colega de Vedral en la Universidad de Oxford, se pregunta cómo podemos realmente poner larga duración a los estados cuánticos para trabajar si de hecho ellos no aparecen en los sistemas naturales. "Ciertamente es demasiado pronto para hacer afirmaciones dramáticas", dice.
Todos están de acuerdo en pisar con cautela en torno a este nuevo campo y es necesario tener precaución - sin embargo, hay una palpable sensación de emoción. Max Planck descubrió la teoría cuántica hace más de un siglo a causa de las observaciones extrañas que no podrían ser explicadas de otra manera. Eso llevó al láser y a los semiconductores, y a toda la revolución tecnológica que ellos han sembrado. La biología cuántica está en esa etapa inicial de observaciones inexplicables.Turín cree que algo grande está emergiéndo. "No puedo dejar de pensar que estamos viendo sólo una pequeña parte de un iceberg mucho, mucho más grande", dice.



La visión de las aves.

Otro ejemplo de los efectos cuánticos en biología podría estar en cómo las aves perciben el campo magnético de la Tierra . En el 2004, Thorsten Ritz, de la Universidad de California,en Irvine, demostró cómo las alteraciones magnéticas que sólo aparecen en los sistemas que permiten detectar las transiciones entre particulares estados mecánico cuántico del spin atómico podrían alterar el compás del petirrojo europeo, Erithacus rubecula.
Ritz sugiere que las aves vienen equipadas con un sistema de sensores que contiene los estados de spin el cual voltea en respuesta a cambios en el campo magnético de la Tierra, produciendo señales que el cerebro de las aves, de alguna manera detecta. Pero, ¿cómo?
La primera propuesta fué que algunos aparatos en el ojo inician una reacción química. Pero esto requeriría un constante y rápido volteo del spin para mantener la información química fluyéndo, mientras que las aves parecían mantener estados delicado del spin por tiempos extraordinariamente largos de hasta 100 microsegundos.
De acuerdo a Stoneham Marshall de la Universidad College de Londres y sus colegas, el problema podría ser superado si las aves utilizan algo similar a una peculiaridad visual humana en la cual se detecta la polarización de la luz,conocida como cepillo de Haidinger, esta superpone un ligero arco de color amarillo en nuestro campo visual, y se cree que resulta de la forma en que absorben la luz azul las moléculas de luteína que están dispuestas en círculos concéntricos dentro de nuestro ojo.
Stoneham calculó que un campo magnético puede producir una distorsión similar en el campo visual de un pájaro, la orientación que se modificaría con un cambio en el campo magnético.Fundamentalmente, eso se produciría sólo si los estados cuánticos duran lo suficiente como para afectar a muchas de la moléculas sensoras de la luz de las aves, al mismo tiempo.(ver aquí).





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http://www.newscientist.com/article/mg21128321.500-quantum-life-the-weirdness-inside-us.html