Se han considerado durante mucho tiempo disciplinas independientes, que describen la naturaleza a nivel microscópico inanimado, por un lado, y las especies vivas, por otro.

En las últimas décadas, las ciencias de la vida han logrado proporcionar explicaciones cada vez más numerosas y refinadas de los fenómenos macroscópicos, basadas en una mejor comprensión de las estructuras y mecanismos moleculares. Simultáneamente, la física cuántica, originalmente arraigada en una visión del mundo basada en coherencias cuánticas, entrelazamiento y otros efectos no clásicos, se ha encaminado hacia sistemas de creciente complejidad. Este artículo, una perspectiva, servirá como guía para las crecientes interconexiones entre ambos campos. Recapitulamos las características genéricas y, en ocasiones, poco intuitivas de la física cuántica y señalamos diversas aplicaciones en las ciencias de la vida.

Analizamos nuestros criterios para una futura "biología cuántica", su estado actual, los avances experimentales recientes y las restricciones que la naturaleza impone a las extrapolaciones audaces de la teoría cuántica a los fenómenos macroscópicos.

Mientras que en los días de Darwin y Mendel las ciencias de la vida se centraban principalmente en la botánica o la zoología, la biología, la farmacología y la medicina modernas están profundamente arraigadas en una comprensión creciente de las interacciones moleculares y el procesamiento de la información orgánica.

La física cuántica, por otro lado, se centró inicialmente en fenómenos microscópicos con fotones, electrones y átomos.

Pero objetos de creciente complejidad han atraído un creciente interés científico, y dado que las escalas de tamaño tanto de la física como de las ciencias de la vida se han aproximado, ahora es natural preguntarse: ¿cuál es el papel de la física cuántica en y para la biología?

La Real Academia de Ciencias de Suecia galardonó a los expertos Serge Haroche (Francia) y David J. Wineland (Estados Unidos) con el Premio Nobel de Física 2012, por sus investigaciones pioneras en óptica cuántica. A propósito de esta distinción, dialogamos con el profesor Eduardo Massoni para que nos explique qué aplicaciones podría tener este hallazgo y cuál es el campo de acción de la física cuántica.

Durante más de 200 años, hasta fines del siglo XIX, la visión del mundo reinante semejaba a la de un gran reloj en funcionamiento, cuyo mecanismo podía ser comprendido hasta el más mínimo detalle. Cada causa producía un efecto medible, rastreable y predecible, debido a que las propiedades físicas de las cosas poseían valores propios definidos. De esta manera, cada descubrimiento se tomó como una verdad absoluta y fue aportando en la construcción conjunta del conocimiento general.

Sin embargo, cuando se intentó explicar el comportamiento de las partículas elementales (como protones, quarks o electrones), se descubrió que la física clásica resultaba insuficiente, lo que propició la aparición de nuevas ideas. "La física cuántica trata de ver cómo se comporta la naturaleza cuando los objetos son muy pequeños", señala Eduardo Massoni, profesor de la Sección Física del Departamento de Ciencias de la PUCP.

Y es que a nivel atómico, subatómico o nuclear, el Universo funciona de manera muy distinta que en el mundo macroscópico. La física cuántica realiza predicciones de forma probabilística, por lo que no se puede determinar de antemano cuál es la trayectoria que seguirá un electrón, por ejemplo. Entre sus principios fundamentales, se encuentran la superposición (una partícula puede existir en todas sus estados teóricos al mismo tiempo) y la decoherencia (que destruye la superposición cuántica debido a su interacción con el medio ambiente).

¿Cuál es la naturaleza de la luz?

Esta pregunta ha tenido diversas respuestas a lo largo del tiempo. En el siglo XVII, Isaac Newton creía que la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad. Por otro lado, Christiaan Huygens propuso una teoría ondulatoria de la luz, que fue corroborada por Thomas Young en el siglo XIX. Posteriormente, James Clerk Maxwell demostró que los campos eléctricos y los campos magnéticos eran producto de un solo fenómeno (electromagnetismo), que se propagan a través de ondas.

Pero fue a mediados del siglo XX que Paul Dirac elaboró la teoría de electrodinámica cuántica ("la más exacta que existe hasta ahora en física", a decir del profesor Massoni) y que postula que la luz está formada por pequeñas unidades de energía llamadas fotones. En conclusión, se demostró que la luz está formada por partículas y que, bajo esta premisa, puede deducirse su comportamiento ondulatorio.

Dos investigaciones, un premio

Este año, la Real Academia de Ciencias de Suecia decidió entregar el Premio Nobel de Física 2012 a los científicos Serge Haroche (Francia) y David J. Wineland (Estados Unidos), por los logros alcanzados en la investigación de la interacción de la luz y la materia. Aunque siguieron caminos opuestos (Wineland utilizó fotones para analizar átomos con carga eléctrica, mientras que Haroche utilizó átomos para estudiar fotones), lograron seleccionar, medir y manipular partículas cuánticas individuales sin destruirlas. Antes de este avance, las investigaciones en esta materia se limitaban a trabajos teóricos, no prácticos.

"Los físicos tenemos la facilidad de hablar sobre átomos y nos hacemos una imagen mental de su comportamiento, pero hacer un experimento con un solo fotón, ver cómo se comporta en diferentes estados, velocidades o posiciones, es espectacular y requiere de mucho trabajo", afirma con admiración el físico.

Tal vez aún no lo hayas notado, pero la mecánica cuántica forma parte de tu vida. Sin ella, no hubiera podido ser posible el desarrollo de la electrónica (transistores, microprocesadores), la medicina (cirugía láser, radioterapia), la seguridad (criptografía cuántica, generadores de números aleatorios) o la industria (procesos de producción), por citar solo algunos ejemplos.

El descubrimiento de Wineland y Haroche abre un camino para la elaboración de computadoras cuánticas que solucionen problemas matemáticos muy complicados a gran velocidad. Mientras que los ordenadores convencionales emplean el sistema binario (0 o 1) para codificar y procesar información, las computadoras cuánticas usan bits cuánticos (qubits), capaces de representar los valores de 0 y 1 simultáneamente, debido a su capacidad de superposición.

En la Sección de Física de nuestra Universidad existe un grupo teórico y un Laboratorio de Óptica Cuántica en el cual se estudia el comportamiento de los fotones. "Aquellos alumnos interesados en este tema pueden acercarse y ver la posibilidad de contribuir en el desarrollo de este tema tan interesante

NO SE DEBE SER DÉBIL, SI SE QUIERE SER LIBRE

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