La mecánica cuántica y el cuerpo humano

Escrito por Cristian Heber Zepeda Fernández y Eduardo Moreno Barbosa

La mecánica cuántica y nuestro mundo cotidiano

La mecánica cuántica es una teoría que revolucionó la manera en la que percibimos los fenómenos: dejan de ser deterministas para convertirse en probabilísticos. De hecho, podemos tener fenómenos probabilísticos en nuestro día cotidiano, por ejemplo, imagina que llegas a tu casa y antes de abrir la puerta te preguntas ¿Quiénes estarán en mi casa?, puede ser que esté tu mamá, tu papá, tu mascota; puede ser que esté una visita o que no haya nadie. Así que, hasta que no abras la puerta, no sabrás quién o quiénes estarán en la casa: todos pueden estar, como puede estar alguno o como puede no estar ninguno. Entonces, una pregunta sencilla se vuelve caótica. Esto mismo ocurre en el mundo atómico o subatómico, donde las partículas se comportan de manera distinta a lo que estamos acostumbrados a ver en nuestro mundo cotidiano; asimismo, pueden tener la probabilidad de poseer ciertas condiciones a la vez, pero hasta que no se haga la medición, no se sabrá los parámetros físicos en que se encuentra. A esta característica le llamaremos estado.

Vamos a ver un ejemplo más, imaginemos que un policía de tránsito ve que aparentemente un coche no respeta el límite de velocidad. Entonces, con su velocímetro, mide la velocidad que lleva el coche, así que procede a hacerle señas para que se detenga y darle la multa. De este ejemplo, el policía puede conocer la velocidad y la posición del coche (su estado). Ahora bien, en el mundo subatómico esto es imposible, no se puede conocer la velocidad y la posición de las partículas al mismo tiempo, si se mide una la otra no se puede medir. Las leyes de la naturaleza que rigen el mundo macroscópico no son las mismas que rigen el mundo subatómico, para este último, la mecánica cuántica es la que estudia el comportamiento e interacción de las partículas subatómicas.

 

Ondas y partículas

En el siglo XVII, se pudieron caracterizar los fenómenos por su comportamiento como partícula o como onda. Las partículas son objetos que están compuestas de materia, tienen la característica de que su masa siempre va en aumento cuando juntamos dos o más objetos, por ejemplo, si en una caja vamos introduciendo libros, cuadernos, lápices, etc., esta se va volviendo más pesada. En el caso de las ondas, cuando se juntan, pueden incrementarse o disminuirse en ciertas secciones, por ejemplo, las ondas formadas en el agua. A este efecto se le llama interferencia y ocurre solamente para las ondas, no para la materia. Dos parámetros que caracterizan a una onda son la frecuencia y longitud de onda. La frecuencia es el número de veces en que cierta parte de la onda pasa por un mismo punto, mientras que la longitud de onda representa la distancia de un punto de la onda hasta otro punto en la misma posición, por ejemplo, la cresta de una onda.

 

 ¿La luz es onda o partícula?

En 1672, Isaac Newton descubrió que la luz blanca está compuesta de los colores rojo, amarillo, verde, cian, azul y violeta (los colores del arcoíris), a la vez que propuso que está formada por pequeñas partículas; no obstante, varios físicos contemporáneos, entre ellos Robert Hooke y Christiaan Huygens, estuvieron en desacuerdo, proponiendo que la luz es una onda.

Fue hasta 1865 cuando el científico escocés, James Maxwell, señaló que la luz era una onda y explicó de manera sencilla los diferentes colores que la componen, indicando que, debido a que cada uno de ellos tiene diferente frecuencia, al combinarse forman la luz blanca. Por ejemplo, cuando la luz solar entra en la atmósfera al terminar de llover, esta se descompone en colores formando el arcoíris, lo cual ocurre porque cada color se comporta de manera distinta en la atmósfera. De esta forma, la teoría corpuscular de Newton quedó desechada.

Tiempo después se descubrió un fenómeno que daba cuenta de que, al iluminar ciertos materiales con cierto color de luz (o bien frecuencia), se liberaban electrones. Fue en 1905 cuando Albert Einstein, basándose en trabajos de Max Planck, encontró la explicación de este fenómeno, en el cual se considera que la luz está compuesta de partículas a las que llamó fotones, mientras que a los electrones liberados los llamó fotoelectrones, de ahí el nombre de este fenómeno: efecto fotoeléctrico. En 1921 obtuvo el premio Nobel de Física por esta contribución. Esto conllevó a que la teoría corpuscular de Newton volviera a tomar relevancia, por lo tanto, se llegó a la conclusión de que la luz se comporta como onda y como partícula, a esto se le conoce como dualidad onda-partícula. Hasta la fecha, no se ha encontrado un fenómeno en el cual la luz se comporte como onda y como partícula a la vez, siempre se comporta de una forma o de otra, dependiendo del fenómeno.

Contemporáneamente, existía la discusión con respecto a que no era posible que el átomo pudiera tener a los electrones moviéndose alrededor del núcleo (como un sistema planetario), debido a que tendrían que radiar energía y, por lo tanto, serían atraídos al núcleo, lo cual conllevaba a que los átomos serían inestables. Claramente no lo son, por lo cual el físico Niels Bohr propuso en 1913 —basado en las ideas de Planck y Einstein—, que los electrones orbitan alrededor del núcleo a cierta distancia en las cuales no pierden energía.

En 1924, el físico Louis de Broglie hizo una pregunta que revolucionó la física: ¿Si las ondas se comportan como partículas o materia, la materia se comportará como onda? Esta idea la desarrolló para electrones y fue el primer trabajo en considerar la dualidad onda-partícula para la materia, así como se realizó para las ondas.

 Imagen de Gerd Altmann en Pixabay

Ondas de materia

El físico Erwin Schrödinger se preguntó: Si la materia se comporta como onda, ¿cuál es la ecuación que rige su comportamiento? Fue en 1925 cuando propuso la ecuación de onda de la materia, la cual rige el comportamiento ondulatorio de las partículas subatómicas, así como las leyes de Newton rigen el mudo macroscópico. La función de onda representa una probabilidad de que la partícula esté en un estado u otro, es decir, los fenómenos físicos dejaron de ser deterministas para pasar a ser probabilístico: una partícula o un sistema puede estar en cualquier estado al mismo tiempo, pero es hasta que se hace la medición cuando sabremos en qué estado se encuentra, como el simple hecho de entrar a nuestra casa y preguntarnos ¿Quién está adentro?

Es complicado poder visualizar los fenómenos o procesos cuánticos que se desean estudiar, debido a que no tienen analogías en el mundo macroscópico. Nuestra experiencia en este mundo ya no puede aplicarse al mundo subatómico.

 

Mecánica cuántica y el cuerpo humano

Para explicar la física que ocurre en las moléculas y átomos dentro de nuestro organismo, es necesario usar la mecánica cuántica, ya que lo principal para poder resolver estos procesos, es conocer la interacción que existe entre las partículas (u ondas de materia).

Es muy complicado analizar un problema real debido a que estamos compuestos de átomos, miles de millones y más que eso, por esta razón, en el caso de la dosimetría —que consiste en medir la dosis de sustancias o fuentes radiactivas depositada en el cuerpo o en ciertos órganos—, se tiene que las ondas de materia provenientes de estas fuentes, interaccionan con todos los átomos de los que estamos compuestos. Tratar un problema así es imposible; sin embargo, los resultados de la mecánica cuántica son muy precisos, aún considerando diversas simplificaciones, a diferencia de otras teorías como la mecánica clásica, que al considerar simplificaciones no describe muy bien la realidad.

El cuerpo humano está compuesto entre 50 % y 80 % de agua dependiendo de la edad de la persona, por lo cual se considera que está conformado principalmente por moléculas de agua: dos átomos de hidrógeno y un de oxígeno (H2O); todas las interacciones serán con esta molécula, el gran problema es modelarla. Dependiendo del fenómeno que se desea estudiar, es como se considera su estructura. El daño por radiación consiste en el rompimiento de la molécula del agua, en el cual uno de los átomos de hidrógeno es separado, dejando así la molécula OH que a su vez causará algún rompimiento en otra molécula, repitiéndose el proceso en cadena. Se puede tomar un modelo para la molécula del agua como un triángulo en cuyos vértices se encuentran el oxígeno y los dos átomos de hidrógeno (sin estructura); este es un daño biológico, uno de los procesos por el cual se puede producir cáncer y es estudiado por la microdosimetría. El estudio de obtener la función de onda de materia de los electrones, está siendo trabajado por estudiantes de la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

La interacción de fuentes radiactivas también es usada para la salud del cuerpo humano en tratamientos contra el cáncer y tumores; la física es la misma que describimos para la molécula del agua, solo que en este caso se desea causar el daño a las células malignas.

Hemos visto que la molécula del agua es la más relevante en el cuerpo humano, por lo cual, si se desean realizar estudios, es necesario tener un modelo dependiendo del fenómeno.

El mundo subatómico está regido por las leyes de la mecánica cuántica, por lo que su uso es necesario. Aplicarla a moléculas y átomos que componen el cuerpo humano, dará una descripción de los fenómenos físicos que ocurren, tales como la interacción entre las partículas o campos magnéticos interaccionando con los átomos. De esta manera, se podrá ayudar a mejorar los tratamientos contra el cáncer, protección radiológica, toma de imágenes, etc.

 

Para Saber Más:

BBC Mundo. (2020). La física cuántica explicada en menos de 5 minutos. https://www.youtube.com/watch?v=8urGTdEioOQ

 

Organización Mundial de la Salud. (2016) Radiaciones ionizantes: efectos en la salud y medidas de protección. https://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/ionizing-radiation-health-effects-and-protective-measures

 

Yanes J. (2020). El largo camino para la mecánica cuántica. https://www.bbvaopenmind.com/ciencia/fisica/entender-la-fisica-cuantica/

 

Cristian Heber Zepeda Fernández. Cátedra Conacyt en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

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Eduardo Moreno Barbosa. Profesor e Investigador de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.

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