Atravesar paredes sólidas o excavar túneles en microsegundos puede ser materia de un libro de ciencia ficción, o incluso puede ser una posibilidad atrayente en una dimensión no visible. Precisamente es en el mundo cuántico donde por primera vez se ha llevado a la práctica dichos efectos, de momento, claro está, vedado para un objeto de nuestro mundo cotidiano, pero no para los pobladores del mundo cuántico: electrones, protones u otras partículas subatómicas. Es que la Física Cuántica con fenómenos como el efecto tunneling no deja de sorprendernos.
Realmente, el efecto tunneling choca con nuestro sentido común de la lógica, pero empecemos por pasos:
¿En qué consiste este efecto tan peculiar del mundo cuántico?
Trasladémonos por un momento a un campo de golf… y fijémonos en una pelota de golf que ha de rodar por encima de un pequeño desnivel como es una colina:
v = velocidad de la pelota; h = altura del montículo; m = masa de la pelota
La pelota pasa
Comparemos la energía cinética de la pelota que adquiere gracias a su velocidad (Ec=1/2mv2) y la energía potencial correspondiente al punto más alto de la colina (Ep=mgh).
La pelota no pasa
Según nuestra experiencia ordinaria, si la energía cinética es suficiente (si sobrepasa la energía potencial), la pelota pasará por encima de la colina, como es esperado satisfactoriamente por el golfista.
Pero, si su energía cinética no supera la energía potencial, la pelota vuelve rodando hacia abajo por la misma pendiente.
Sin embargo, el mundo cuántico nos reserva alguna sorpresa al respecto: aunque la energía de la pelota no supere la correspondiente a la altura de la colina, la pelota es capaz de penetrar la colina excavando un túnel y aparecer luego al otro lado. Sólo que en el mundo cuántico no son pelotitas de golf, sino electrones u otras partículas elementales.
Un ejemplo de dualidad onda-partícula
Así que, prosigamos en nuestro estudio con ‘pelotitas microscópicas’ como son los electrones.
Pongamos el caso de un electrón que se mueve con cierta energía E y encuentra una barrera de potencial en su trayectoria, como podría ser, por ejemplo, la repulsión creada por un campo eléctrico.
Según la moderna teoría de la Física Cuántica, aunque la energía del electrón sea menor que el potencial de la barrera, es capaz de atravesar dicha barrera y aparecer al otro lado. Lo curioso es que en dicho tunelamiento, el electrón no se comporta como una partícula sino como onda (Dualidad Onda-partícula):
El electrón como onda (fig. amarilla) y V es el potencial o barrera (fig. verde)
La función de onda del electrón «topa» con el campo eléctrico, pero es capaz de penetrar la barrera.
Aunque aquí el electrón se comporte como onda, puede ser detectado como partícula cuando interactúa con el medio.
Por tanto, dicho efecto solo se puede observar en fenómenos microscópicos donde la naturaleza ondulatoria de las partículas es más pronunciada. Asimismo la distancia de penetración es del orden de las dimensiones atómicas.
Origen y aplicaciones del efecto tunneling
El efecto tunneling fue descrito por primera vez en 1928 por George Gamow. Describe como un electrón excitado puede escapar del núcleo atómico como si atravesara un túnel entre montañas. Más tarde, Gamow junto a Conden y Gurney resolvieron la teoría del decaimiento a de un núcleo (emisión de átomos de helio ionizados) via este proceso de penetración de barrera. Posteriormente Max Born reconoció la generalidad del efecto cuántico de tunneling y afirmó que dicho efecto no está restringido a la física nuclear, sino que se aplica a diferentes sistemas.
Un ejemplo típico es la penetración de barrera que tiene lugar en la inversión periódica de la molécula de NH3 (amoníaco):
El átomo de N puede colocarse tanto en (a) como en (b).
Las fuerzas de repulsión de los átomos de H sobre el átomo de N cuando éste pasa de un lado a otro son lo suficientemente intensas como para que en la Mecánica Clásica el átomo de nitrógeno no sea capaz de hacerlo si se encuentra en sus estados de baja energía. Pero, cuánticamente sabemos que es posible. Si inicialmente el átomo de N se encuentra a un lado, ‘excavará un túnel’ y eventualmente aparecerá en el otro, y después lo repetirá en la dirección opuesta. En realidad, el átomo de N oscila yendo y viviendo a través del plano de los átomos de H.
La frecuencia de oscilación es de 2,38·1010 Hz cuando la molécula está en su estado base. Esta frecuencia se utilizó como un patrón en los primeros relojes atómicos que miden el tiempo con precisión máxima.
Un ejemplo y muy útil de la penetración barrera por electrones se presenta en el diodo túnel (dispositivo semiconductor) que se utiliza en los circuitos electrónicos rápidos, ya que su respuesta a alta frecuencia es mucho mejor que la de cualquier transistor. Asimismo otra aplicación básica es la del microscopio de tunelamiento electrónico que escanea la superfície de un objeto con electrones de efecto tunneling.
Otro campo de estudio fascinante está relacionado con los procesos biológicos en los seres vivos. Se están destinando muchos esfuerzos en este sentido por parte de la Biofísica Cuántica.
El Efecto Tunneling en los seres vivos
Vamos a centrarnos en el transporte energético que tiene lugar en los seres vivos, más concretamente en el transporte de electrones excitados a lo largo de tejidos no conductores del cuerpo. Estos electrones excitados tienen un papel fundamental en la reserva energética de los seres humanos. Desde el punto de vista de la biofísica clásica, la conducción de energía mediante electrones excitados a través de tejidos dieléctricos (no conductores) como es la piel, por ejemplo, es imposible. Pero, cuánticamente, gracias al efecto túnel, los electrones son transferidos a lo largo de cadenas de moléculas de proteínas separadas unas de otras por barreras energéticas.
El mecanismo tunneling posibilita el tránsito de electrones entre grupos donantes-receptores en dichas proteínas separadas por distancias del orden del nanómetro (1nm = 10-9 m). En un artículo reciente, ‘Long-range electron transfer‘ publicado en enero de 2005, los autores H. B. Gray y J. R. Winkler citan algunos ejemplos representativos de diferentes tiempos de tunneling para algunas distancias intermoleculares de proteínas (ej, para el citocromo que actúa en los procesos de respiración celular transportando electrones).
El rango de tiempo característico de transferencia de electrones está entre 10-11 y 10-5 segundos. En dicho artículo también se citan ejemplos de transferencia electrónica a distancias mucho mayores. Constituye un área de gran interés el transporte de carga a través del ADN.
Cuando se realiza algún trabajo por el organismo, los electrones distribuidos en las estructuras de proteínas son transportados allí donde existe petición de energía. Se activan los procesos de fosforilación oxidativa y se posibilita el proceso de creación de ATP (trifosfato de adenosina). En los seres vivos, el proceso de formación de ATP, la moneda energética universal, está acoplado a la oxidación de sustratos (respiración) y a la captación de energía de la luz (fotosíntesis) [Ver esquema 1].
La importancia del ATP está en la capacidad de almacenar energía y transferirla a las células [Ver esquema 2].
Proceso de fotosíntesis
ESQUEMA 1
“En las plantas no sólo se producen azúcares a partir de sustancias inorgánicas simples, sino que al mismo tiempo se absorbe energía radiante cósmica y se almacena en forma de energía química ” Walter Schumacher (Tratado de Hotánica, 1971)
El ATP se sintetiza en la membrana interna de la mitocondria mediante la fosforilación oxidativa (ref.1) y en los cloroplastos durante la fotosíntesis durante el proceso de fotofosforilación.
En el cloroplasto los electrones excitados de la clorofila son expulsados de la molécula excitada y saltan hasta el 1er miembro de una cadena de transportadores electrónicos al final de la cual se sintetizan el NADPH y el ATP.
(*)En el caso de la respiración celular que tiene lugar en las mitocondrias, las proteínas transportadoras (NADH-deshidrogenasa, ubiquinona, citocromo-a, citocromo-b y citocromooxidasa) van transfiriendo los electrones las unas a las otras hasta el oxígeno, el receptor final de electrones, que se reduce y forma agua. Cada par de electrones en tránsito por la cadena transpiratoria hasta el oxígeno origina la síntesis de 3 moléculas de ATP a partir de ADP y Pi.
ATP: almacenamiento y transferencia de energía a las células
ESQUEMA 2
La energía que se almacena o se libera procede de la formación o de la ruptura del enlace que une entre si los grupos fosfato (–P~O–). La energía liberada es transferida constantemente a las células (una célula puede necesitar la energía resultante de desfosforilar millones de ATP por segundo para mantenerse viva).
Si se rompe un enlace entre los grupos fosfato se libera energía (ver siguiente diagrama)
ATP = ADP + Pi + Energía (desfosforilación)
La relación con las filosofías orientales
Para concluir este artículo me gustaría hacer una alusión a la sabiduría china e hindú al respecto. Según ambos puntos de vista, nuestros cuerpos físicos son mapas energéticos. Es decir, somos algo más que un simple cuerpo físico; somos un sistema energético que unifica todos los niveles de los seres vivos, conformando una energía global.
Para el chino, hay una entidad energética llamada ‘Qi’, Espíritu viviente o Soplo Vital, que inunda todos los seres y el hombre se convierte en receptor y emisor de la energía vital.
Sistema de chakras del cuerpo humano
Por otra parte, según la filosofía hindú, existen siete centros energéticos principales a lo largo de nuestro cuerpo, llamados chakras. Éstos captan la energía vital de la Tierra y el Cielo haciéndola circular a través de nuestro cuerpo físico y liberándola a niveles superiores. La energía se moviliza a través de los chakras, estimulando el flujo hormonal en las glándulas endocrinas e influyendo consecuentemente en el metabolismo de nuestro cuerpo.
Según estos puntos de vista, el transporte de electrones en el organismo está vinculado a la circulación de dicha energía vital. Cualquier obstrucción en la circulación conlleva a disfunciones físicas en el organismo… y más que esto: parece ser que todo aquello que pensamos y sentimos influye en la salud de cada célula de nuestro cuerpo. Emociones, sentimientos y pensamientos son factores de primer orden a cuidar para conseguir bienestar físico y felicidad interior.
Referencias:
– Eisberg, R. y Resnick, R. : Física Cuántica, Limusa, 1989 [Comprar en amazon].
– Korotkov, K., Williams, B. y Wisneski, L.A. : Biophysical Energy Transfer Mechanisms in Living Systems: The Basis of Life Processes, Journal of Alternative and Complementary Medicine Feb 2004, Vol. 10, nº1:49-57
– Gray, H. B. y Winkler, J. R .: Long-range electron transfer, Beckman Institute, California Institute of Technology, Pasadena .
