El Dilema Cuántico

Autora: Kristina Lenn
Editores: Alex Taylor, Zuleirys Santana-Rodríguez, and Whit Froehlich
Traducido al español por Irene Vargas-Salazar

Mi película favorita es El Código Enigma con Benedict Cumberbatch y Kiera Knightley. Me fascina esta película por las siguientes razones:

  1. En toda la película se demuestra que uno no se puede rendir ante las personas pesimistas.
  2. Como química computacional, siento orgullo al ver como mi campo obtuvo mayor visibilidad ante el público.
  3. Y, por supuesto, ¡Benedict Cumberbatch!

Sin embargo, una de mis escenas favoritas en la película ocurre cuando Alan Turing, durante sus años escolares, se encuentra caminando con su único amigo Christopher. Las peculiaridades de Alan lo hacían muy susceptible a las burlas de sus compañeros de clase, pero Christopher declaró lo siguiente: “A veces son las personas que la gente piensa que son nada las que hacen las cosas que nadie se imagina”.

La historia está llena de personas consideradas como inadaptadas por otros que superaron grandes obstáculos para dejar su marca en este mundo: Helen Keller, quien aún siendo ciega y sorda, ayudó a fundar la Unión Americana de Libertades Civiles (o American Civil Liberties Union en inglés); Maya Angelou, una mujer de color que nació en Missouri justo antes de la Gran Depresión, quien escribió el famoso libro que también fue parte de los mejores vendidos en el New York Times: “I Know Why the Caged Bird Sings”; Srinivasa Ramanujan, quien, a pesar de ser pobre y teniendo una profunda aversión a pruebas, se convirtió en un miembro de la Sociedad Real. Dado el espíritu humano de intentar a pesar de todo, tiene sentido que la materia que nos creó demostraría una actitud similar. O tal vez sea al revés.

Piensa en el mundo que nos rodea. En algún momento de sus carreras, científicos o filósofos se han reflexionan sobre el cosmos. La comprensión de que somos minúsculos en comparación con todo lo que ocupa este universo es emocionante y aterradora a la vez. Sin embargo, casi todo en él es afectado por algo que es diez mil trillones de veces más ligero que una pluma (es decir, ¡un 10 con 24 ceros después de él!). Esta partícula vivió en la obscuridad hasta el final del siglo 19, cuando desafió 200 años de teoría física establecida. Él fue el oponente; el campeón fue uno de los científicos más famosos de la historia.

 

Fundamentos Físicos

 Uno de los nombres más reconocidos en la comunidad científica es el del caballero Isaac Newton. Conocido como el padre de la mecánica clásica, Newton formuló muchas de las leyes físicas que gobiernan nuestro mundo como la gravedad y las tres leyes de movimiento. Estos son explicados detalladamente en su famoso libro, “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, cuya primera edición se encuentra dentro de la biblioteca Wren de Trinity College en Cambridge. (Curiosamente, una de las libretas de Ramanjuan también se encentra allí.) Además, Newton es reconocido por desarrollar la rama matemática de cálculo.

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El “magnum opus” de Newton detalla los fundamentos de la mecánica clásica y nos comienza a dar pistas del cálculo que él desarrollará en un futuro para poder describir los movimientos mecánicos. Fuente.

Las leyes de movimiento de Newton son la columna vertebral de la mecánica clásica, o física newtoniana. La primera ley introduce el concepto de la inercia, que indica que, hasta que una fuerza externa interactúe con un objeto, éste permanecerá en reposo o continuará en movimiento. La segunda ley dicta que la fuerza que actúa sobre un objeto es igual a la masa del objeto multiplicado por su aceleración (que tan rápido está aumentando o disminuyendo su velocidad). La tercera ley explica que, cuando una fuerza actúa sobre un objeto, una fuerza de magnitud equivalente actúa en la dirección opuesta. Por ejemplo, un objeto sentado en una mesa ejerce una fuerza sobre la mesa (el peso del objeto); la mesa ejerce una fuerza de magnitud equivalente sobre el objeto, ésta es conocida como la fuerza normal.

 

Rebeldes Atómicos

 Estas leyes no fueron desafiadas por aproximadamente 200 años; sin embargo, fallan en ciertas instancias, una de las cuales es la estructura atómica. Un átomo contiene algunas de las partículas más pequeñas que hemos descubierto, uno de los cuales es el electrón, descubierto por J.J. Thomson. Esta partícula determina la carga de un átomo. Si un electrón es removido de un átomo neutral, este átomo se volverá positivo. Si un electrón es añadido, este átomo se volverá negativo.

En el centro del átomo se encuentra su núcleo, descubierto por Ernest Rutherford, uno de los estudiantes de Thomson, que es la masa central que contiene dos partículas subatómicas diferentes. Una de esas partículas, el protón, también fue descubierta por Rutherford y contiene una carga positiva. Los protones son lo que le dan al átomo su identidad, por ejemplo, el hidrógeno tiene un protón mientras que el helio tiene dos. Si otro protón fuese añadido al helio, ya no sería helio; se volvería litio.

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El modelo atómico de tres átomos: el hidrógeno, el litio y el carbón. Los números indican cuantos protones hay en el núcleo y la capa más externa es la capa de valencia. Fuente: Sarah Kearns

Uno de los estudiantes de Rutherford, James Chadwich, descubrió la partícula subatómica que coexiste con los protones en el núcleo: el neutrón, que tiene una carga neutral. Por ejemplo, el carbón tiene seis protones y puede tener seis neutrones. Sin embargo, también puede tener más o menos de seis neutrones. Los neutrones determinan el isótopo del elemento. Los átomos del mismo elemento, pero con diferentes números de neutrones se denominan isótopos. Mientras que los protones y neutrones son esenciales para la función del átomo, el electrón es el que determina varias propiedades de la materia.

Los electrones determinan cómo va a proceder una reacción; cómo se arreglarán los cristales sólidos; si algún material va a conducir calor o electricidad; y qué tan alto son los puntos de fusión y ebullición de un material. Una de las cosas más pequeñas del universo controla el diseño y la función de la medicina, el metabolismo del cuerpo e inclusive el flujo de la sangre. Sin embargo, esta partícula no puede ser descrita por la mecánica clásica. Según estas leyes, a medida que los electrones se mueven y emiten energía, eventualmente chocarán con el núcleo. Pero esta situación es imposible.

 

Entra la mecánica cuántica

Niels Bohr, otro de los estudiantes de Rutherford, desarrolló el modelo del átomo para explicar cómo están estructurados. Este modelo describe a los electrones girando alrededor del núcleo del átomo en orbitales discretas que mantienen su distancia del núcleo. Esto es similar a la visión heliocéntrica de la galaxia: todos los planetas giran alrededor del sol. El sol, que es más grande que los planetas (así como el núcleo es la parte más grande de un átomo), está al centro, y los ocho planetas (lo siento, Plutón) giran alrededor del Sol. Mercurio es el más cercano y su orbital se le conoce como el estado fundamental (el orbital con la energía más baja). Neptuno sería el orbital de mayor energía (la capa de valencia). Pero una de las diferencias más grandes entre los movimientos de los planetas, que puede ser descrito por la mecánica clásica, y el electrón es que los planetas permanecen en sus orbitas; los electrones cambian las suyas repetidamente.

El desarrollo del modelo de Bohr fue la primera violación en la mecánica newtoniana; una vez que este modelo fue establecido, el desarrollo de la teoría cuántica se disparó. Para poder describir a los electrones, se les fueron asignados cuatro números cuánticos, estos indican el lugar, la forma, la orientación y la energía del orbital ocupado por un electrón. De acuerdo al principio de exclusión de Pauli, es energéticamente inestable que dos electrones tengan los mismos números cuánticos, lo cual implica que cada electrón es único.

Mientras que el comportamiento del electrón es diferente a la descripción de la mecánica clásica, su fórmula matemática, la ecuación de Schrödinger que es la parte principal de todos los cálculos de mecánica cuántica, describe el sistema cuántico de la misma manera que la segunda ley de Newton describe a un sistema clásico. Sin embargo, conocer la velocidad y posición de un electrón es una tarea difícil. En un sistema clásico, si se conoce una velocidad y una posición de una partícula, todas las velocidades y posiciones de la partícula, tanto del pasado como del presente, pueden ser calculadas. Con un electrón o cualquier partícula cuántica, es imposible poder determinar todas las posiciones y velocidades en cualquier tiempo. En lugar de esto, lo mejor es calcular una probabilidad; y la mejor amiga de la probabilidad es la incertidumbre. El principio de incertidumbre de Heisenberg dicta que mientras una posición o velocidad de un electrón es conocida en algún tiempo, es imposible determinar los dos a la vez.

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El famoso gato de Schrödinger describe el principio de superposición – donde el gato puede estar vivo y muerto dependiendo de cuándo el observador abra la caja. Fuente

Otro ejemplo de la contravención del electrón ante la mecánica clásica es la superposición. En la mecánica clásica, si se toma una medida, ésta no afecta el resultado. Por ejemplo, si se mide que la longitud de una mesa son cinco pies, esa longitud sería la misma antes, durante y después de la medida. En la mecánica cuántica, ¡la medida determina todo! La superposición indica que una partícula cuántica puede existir en una combinación de estados diferentes; cuando una medida es tomada, esta partícula se “colapsará” a un estado específico. (Una ilustración famosa de este concepto es el gato de Schrödinger.)

Otros científicos que encontraron debilidades en la física newtoniana y que abrieron el camino a la mecánica cuántica incluyen científicos notables como Max Planck, quien dijo que la energía puede tener niveles separados llamados quanta; Louis de Broglie, quien propuso la dualidad de las ondas-partículas (todos los objetos cuánticos, de las cuales incluyen a la luz, son materia y ondas); el Proyecto Manhattan dirigido por J. Robert Oppenheimer (otro de los estudiantes de J. J. Thomson); y Richard Feynman, quien, así como describe Eillen Pollanck en su artículo “La mente de un científico”, fue el “último vínculo a Einstein”.

 

La revolución cuántica

Todos estos avances nos han llevado a crear tecnología invaluable. La mecánica cuántica es la fundación de la física de estado sólido, que nos ha dirigido en el uso de los semiconductores. Estos materiales nos han dado el circuito integrador, que revolucionó la tecnología al crear las computadoras portátiles y los teléfonos inteligentes. Los semiconductores también han impactado el ambiente a través de paneles solares (que convierten la luz solar a electricidad y reducen las emisiones de dióxido de carbono al ambiente) y la medicina a través de marcapasos, instrumentos para ayudar a los que tienen problemas de oído, monitores de glucosa, resonancias magnéticas y cirugía robótica.

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La computación cuántica todavía está en su infancia, pero una vez que se desarrolle puede ser utilizada para resolver interacciones químicas complicadas, tener maquinas más efectivas, y por último, las mejores logísticas para viajar y mandar paquetes. Fuente

Otro campo emergente es el de la computación cuántica, que nos permitirá hacer cálculos con mayor rapidez y precisión que incluso una supercomputadora, así como la computadora cuántica desarrollada por Google. La computación cuántica usa el concepto de la superposición, que deja que la computadora ejecute diferentes cálculos simultáneamente. Una computadora típica tiene una base binaria (lo cual significa que salva su información en una serie de 0s y 1s). Para una computadora cuántica, todas las posibles combinaciones binarias pueden existir juntas. Las computadoras cuánticas también dependen en el entrelazamiento, lo cual significa que para que un grupo de partículas interactúen, el estado de cada partícula no puede ser determinado independientemente. Sin embargo, este entrelazamiento puede llevar a la decoherencia cuántica, la pérdida eventual del comportamiento cuántico; esto resulta en cálculos clásicos.

Es un pensamiento asombroso que esta partícula minúscula, que permaneció inadvertida hasta hace unos 120 años, ha ayudado a evolucionar a la sociedad hasta este punto. El electrón, más pequeño que una partícula de polvo e invisible a los ojos, es lo que le da a las estrellas y planetas su singularidad. ¿Qué mejor inspiración tenemos para aspirar hacia hacer lo mejor?

“Los inadaptados, los rebeldes, los alborotadores, las clavijas redondas en los hoyos cuadrados, los que ven las cosas de manera diferente. No les gustan las reglas y no respetan el statu quo. Puedes citarlos, estar en desacuerdo con ellos, glorificarlos o difamarlos. Lo único que no puedes hacer es ignorarlos. Porque cambian las cosas, empujan a la raza humana hacia adelante “. -Jobs


Kristina Lenn es una estudiante de Doctorado en la química física y computación científica en el laboratorio Geva donde está analizando la dinámica cuántica detrás del transporte de carga en los centros fotosintéticos de reacción. Recibió su B.S. en ingeniería química en la Universidad Estatal de Wayne y su M.S. en ingeniería química en la Universidad de Cornell. Pasó 3 años como conferencista en la Universidad Estatal de Wayne antes que empezara su Ph.D. en Michigan. Cuando no está ocupada con su investigación o escribiendo su siguiente artículo para MiSciWriters, trabaja en el Museo de Historia Natural como un miembro de Comunicación de Ciencia, participa como voluntaria en los eventos de divulgación de STEM, lee los libros que pueda, juega ajedrez y escribe para su propio blog, “Chic Geek and Chemistry Freak”.

Todos los artículos de Kristina se encuentran aquí.

 

 

 

The Mental Health Toll of Graduate Education: How Lack of Support and Work-Life Balance Affect Graduate Students

Author: Isabel D. Colón-Bernal; Editors: Callie Corsa, Zena Lapp and Irene Park

When I first came to the University of Michigan for recruitment weekend back in March of 2015, I was shocked to hear other recruits commenting on how Michigan graduate students seemed more cheery than graduate students at other institutions. I was even more shocked to learn students at other institutions have died by suicide recently; these include but are not limited to Anna Owensby from Scripps Research Institute, Jason Altom from Harvard University, and Han Nguyen from the Massachusetts Institute of Technology. Continue reading “The Mental Health Toll of Graduate Education: How Lack of Support and Work-Life Balance Affect Graduate Students”

Benefits of Nutrition in Cancer Prevention and Survivorship

Author: Lei Wan
Content Editor: Zena Lapp, Kristina Lenn; Senior Editor: Sarah Kearns

Disclaimer: The opinions in this post belong to me. Patients should consult their own physicians about what will work best for their treatment and recovery plan.

When I volunteered in a cooking class for cancer patients and cancer survivors, I was often asked about nutrition and dietary supplement choice. For example, patients with colon cancer would ask if they should take omega-3 fatty acids; patients with prostate cancer were interested in taking lycopene and vitamin E. I pondered the same questions when my mom was diagnosed with breast cancer and when her cancer recurred—would she recover faster if she ate more cruciferous vegetables like broccoli and Brussels sprouts? These questions are also of interest to the public, given increasing evidence supporting the role of nutritional factors in cancer development. Continue reading “Benefits of Nutrition in Cancer Prevention and Survivorship”

The Stories of Science we Never Considered

Author: Kristina Lenn
Editors: Christina Vallianatos and Whit Froehlich

I first read The Disappearing Spoon in 2012 while I was home from grad school on a break. As a chemical engineering student, nothing appealed more to me than a book about the periodic table. And I’m not referring to a typical chemistry textbook that discusses the different trends in the table as you go from left to right or top to bottom. This is a book that weaves together science, history, and the impact that the subjects of Mendeleev’s kingdom have had not only on the world but also on their discoverers.

Sam Kean, the New York Times best-selling author not only of The Disappearing Spoon but also of The Violinist’s Thumb, The Tale of the Dueling Neurosurgeons, and Caesar’s Last Breath, has taken his passions for science, history, and writing and melded them together to create four books that were each Amazon’s top science book of the year. The books cover the periodic table, DNA, neuroscience, and the alchemy of air, respectively – all vastly different from one another yet equally enigmatic.

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The influence of epigenetics in breast cancer therapeutics

Author: Jessica McAnulty
Editors: Tricia Garay, Stephanie Hamilton, and Whit Froehlich

Most likely, you know of someone diagnosed with breast cancer, which affects 1 in 8 women in the United States. Some of the reasons this disease is so difficult to treat are the lack of targeted therapies (as there are different subtypes of breast cancer) and tumor resistance to treatment. Therefore, scientists are investigating novel therapies that act on a specific component of the cancer and/or prevent this resistance. One exciting therapy alters the expression of certain genes; a gene needs to be expressed, or “turned on”, in order for the cell to obtain information from the gene and produce a product. This therapy is a promising approach since cancers, such as hormone-sensitive breast cancer, are often due to genetic mutations that result in an increase in gene expression. It is thought that using this therapy to alter gene expression will reverse the breast tumor’s resistance to treatment.

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The Quantum Quandary

Author: Kristina Lenn

Editors: Alex Taylor, Zuleirys Santana-Rodriguez, and Whit Froehlich

My absolute favorite movie is The Imitation Game with Benedict Cumberbatch and Keira Knightley, and I love this movie for these reasons:

  1. The lesson of not giving in to naysayers is showcased throughout the movie.
  2. As a computationalist, I am proud to see my field obtain more visibility in the public eye.
  3. And duh – Benedict Cumberbatch!

However, one of my favorite scenes in the movie is when school-age Alan Turing is walking with his only friend, Christopher. Alan’s perceived oddities make him a target of ridicule among his classmates, but Christopher makes this very poignant statement: “Sometimes it is the people no one imagines anything of who do the things that no one can imagine.” Continue reading “The Quantum Quandary”

MARVELous Solar Cells

Author: Kristina Lenn

Editors: Christina Vallianatos, Andrew McAllister, and Sarah Kearns

Spoiler: For a better reading experience, make sure to see the amazing Doctor Strange!


I love Marvel movies, and they’re even more fun to watch as a scientist. In many of them, some energy source is at risk of falling into the wrong hands. Lest the source destroy not only the planet but also the entire galaxy, a bunch of unlikely misfits band together to ensure the energy source’s safety and security. The power source in question is something that has the paradoxical capability of both sustaining and destroying life, like the sun. Extraterrestrial battles take place with the brutish Hulk and the witty turbo-powered Iron Man. (Or, if you prefer Guardians of the Galaxy, you can fight with the smart-aleck Rocket and the cute-yet-somewhat-airheaded Groot.) The bad guys want to use this energy to have unlimited power; the good guys want to harness the energy in a more controlled manner.

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Where is Wonder Woman?

Author: Kristina Lenn

Editors: Stephanie Hamilton and Whit Froehlich

I hate to admit it, but I still have yet to see this movie that everyone is raving about and says is better than Man of Steel and Batman. But as a woman, I find it encouraging to have a female superhero join the likes of Spiderman and Superman who have many movies featuring their exploits. It’s nice to see that Hollywood is finally starting to portray women as more than damsels in distress needing male superheroes to come to their rescue.  Continue reading “Where is Wonder Woman?”

Chaos: Not Quite (but Almost) Randomness – Part 2 of 2

Author: Feng Zhu

Editors: Nayiri Kaissarian, Jimmy Brancho, and Noah Steinfeld

The first part of this post explained what chaos is, how it was first discovered in studies of the solar system, and why chaotic systems can be difficult to understand. In this second part of the post, we will explore what we can do to get a grip on such systems.

Continue reading “Chaos: Not Quite (but Almost) Randomness – Part 2 of 2”

Chaos: Not Quite (but Almost) Randomness – Part 1 of 2

Author: Feng Zhu

Editors: Nayiri Kaissarian, Jimmy Brancho, and Noah Steinfeld

What is Chaos?

Is our solar system stable, or will the orbits of the planets at some point collapse into the Sun? Closer to home: will it rain tomorrow?

Both these questions turn out to be surprisingly tricky to answer for the same underlying reason: the mathematical models we use to understand these systems are chaotic.

Continue reading “Chaos: Not Quite (but Almost) Randomness – Part 1 of 2”