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Entender física cuántica a través de una taza de café

Caminaba por las calles del Centro Histórico cuando se me antojó un café. Lo acompañé con un pastel de chocolate. Mientras los tenía frente a mí, me llamó poderosamente la atención que, tanto el café como el pastel, eran prácticamente del mismo color. Googlié en el teléfono las palabras “café” y “chocolate”. Descubrí que ambos contienen exactamente los mismos elementos químicos. Surge entonces la pregunta: ¿qué es lo que hace la diferencia entre café y chocolate?

Cotidianidad Opinión P369
Esta es una opinión

Vía: 9gag

Una de mis cuentas favoritas en Twitter es Moléculas diarias. Fui a buscar allí la cafeína y la teobromina y encontré justo lo que quería: un gif animado de las dos moléculas:

(Pueden hacer click sobre la animación para pausarla) Si nos fijamos bien, las moléculas son casi iguales. Lo que rompe la igualdad es un átomo de carbono y unos hidrógenos.

Por mencionar un par de propiedades comunes: ambas sustancias producen efectos similares en el sistema nervioso y son amargas. Pero el punto que quiero enfatizar no es su similitud sino su diferencia a un nivel fundamental: la forma en que sus átomos están colocados.

Comer nos mantiene vivos. Nuestro cuerpo necesita nutrientes para funcionar, sustancias como proteínas, carbohidratos, minerales, vitaminas, grasas, etcétera. En nuestra mente asociamos las proteínas con la carne, los carbohidratos con los dulces y las grasas con los chicharrones. Sin embargo, la esencia de los nutrientes no es su color, sabor, olor o textura; esas solo son las propiedades que nuestros sentidos interpretan y comunican al cerebro. Lo que realmente hace diferente, digamos, el azúcar de la sal, son los átomos que componen sus moléculas.

Podemos imaginar que los átomos son una especie de legos microscópicos. El encanto de los legos es que se pueden combinar para construir casitas, trencitos, avioncitos, navecitas... lo que sea. Los átomos hacen exactamente lo mismo: se combinan, acoplan e intercambian. Lo hacen ellos, sin que nadie los toque. ¿Cómo y por qué lo hacen? A diferencia de los legos, los átomos son más dinámicos porque poseen cargas eléctricas positivas y negativas. Cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen, por lo cual los átomos están en constantes jalones y empujones entre sí, como resultado de la fuerza electrostática de sus cargas. Esa interacción es lo que da origen a las reacciones químicas.

Así como la gravedad es la fuerza dominante en las bastas escalas del universo, la fuerza eléctrica es la que domina a las moléculas. La absorción de nutrientes, su digestión, la oxigenación de la sangre o la actividad de las neuronas, son todas reacciones químicas: intercambios y movimientos de átomos empujados por la fuerza eléctrica.

Regresemos a la animación de arriba. Podemos preguntarnos ¿por qué las moléculas tienen esa forma? Es su estructura lo que les da sus propiedades químicas y físicas. Eso es justamente la diferencia entre una sustancia y otra. Los átomos están enlazados unos con otros por medio de la fuerza eléctrica. Pero eso no es suficiente. A esta escala de tamaño reinan las leyes físicas de lo microscópico: la mecánica cuántica.

Para comprender la estructura molecular de la materia necesitamos pensar en términos cuánticos. Es decir, debemos abandonar el concepto de que podemos seguir la trayectoria de una partícula. En su lugar adoptamos la idea de que solo podemos saber la probabilidad de que una partícula esté en cierta región. Además, una partícula puede estar en muchos lugares a la vez, pero cuando la observamos está en uno sólo (esto es lo mismo que el gato de Schrödinger pero dicho de otra forma). La mecánica cuántica toma estas ideas y las expresa en términos matemáticos. La síntesis de esas ideas es una ecuación que al resolverla nos revela la estructura de cualquier sustancia: la ecuación de Schrödinger, el equivalente de las leyes del movimiento de Newton pero en su versión cuántica.

Si alguna vez se han preguntado dónde se aplica la mecánica cuántica, no busquen muy lejos. Todo lo que nos rodea –incluyendo nuestro propio cuerpo– está construido por trozos lego que obedecen leyes cuánticas. Lo sólido de la madera de la mesa, lo líquido del agua, lo verde de las plantas, lo transparente del vidrio, lo blanco de la taza de porcelana, lo amargo del café, lo dulce del pastel de chocolate, la maleabilidad del tenedor de metal; todo esto y más, obedece a la forma en que los átomos están enlazados de acuerdo a su fuerza eléctrica y la mecánica cuántica.

Terminé el café y el pastel. La tarde era hermosa para seguir caminando.

Enrique Pazos
/

Enrique Pazos. Físico, protector de la verdad y viajero del tiempo. Profesor de física y matemática en la Universidad de San Carlos. Montañista de a ratos, curioso de tiempo completo. @enriquepazos


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    Majo /

    15/07/2016 11:19 AM

    me encanto!!!

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    cartman /

    14/07/2016 10:15 AM

    Genial, como siempre. ¿Has pensado en hacer un formato de videoblog? Estas cosas son más interesantes si aparte de leerse, se ven.

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    P. Choy /

    13/07/2016 8:49 PM

    Puedes hacer un artículo de Roger Penrose? Qué piensas de sus ideas? Qué piensas hacia dónde estarán estos conocimientos en unas 5 décadas?

    Yo leí el libro de Roger Penrose, El Camino hacia la realidad, llegue hasta la mitad lo que la mate de ingeniería de la U me enseñó y con mucho esfuerzo aún con grandes hazañas de soplar libros, la otra mitad no llegue, solo imagine y la ultima parte me pareció muy interesante la parte más filosófica...

    Que hay de hecho que hay del tiempo que él dice que entre el pensamiento e impulso neuronal hay un valle anterior al pensamiento medido y es inexplicable

    ¡Ay no!

    2

    ¡Nítido!

      Enrique Pazos
      Enrique Pazos /
      14/07/2016 7:44 PM

      Penrose tiene ideas fantásticas. No he leído el Camino hacia la realidad pero leí La nueva mente del emperador. Sus hipótesis vuelan alto sin dejar de ser fundadas en la realidad.

      En unos 50 años todo lo que he mencionado aquí seguirá siendo igual de válido que ahora. La diferencia será cómo utilizar mecánica cuántica en dispositivos de tecnología. Eso sí será una revolución que estamos viendo empezar ya con las computadoras cuánticas.

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!

    Mario Rodas /

    13/07/2016 6:11 PM

    Educativo y aterrizado para empezar a caminar un largo y tedioso camino para entender que al final los orbitales de frontera gobiernan todo lo material, esperemos que más gente se decida a caminar por el camino de la química que algunas veces es un valle y otras veces es una colina.

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Miriam /

    13/07/2016 9:21 AM

    Excelente artículo. Una de las características de un catedrático bueno es que transmite lo que enseña de forma creativa y la persona que lo lee recibe un poco de la pasión por el tema =)

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Jose Larrañaga /

    13/07/2016 9:20 AM

    Excelente artículo.

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Gomer Castillo /

    13/07/2016 9:02 AM

    Excelentes tus artículos Enrique, siempre pendiente de ellos. Adelante y Felicitaciones

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

      Enrique Pazos
      Enrique Pazos /
      15/07/2016 4:52 PM

      Gracias Gomer, saludos!

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!

    alfonso villacorta /

    13/07/2016 8:06 AM

    buenísimo su artículo: original, breve, sustentado, educativo y bien escrito.
    es el mejor cafe con chocolate que podemos disfrutar

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

    Mario /

    12/07/2016 7:54 PM

    Tengo una duda. Si una partícula puede estar en muchos lugares al mismo tiempo, ¿qué sucede si existen dos o más observadores sobre esa misma partícula? ¿Es esto posible? ¿Pueden varios observadores ver la misma partícula al mismo tiempo en diferentes lugares? ¿O se aplica lo de "el primer observador determina la posición de la partícula"? ¿Cómo se explica un escenario donde hay más de un observador sobre la misma partícula?
    Por cierto, no he estudiado física cuántica, simplemente soy muy curioso.

    Saludos.

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

      Enrique Pazos
      Enrique Pazos /
      12/07/2016 9:16 PM

      Hola Mario, sucede justo como lo mencionas de último: el primer observador es el que establece la posición de la partícula. Una vez que alguien hace la primera medición, los demás verán lo mismo. Lo importante aquí es que para saber dónde está la partícula hay que hacer algo para verla. Es como si la partícula está en un cuarto oscuro, en varios lugares a la vez, pero el primero que enciende su linterna es el que fija dónde está la partícula.

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!

    marco /

    12/07/2016 4:08 PM

    Lo del gato de Schrödinger lo escuche por primera vez en la serie Big Bang theory.... jajajajajaj.....

    Muy, muy buenos catedráticos en la facultad de Ingeniería de la USAC.

    Saludos. :)

    ¡Ay no!

    ¡Nítido!

      Ricardo /

      12/07/2016 9:50 PM

      Yo se que en la siguiente vida, la fisica y la quimica van a ser mis materias predilectas... En esta vida no tuve la suerte de tener buenos maestros y fui un fracaso con los numeros, me encanta el tema, me quede picado...

      ¡Ay no!

      ¡Nítido!







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