La relatividad general y la mecánica cuántica son las dos grandes teorías sobre las que se basa la actual representación del Universo. Un universo dinámico y en expansión, que encuentra sus orígenes en el big-bang. Las observaciones astronómicas realizadas hasta la fecha han confirmado las previsiones teóricas de la cosmología contemporánea. Pero además la relatividad general y la mecánica cuántica no sólo han destruido los fundamentos sobre los cuales descansaban los pilares básicos de la racionalidad occidental en la época moderna y nos permiten explicar la estructura del Universo, sino que también se han constituido en el núcleo central de los desarrollos de la ciencia del siglo XX. La formulación de la ecuación de Einstein por la que la energía y la materia están directamente ligadas (E=mc2) fue el fundamento teórico para el desarrollo de la física nuclear, que ha dado lugar a las bombas atómicas, pero también a las centrales nucleares o la medicina nuclear. Aplicaciones científicas que han marcado la sociedad posterior a la Segunda Guerra Mundial hasta el punto de que numerosos autores hablan de la Era nuclear para significar el sistema internacional de la guerra fría basado en la disuasión nuclear.
La mecánica cuántica está en la base de una nueva rama de la física que ha tenido desarrollos espectaculares en la segunda mitad del siglo: la física del estado sólido. Wolfang Pauli fue el primero en desarrollar la nueva estadística de los metales, a partir de la introducción del espín del electrón, Sommerfeld impulsó estos trabajos desde la dirección del Instituto de física de Munich entre 1927 y 1928. Mediante la utilización de la ecuación cinética de Boltzmann obtuvo las expresiones de las conductividades eléctrica y térmica, además de estudiar la emisión termoiónica y los efectos galvanomagnéticos y termomagnéticos. El avance de estos estudios desembocó en 1947 en el descubrimiento del transistor, por parte de Walter Brattain, John Bardeen y William Shockey en los laboratorios Bell de los Estados Unidos. La teoría de Sommerfeld presentaba fuertes dificultades dado su carácter semiclásico, al igual que sucediera con el modelo atómico de Bohr de 1913, debido a la combinación de la física clásica y de la teoría cuántica, como la estadística de Fermi y Dirac. La solución vino en la misma dirección que desembocaría en 1926-1927 en la mecánica cuántica: el abandono de la física clásica. Fue Felix Bloch, alumno de doctorado de Werner Heisenberg quien dio el paso fundamental que llevaría a la teoría de bandas, base sobre la que se edificó la física del estado sólido, al establecer que no todos los niveles energéticos del electrón permitían la conductibilidad.
De esta forma entre 1928 y 1933 se comprendió el por qué de los metales y los aislantes y la naturaleza de los semiconductores. Hechos que tenían una enorme transcendencia para el desarrollo de la electrónica, las telecomunicaciones, la física de los metales y de los sólidos en general, con aplicaciones en los sectores metalúrgicos y fotográfico. Estados Unidos fue el país donde estos nuevos desarrollos teóricos encontraron un caldo de cultivo propicio para la investigación aplicada, merced a la colaboración de la industria y la Universidad: así ocurrió con John Slater desde el MIT con la colaboración de General Electric, o los cursos sobre física de los metales desarrollados por la Universidad de Pittsburgh financiados por la Westinghouse. Paralelamente, se desarrolló la química cuántica, a partir de la publicación del artículo de Walter Heitler y Fritz London sobre la molécula de hidrógeno en 1927, que junto con los trabajos de Friedrich Hund, Robert Mulliken y John Lennard-Jones, sobre el modelo órbital-molecular del enlace químico, desembocaron en los trabajos de Linus Pauling sobre la naturaleza del enlace químico.
La biología molecular es asimismo deudora de la física cuántica. Sin las técnicas de difracción de rayos X difícilmente se habría podido avanzar en el conocimiento de la estructura y funcionamiento de los procesos biológicos en el nivel molecular. En esta labor desempeñaron un papel pionero los británicos William Henry y William Lawrence Bragg. William Henry Bragg desentrañó en 1921 la estructura del naftaleno y del antraceno, mientras sus colaboradores Müller y Shearer investigaron la de los hidrocarburos. Su hijo William Lawrence Bragg se ocupó por esos años de la estructura de los minerales, sobre todo de los feldespatos. En 1938 Lawrence Bragg se hizó cargo de la dirección del laboratorio Cavendish en Cambridge, a raíz de la muerte de Rutherford en 1937, donde permaneció hasta 1953, convirtiendo el laboratorio de cristalografía en líder mundial de la física de materiales, con la ayuda financiera del Medical Research Centre. Las investigaciones impulsadas por Lawrence Bragg desembocaron en el descubrimiento de la estructura de la hemoglobina por Max Perutz entre 1953 y 1957. La aplicación de la difracción de rayos X permitió otro de los grandes logros científicos del siglo XX, el descubrimiento de la estructura del ácido desoxirribonucleico (ADN), la famosa doble hélice, por James Watson y Francis Crick en 1953 en el Cavendish. Dos acontecimientos que marcan la consolidación de la biología molecular y su transcendencia para el avance de las ciencias biomédicas.
En el descubrimiento de la estructura del DNA desempeñó un papel de primer orden la química cuántica y uno de sus máximos representantes Linus Pauling, su concepción de la biología molecular derivaba de su formación como físico y su conocimiento de la teoría cuántica, según sus palabras ésta era: "una parte de la química estructural, un campo que estaba comenzando a desarrollarse cuando empecé a trabajar en la determinación de estructuras de cristales mediante difracción de rayos X en el California Institute of Technology en 1922". Pauling estaba convencido de que el futuro de la biología molecular pasaba por el conocimiento de la química de las macromoléculas, y que la clave de los procesos biológicos se encontraba en el comportamiento de los enlaces químicos de los átomos, especialmente del carbono. Esta convicción y la financiación de la Fundación Rockefeller concedida para investigaciones en el campo biomolecular desembocaron en 1950 en el descubrimiento por Pauling y Robert Corey de la estructura en forma de hélice de las cadenas de polipéptidos, base sobre la que se sustentaría el descubrimiento de la estructura de doble hélice del DNA.
Así pues, la mecánica cuántica ha permitido mediante el conocimiento del comportamiento de los fenómenos atómicos y de la estructura de la materia el desarrollo de nuevas disciplinas como la física de altas energías o la electrodinámica cuántica, o ha posibilitado importantes avances en múltiples disciplinas, desde la biología molecular y la bioquímica a la informática o la superconductividad. Avances que están en la base de algunas innovaciones tecnológicas más trascendentes de los últimos treinta años y que nos sitúan a las puertas de desarrollos aún más espectaculares. La mecánica cuántica ha permitido en el ámbito de la biología molecular avances sustanciales que han desembocado en el conocimiento de la estructura del DNA y en el comportamiento de los procesos bioquímicos básicos en el interior de la célula, contribuyendo de manera decisiva a la nueva teoría evolutiva que se ha levantado sobre la base de los resultados de la genética mendeliana y de la reinterpretación de la teoría darwinista.
publicador por:
Acuña Rey Andres Eduardo
C.R.F
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