Quantum

Origen del concepto

Quantum, en latín, significa «cantidad» o «porción». Max Planck lo adoptó en 1900 para resolver un problema que llevaba décadas resistiéndose a la física clásica: predecir correctamente el espectro de radiación que emite un cuerpo caliente. Planck propuso que la energía no se intercambia de forma continua, como se había supuesto hasta entonces, sino en paquetes discretos, múltiplos enteros de una cantidad mínima proporcional a la frecuencia de la radiación. Esa cantidad mínima es el cuanto, y la constante de proporcionalidad que la define, la constante de Planck (h, con un valor de 6,626 × 10⁻³⁴ julios por segundo), sigue siendo hoy una de las constantes universales de la física.

Cinco años más tarde, Albert Einstein llevó la idea un paso más allá al explicar el efecto fotoeléctrico: propuso que la propia luz está formada por cuantos, a los que llamó «cuantos de luz» y que hoy se conocen como fotones. Esa hipótesis, que en su momento resultaba casi tan audaz como la de Planck, es la que explica, entre otras cosas, cómo interactúan los rayos X con el tejido en una radiografía o una tomografía computarizada.

Resonancia magnética: el espín cuantizado

El núcleo del átomo de hidrógeno, abundante en el agua y en la grasa del cuerpo humano, posee una propiedad cuántica llamada espín. Sometido a un campo magnético externo, ese espín solo puede orientarse según un número limitado de estados de energía, un fenómeno de cuantización que en física atómica se conoce como efecto Zeeman. La diferencia de energía entre esos estados es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético, y absorbiendo o liberando exactamente esa cantidad de energía, ni más ni menos, los núcleos pueden pasar de un estado a otro.

La resonancia magnética explota justo ese salto cuantizado. Un pulso de radiofrecuencia sintonizado con la frecuencia exacta que separa ambos estados excita los núcleos de hidrógeno; al relajarse, estos emiten una señal que el equipo capta y convierte en imagen. Sin la cuantización de la energía de espín, no existiría una frecuencia de resonancia definida y la técnica, sencillamente, no funcionaría.

Tomografía por emisión de positrones: fotones a energía fija

En la tomografía por emisión de positrones, un radiofármaco emite positrones que, al encontrarse con un electrón del tejido, se aniquilan mutuamente. Toda la masa de ambas partículas se convierte en energía, y esa energía se libera en forma de dos fotones que salen despedidos en direcciones opuestas. Cada uno de esos fotones tiene siempre la misma energía: 511 kiloelectronvoltios, ni más ni menos, porque así lo exige la conservación de la masa-energía en el proceso de aniquilación.

Esa cifra fija es lo que permite a los detectores del escáner reconocer con precisión los fotones procedentes de una aniquilación real y descartar el ruido de fondo. Un campo de investigación reciente estudia si el entrelazamiento cuántico entre esos dos fotones (una correlación que no tiene equivalente en la física clásica) podría aprovecharse en el futuro para mejorar la calidad de las imágenes.

Láser: la emisión estimulada

Einstein volvió sobre la física cuántica en 1917, esta vez para describir un tercer mecanismo de interacción entre luz y materia, distinto de la absorción y de la emisión espontánea. Lo llamó emisión estimulada: si un fotón de la energía adecuada pasa cerca de un átomo ya excitado, puede inducirlo a liberar un segundo fotón idéntico en frecuencia, fase y dirección al primero. Ese principio, formulado como una curiosidad teórica casi cuarenta años antes de construirse el primer dispositivo práctico, es el que da nombre al láser: light amplification by stimulated emission of radiation.

En medicina, el láser se emplea tanto en diagnóstico (por ejemplo, en la tomografía de coherencia óptica) como en tratamientos de oftalmología, dermatología o cirugía. Cualquiera de esos usos depende, en última instancia, del mismo fenómeno cuántico que Einstein describió sobre el papel sin sospechar su futura aplicación clínica.

Diferenciación: física cuántica y pseudociencia

El prestigio y la dificultad de la física cuántica la han convertido, paradójicamente, en un adjetivo de moda para prácticas sin respaldo científico. Términos como «medicina cuántica», «sanación cuántica» o «biomagnetismo cuántico» toman prestado el vocabulario de esta disciplina sin apoyarse en ninguno de sus fundamentos matemáticos ni experimentales. La física cuántica que sostiene la resonancia magnética o el PET es una teoría con casi un siglo de verificación experimental continua; las terapias que se anuncian como «cuánticas» no han demostrado ningún mecanismo de acción comprobable, y ninguna sociedad científica las reconoce como tales.

Preguntas frecuentes

¿Quién acuñó el término cuanto?

Max Planck, el 14 de diciembre de 1900, cuando presentó ante la Sociedad Alemana de Física su solución al problema de la radiación del cuerpo negro. Tomó la palabra latina quantum, que significa «cantidad», para nombrar la unidad mínima de energía que proponía.

¿Qué tiene que ver la mecánica cuántica con la resonancia magnética?

Todo. La técnica depende de que los núcleos de hidrógeno solo puedan ocupar unos pocos estados de energía discretos bajo un campo magnético, un comportamiento exclusivamente cuántico sin el cual no existiría una frecuencia de resonancia definida que excitar.

¿Por qué los fotones del PET tienen siempre 511 keV?

Porque esa energía corresponde exactamente a la masa en reposo de un electrón y un positrón convertida en energía según la equivalencia masa-energía. No puede ser otra cifra: la física impone ese valor con total precisión.

¿«Medicina cuántica» es lo mismo que física cuántica aplicada a la medicina?

No. Es un uso comercial del adjetivo «cuántico» que no se apoya en ningún principio real de la mecánica cuántica. Las tecnologías descritas en esta entrada (resonancia magnética, PET, láser, radiología) sí están fundamentadas en física cuántica verificable; las terapias etiquetadas como «cuánticas» en el ámbito de las pseudoterapias, no.

Referencias

1. Guerrero A. Quantum, the indispensable ally of modern medicine. Polytechnique Insights.
2. Watts DP et al. Photon quantum entanglement in the MeV regime and its application in PET imaging. Nature Communications, PMC.
3. American Physical Society. Einstein predicts stimulated emission. APS News.
4. Ortiz Bisso B. Si lees "cuántico" y no es sobre física, huye rápido de ahí. El Comercio, divulgación científica.