Isomerismo óptico e interpretación de la mecánica cuántica

SEBASTIAN FORTIN; OLIMPIA LOMBARDI; JUAN CAMILO MARTÍNEZ GONZÁLEZ

Santiago de Chile

Congreso; XVII Jornadas Rolando Chuaqui Kettlun; 2016

Universidad de Chile

El problema de la relación entre química y física ha sido largamente discutido en la filosofía de la ciencia (por ejemplo, van Brakel 2000, Scerri 2000, Lombardi y Labarca 2005, 2006). Por un lado, algunas discusiones se han centrado en los métodos aproximados necesarios para resolver la ecuación de Schrödinger (Lombardi y Castagnino 2010). Por otro lado, la concepción emergentista (Wolley 1978, Hendry 2010) ha ganado terreno sobre la base del supuesto de la dependencia ontológica del dominio química respecto de una realidad cuántica subyacente. En el marco de estas discusiones, un caso de estudio particularmente interesante es el de los isómeros ópticos. Como es bien sabido, la composición de una molécula viene representada por su fórmula química, que establece en qué proporción estequiométrica los elementos componentes se encuentran presentes en el compuesto químico. Pero esta fórmula no brinda información acerca de la disposición geométrica de los átomos en la molécula. Se denominan isómeros los compuestos que contienen la misma cantidad de átomos de cada elemento, pero en los cuales los átomos se disponen espacialmente de modo diferente. El isomerismo es particularmente importante en química, porque explica las diferencias en el comportamiento físico y químico de sustancias de la misma composición.El isomerismo se presenta bajo dos formas. En los isómeros estructurales, los átomos componentes y los grupos funcionales se interconectan de maneras diferentes. En los estereoisómeros, por su parte, los átomos se conectan de la misma forma, pero la disposición geométrica espacial de átomos y grupos funcionales es diferente. Una subclase de estereoisómeros es la de los enantiómeros, cuyas estructuras geométricas son especularmente simétricas. La propiedad que distingue a los miembros de un par de enantiómeros es la quiralidad.La peculiaridad de estas moléculas es que comparten casi todas sus propiedades químicas y físicas: se diferencian entre sí por el tipo de interacción que manifiestan con entornos no simétricos. En particular, los miembros de un par de enantiómeros difieren en su interacción con la luz polarizada: rotan el plano de polarización en la mismo medida pero en direcciones opuestas. Por ello, usualmente se los denomina isómeros ópticos y se dice que son ópticamente activos. Estos compuestos tienen una importante función en las reacciones enzimáticas de los sistemas biológicos: muchas drogas farmacológicas son quirales, y sólo uno de los miembros del par exhibe actividad biológica, ya que reacciona con las moléculas de proteína del cuerpo humano que también son quirales. Por ejemplo, el aspartamo es un agente endulzante con dos enantiómeros: uno de ellos es más de cien veces más dulce que la sucrosa, mientras que el otro es casi insípido o ligeramente amargo. Un ejemplo dramático de la diferencia en la actividad biológica de los enantiómeros es el de la talidomida, una droga que comenzó a utilizarse en 1957 para prevenir las náuseas en mujeres embarazadas. Pero uno de los miembros del par es un teratógeno, esto es, un agente que afecta el desarrollo del feto causando serias anormalidades estructurales y/o funcionales. Se estiman entre 10.000 y 100.000 mujeres fueron afectadas en todo el mundo.Queda claro, entonces, que la diferencia entre los miembros de un par de enantiómeros no es meramente subjetiva o producto de distintas perspectivas descriptivas, sino que involucra evidentes distinciones causales. Sin embargo, la mecánica cuántica no puede dar cuenta de tal diferencia. En efecto, el Hamiltoniano cuántico sólo depende de las distancias entre las partículas que conforman la molécula. Puesto que los miembros del par son imágenes especulares uno del otro, el Hamiltoniano es exactamente el mismo para ambos. En consecuencia, la mecánica cuántica brinda la misma descripción para dos estructuras químicas que pueden ser diferenciadas en la práctica a través de su actividad óptica y biológica. Es importante señalar que esta situación no depende de aproximación alguna, ya que se daría incluso si pudiéramos formular el Hamiltoniano considerando todos los núcleos y electrones que conforman las moléculas. Este problema, originalmente planteado por Friedrich Hund (1927) y conocido por ello como "paradoja de Hund", cuestiona la capacidad de la mecánica cuántica para reducir la química molecular.En el presente trabajo examinaremos el problema de los isómeros ópticos. En primer lugar mostraremos que la paradoja es un caso particular del problema de la medición en mecánica cuántica. Sobre esta base afirmaremos que, dado que la decoherencia cuántica no resuelve el problema de la medición, los intentos de disolver la paradoja apelando a la decoherencia no son exitosos. A continuación, señalaremos que una adecuada interpretación de la mecánica cuántica puede echar luz sobre la cuestión del isomerismo. Finalmente, abordaremos el problema desde la interpretación desarrollada en nuestro grupo, la interpretación modal-Hamiltoniana (Lombardi y Castagnino 2008). Mostraremos que, desde esta perspectiva interpretativa, es posible brindar una explicación satisfactoria al fenómeno del isomerismo óptico como un caso de medición cuántica, concebida como ruptura de simetría.