Cuerpo Humano y Mecánica Cuántica
   Javier Tejada, Dept. Física Fonamental

         Universitat de Barcelona
                     15 de noviembre del 2011
Contenidos
Contenidos

 La Mecánica Cuántica


 El cuerpo humano


 Relación con la Medicina
Título
 La mecánica   cuántica

Big Bang           Radiación electromágnetica y materia
La mecánica cuántica
                            Microscopio óptico
   Industria electrónica    Espectroscopia molecular Diagnóstico
                                                     Desintegración radiactiva
                                                     Industria fotónica
                                   THz Gap
                                      Visible – Rad UV
               microondas                                      Rayos gamma
                                                     Rayos-X


                                                                               Hz
 100
        10 3
                  106
                            10
                             9
                                     10
                                      12
                                              10
                                               15
                                                       1018
                                                               1021
                                                                       1024


 dc     kilo      mega      giga    tera      peta     exa     zetta   yotta
                             Frequency (Hz)


1 THz ~ 1 ps ~ 300 mm ~ 4.1 meV ~ 47.6 oK
Título
 La mecánica              cuántica
Dualidad onda-partícula
Título
 La mecánica                   cuántica
                                   h
Onda asociada                   λ=
                                   mv
No existencia de trayectoria



                                   h
                                λ=        −32
                                      ≈ 10 m
                                   Mv

                 h
      e      λ=      ≈ 10 m = 1nm < λvisible
                         −9

                me v
                   Microscopio electrónico   Microscopio óptico
La mecánica cuántica

          Objeto cuántico
           Objeto clásico


            Efecto túnel
La mecánica cuántica

Entrelazado cuántico: superposición de estados clásicos. Efecto túnel
La mecánica cuántica
The magnetic moment of an atom is                      e
    due to two contributions:
                                                      p                    μorbital
1.    The movement of the electrons
      around the nucleus. The electric
      charges in movement generate
      magnetic fields

2.    The electrons, like all the elemental particles, present an intrinsic property,
      called spin, that generates magnetic moment even when they are out of
      the atoms:                 e            e                             μspin

                             S=1/2         S=-1/2
     So the atomic magnetic moment is the sum of both                e
     contributions: átomo es una brújula
                      μtotal = μorbital + μspin                       p
La mecánica cuántica


                       Brújula electrónica




                       Brújula nuclear
Título
 El cuerpo             humano

El cuerpo humano está hecho de sólidos,
líquidos y gases. Nos centraremos en algunos
fenómenos cuánticos.


En el cuerpo humano continuamente ocurren
fenómenos eléctricos y magnéticos.


Los fenómenos eléctricos son más energéticos
que los fenómenos magnéticos.
Título
 El cuerpo              humano

El Helio es un líquido cuántico  no solidifica ni siquiera a
T=0, principio de incertidumbre: los átomos no ocupan una
sola posición, sinó que están a la vez en las posiciones vecinas. Así que los médicos
que trabajan en NMR ven cada día un líquido cuántico.
Título
 El cuerpo                humano

Que son los sólidos? Átomos unidos
por fuerzas. La fuerza de unión se
                                      a   a
mide por la temperatura a la que un
sólido se hace líquido.




                                      a   a
Título
 El cuerpo             humano
Electrones en un metal moviéndose aleatoriamente dentro del sólido.
Cuando aparece un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre:

      valeat   ≈ 10 m  5
                                                      varr ≈ 10 m     −5
                           s                                               s
           e                                          e
               e                               −          e                    +
                   e                                          e



                                                                  V
Título
 El cuerpo            humano

Los electrones en su movimiento chocan y pierden
energía  Resistencia que depende de la T.

              T ↓⇒ R ↓
Existen metales y oxidos que pueden tener R=0 por
debajo de cierta T  Superconductividad, formación
de parejas.


Fenómeno de un anillo SC con un pequeño aislante
 corriente en ambos sentidos  fenómeno de
interferencia cuántica, superposición de estados.


IMAGEN!!!
Título
 El cuerpo            humano

Los superconductores tienen la propiedad de no dejan
penetrar el campo magnético




Por los SC se puede hacer pasar mucha corriente y crear
grandes campos magnéticos, NMR:    H = 10 Gauss
                                              5



Campo magnético terrestre:    H = 0.05Gauss
Cuerpo humano vs memoria magnética
                                                   Al retirar el campo, estos
   Los sólidos magnéticos (ferromagnéticos)
                                                  materiales mantienen cierta
presentan histéresis cuando son sometidos a un
                                                     magnetización que va
           campo magnético externo
                                                 decreciendo lentamente con el
                   M                                         tiempo                 HH
  MR ~ Memoria

                                                               MR ~ ln t
               Hc
                                     H

                                                        ¡¡¡Los sólidos magnéticos
                                                      tienen memoria y la pierden
                                                             con el tiempo!!!       HH
      Hc tarjeta crédito ~ 5000 Oe
                                                 t ~ 109 años: Paleomagnetos
      Hc Transformador ~ 1 Oe
                                                 t ~ 10 años: Tarjeta de crédito
                                                               Disco duro
Cuerpo humano vs memoria magnética

 El desarrollo de nuevas tecnologías
  ha permitido fabricar materiales
   magnéticos cada vez con menor
         número de átomos




     Estas nanopartículas son
    ampliamente utilizadas para
      almacenar información                 1μm
         magnéticamente.


                                       1   0 1 1   0 1 0 1
Cuerpo humano vs memoria magnética

       El cerebro no puede ser un disco duro magnético


                              M

              MR ~ Memoria




                                              H
Título
 El cuerpo          humano

 Sangre: ejemplo de líquido  la sangre del feto y de la madre. El valor del
 momento magnético de la brújula del ión Fe (2+) determina la capacidad de
 oxigenación (MC) y depende de la posicíon de dicho ión respecto al plano pirrólico.


                                                                      Fe

                                           N         N               N         N
                                           Fe
                                    N         N              N        N
Título
 El cuerpo          humano

Muerte  criogénesis  hombre congelado leviatan!!!
Título
 El cuerpo             humano

Cerebro como metáfora cuántica


                         Buenos días!!   Bon dia!!



Bilingüismo cuántico
Relación
Título         con la Medicina

Magnetocardiograma (MCG)
Relación
Título         con la Medicina

Magnetoencefalograma (MEG)
Relación
Título             con la Medicina

Investigación en Física       Intravascular excitation
                             Acou                          blood vessel
                             stic
                             excit
                             ation   Method:
                                                  acoustic
                                     propagation of acoustic waves
                                     through blooddetection
                                                   vessels

                                     Waveguiding effect:
                                     studies of acoustic propagation
                                     along the vessel

Visualización stents                 Detection:
                                     stray acoustic fields: require very
                                     sensitive transducers
Cuerpo humano y mecanica cuantica

Cuerpo humano y mecanica cuantica

  • 1.
    Cuerpo Humano yMecánica Cuántica Javier Tejada, Dept. Física Fonamental Universitat de Barcelona 15 de noviembre del 2011
  • 2.
    Contenidos Contenidos La MecánicaCuántica El cuerpo humano Relación con la Medicina
  • 3.
    Título La mecánica cuántica Big Bang Radiación electromágnetica y materia
  • 4.
    La mecánica cuántica Microscopio óptico Industria electrónica Espectroscopia molecular Diagnóstico Desintegración radiactiva Industria fotónica THz Gap Visible – Rad UV microondas Rayos gamma Rayos-X Hz 100 10 3 106 10 9 10 12 10 15 1018 1021 1024 dc kilo mega giga tera peta exa zetta yotta Frequency (Hz) 1 THz ~ 1 ps ~ 300 mm ~ 4.1 meV ~ 47.6 oK
  • 5.
    Título La mecánica cuántica Dualidad onda-partícula
  • 6.
    Título La mecánica cuántica h Onda asociada λ= mv No existencia de trayectoria h λ= −32 ≈ 10 m Mv h e λ= ≈ 10 m = 1nm < λvisible −9 me v Microscopio electrónico Microscopio óptico
  • 7.
    La mecánica cuántica Objeto cuántico Objeto clásico Efecto túnel
  • 8.
    La mecánica cuántica Entrelazadocuántico: superposición de estados clásicos. Efecto túnel
  • 9.
    La mecánica cuántica Themagnetic moment of an atom is e due to two contributions: p μorbital 1. The movement of the electrons around the nucleus. The electric charges in movement generate magnetic fields 2. The electrons, like all the elemental particles, present an intrinsic property, called spin, that generates magnetic moment even when they are out of the atoms: e e μspin S=1/2 S=-1/2 So the atomic magnetic moment is the sum of both e contributions: átomo es una brújula μtotal = μorbital + μspin p
  • 10.
    La mecánica cuántica Brújula electrónica Brújula nuclear
  • 11.
    Título El cuerpo humano El cuerpo humano está hecho de sólidos, líquidos y gases. Nos centraremos en algunos fenómenos cuánticos. En el cuerpo humano continuamente ocurren fenómenos eléctricos y magnéticos. Los fenómenos eléctricos son más energéticos que los fenómenos magnéticos.
  • 12.
    Título El cuerpo humano El Helio es un líquido cuántico  no solidifica ni siquiera a T=0, principio de incertidumbre: los átomos no ocupan una sola posición, sinó que están a la vez en las posiciones vecinas. Así que los médicos que trabajan en NMR ven cada día un líquido cuántico.
  • 13.
    Título El cuerpo humano Que son los sólidos? Átomos unidos por fuerzas. La fuerza de unión se a a mide por la temperatura a la que un sólido se hace líquido. a a
  • 14.
    Título El cuerpo humano Electrones en un metal moviéndose aleatoriamente dentro del sólido. Cuando aparece un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre: valeat ≈ 10 m 5 varr ≈ 10 m −5 s s e e e − e + e e V
  • 15.
    Título El cuerpo humano Los electrones en su movimiento chocan y pierden energía  Resistencia que depende de la T. T ↓⇒ R ↓ Existen metales y oxidos que pueden tener R=0 por debajo de cierta T  Superconductividad, formación de parejas. Fenómeno de un anillo SC con un pequeño aislante  corriente en ambos sentidos  fenómeno de interferencia cuántica, superposición de estados. IMAGEN!!!
  • 16.
    Título El cuerpo humano Los superconductores tienen la propiedad de no dejan penetrar el campo magnético Por los SC se puede hacer pasar mucha corriente y crear grandes campos magnéticos, NMR: H = 10 Gauss 5 Campo magnético terrestre: H = 0.05Gauss
  • 17.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética Al retirar el campo, estos Los sólidos magnéticos (ferromagnéticos) materiales mantienen cierta presentan histéresis cuando son sometidos a un magnetización que va campo magnético externo decreciendo lentamente con el M tiempo HH MR ~ Memoria MR ~ ln t Hc H ¡¡¡Los sólidos magnéticos tienen memoria y la pierden con el tiempo!!! HH Hc tarjeta crédito ~ 5000 Oe t ~ 109 años: Paleomagnetos Hc Transformador ~ 1 Oe t ~ 10 años: Tarjeta de crédito Disco duro
  • 18.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética El desarrollo de nuevas tecnologías ha permitido fabricar materiales magnéticos cada vez con menor número de átomos Estas nanopartículas son ampliamente utilizadas para almacenar información 1μm magnéticamente. 1 0 1 1 0 1 0 1
  • 19.
    Cuerpo humano vsmemoria magnética El cerebro no puede ser un disco duro magnético M MR ~ Memoria H
  • 20.
    Título El cuerpo humano Sangre: ejemplo de líquido  la sangre del feto y de la madre. El valor del momento magnético de la brújula del ión Fe (2+) determina la capacidad de oxigenación (MC) y depende de la posicíon de dicho ión respecto al plano pirrólico. Fe N N N N Fe N N N N
  • 21.
    Título El cuerpo humano Muerte  criogénesis  hombre congelado leviatan!!!
  • 22.
    Título El cuerpo humano Cerebro como metáfora cuántica Buenos días!! Bon dia!! Bilingüismo cuántico
  • 23.
    Relación Título con la Medicina Magnetocardiograma (MCG)
  • 24.
    Relación Título con la Medicina Magnetoencefalograma (MEG)
  • 25.
    Relación Título con la Medicina Investigación en Física Intravascular excitation Acou blood vessel stic excit ation Method: acoustic propagation of acoustic waves through blooddetection vessels Waveguiding effect: studies of acoustic propagation along the vessel Visualización stents Detection: stray acoustic fields: require very sensitive transducers

Notas del editor

  • #11 Sólidos magnéticos: Aprovechar las diapositivas de la corriente eléctrica en los átomos y espines  brújulas. És la següent la que vols?
  • #14 IMAGEN!!! de solido con muelles entre los atomos. IMAGEN!!! de un solido metalico IMAGEN!!! inventada de los electrones de un metal moviendose aleatoriamente dentro del sólido y ver que cuando aparezca un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre . Poner numeros tanto a la v aleatoria como a la de arrastre.
  • #15 IMAGEN!!! de solido con muelles entre los atomos. IMAGEN!!! de un solido metalico IMAGEN!!! inventada de los electrones de un metal moviendose aleatoriamente dentro del sólido y ver que cuando aparezca un voltaje en sus extremos hay una fuerza de arrastre . Poner numeros tanto a la v aleatoria como a la de arrastre.
  • #17 NMR: imatge amb e saltant d’estat amunt perque entra un fotó Inter-no-se-que de corazon, cerebro, iman nevera, electroimán,
  • #18 Hablar de la capacidad de las conexiones neuronales, de los ordenadores y de la memoria y de la pérdida de la misma.
  • #20 Hablar de la capacidad de las conexiones neuronales, de los ordenadores y de la memoria y de la pérdida de la misma.
  • #25 El magnetoencefalograma es una técnica no invasiva que registra la actividad funcional cerebral, mediante la captación de campos magnéticos, permitiendo investigar las relaciones entre las estructuras cerebrales y sus funciones. La posibilidad de dichos registros viene determinada por la actividad postsináptica neuronal y por la activación sincrónica de millones de neuronas, lo que genera una actividad cerebral uniforme, diferenciada y localizada, capaz de ser registrada mediante el magnetómetro. El SQUID se usa para medir campos magnéticos extremadamente pequeños; actualmente son los magnetómetros más sensibles conocidos, con niveles de ruido de un mínimo de 3 fT/sqrt(Hz). La magnetoencefalografía (MEG), usa medidas de una batería de SQUIDs para inferir la actividad neuronal en el cerebro. Como los SQUIDs pueden trabajar a mucha mayor velocidad que la tasa de actividad cerebral más rápida de interés, se puede obtener buena resolución temporal por MEG.