la frase del mes

"La física es como el sexo. Seguro que tiene una utilidad práctica, pero no es por eso que lo hacemos" Richard Feynman
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De por qué los meteorólogos no dan una. El efecto mariposa

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El tiempo mañana quizá. Y pasadomañana, tal vez. Pero al tercero empezamos a desconfiar del parte meteorológico y nada nos asegura la infalibilidad de las predicciones. No es que los meteorólogos necesiten un repaso de los conocimientos supuestamente adquiridos, no tengan ni idea o no se esmeren lo suficiente con sus modelos; sencillamente, la predicción meteorológica es imposible por naturaleza propia. Y no penséis que el motivo radica en la cantidad de parámetros a tener en cuenta -dificultad nada desdeñable-: las ecuaciones que describen la dinámica atmosférica os sorprenderían por su simplicidad y no imaginaríais, al primer vistazo, que debajo de su aspecto manejable e inocente se esconde el segundo varapalo que el siglo XX ha propinado a la filosofía de la ciencia desde que ésta es ciencia.

El determinismo asesinado por el aleteo de una mariposa


La física se ha arrogado hasta el siglo pasado la pretenciosa capacidad de predecir con total exactitud cuanto fenómeno estudiara. Su mentalidad se habría resumido en algo así como:

"Mídame usted las condiciones iniciales del sistema, que con mis ecuaciones le predigo qué le sucederá dentro de un segundo o mil años si hace falta; y no dude que si cometo algún error es sólo porque usted no ha medido con total exactitud"*

La Física Cuántica reduce a términos de probabilidades el poder predictor de la física imponiendo restricciones sobre la precisión de medida de las magnitudes necesarias para predecir. Es decir, las ecuaciones cuánticas nos informan de qué es probable que suceda y en qué medida. Pero no aseguran nada con total determinación. PRIMER VARAPALO.

¡ Cracka !


Claro que la cuántica nace como física de las átomos, las partículas... lo muy pequeño. A nuestro tamaño, sus efectos se enmascaran y la probabilidad se convierte en seguridad. Parece que podemos seguir escribiendo fórmulas perfectas que predigan sin titubeos cuanto suceda a nuestro alrededor: la fórmula para el movimiento de un coche, la fórmula para el movimiento de un péndulo, la fórmula para esto, la fórmula para lo otro... pero resulta que algunas de ellas, no necesariamente difíciles, presentan un problema insalvable: caoticidad. SEGUNDO VARAPALO.


¡ Craka ! ¡ Craka !


Por caótico entendemos desordenado e impredecible. Matemáticamente, una de las características fundamentales del caos es la sensibilidad a condiciones iniciales. Seguro que alguna vez habéis jugado al billar y comprobado que hasta la tirada más sencilla, como darle directamente con la blanca a cualquier otra bola, puede terminar en una situación completamente distinta a la que deseabais a poco que os equivoquéis al darle. Cuando se os presente la ocasión, probad una tirada, cualquiera, la más simple e intentad repetirla exactamente: la mínima diferencia en la fuerza de tiro, el ángulo, el lugar en el que golpea el taco la bola, la posición que ocupa en reposo antes de que la golpee -es decir, lo que en el argot llamamos las condiciones iniciales-, producirá, si bien no en los primeros instantes, con el tiempo una considerable divergencia de la nueva trayectoria de la bola con respecto a la que intentéis reproducir, es decir, que la segunda tirada acabará por no parecerse en nada a lo que os hubiese hecho ganar la apuesta.

Algo así explica Jeff Goldblum en Jurassic Park del tito Spielberg, sólo que él recurre a la trayectoria de dos gotas de agua deslizándose sobre la mano de Laura Dern mientras intenta seducirla, método que no puedo emplear con mis compañeras de carrera porque seguramente sepan tanto o más que yo de caos, lo cual es fácil.

"Dios crea a los dinosaurios, dios destruye a los dinosaurios, dios crea al hombre,

el hombre destruye a dios, el hombre crea a los dinosaurios" Ian Malcolm


Edward Lorenz, físico meteorólogo, modelizó el clima mediante tres ecuaciones diferenciales no lineales que, al margen de detalles técnicos, encierran la esencia del caos, por lo que nuestro modelo del clima no nos permite predecir a tiempos largos. Imagínese que para predecir qué tiempo hará mañana necesitamos conocer la temperatura, la presión, la humedad, esto, lo otro... es decir, el conjunto de condiciones iniciales, y las introducimos en nuestras fórmulas, que generan una trayectoria, lo que significa que nos dirán el tiempo de mañana, de pasado, del otro... tenemos una predicción. Ahora bien, la medición jamás es exacta, se halla sometida a errores, fluctuaciones: los aparatos de medida son imperfectos y miden condiciones iniciales despreciablemente diferentes a las verdaderas. Pero ese despreciablemente es más que suficiente para un sistema caótico. Introducimos nuestras medidas en las expresiones y generan una nueva trayectoria, lo que significa que también nos dirán el tiempo de mañana, de pasado y del otro... sin embargo, dada la caoticidad del sistema, el tiempo predicho para cada día será diferente al real, porque el clima ha evolucionado a partir de unas condiciones iniciales diferentes a las que hemos medido, por muy bien que las hayamos medido.



Es como la mesa de billar. Intentad repetir una primera tirada, la que sea por simple que sea; quizá al principio se parezca mucho a la original, pero al primer, segundo o tercer rebote comenzará a ser totalemente diferente. Todo depende de cuánto difiera con respecto a la primera tirada la forma en que habéis golpeado la bola con el taco la segunda vez, cuanto más diferente, más temprano se hará patente que la trayectoria de la bola no es igual a la que siguió en la primera tirada. Es incontrolable por definición.


Igual sucede con el clima. Cuanto menores sean los errores en la medición de las condiciones iniciales, más se retrasa el caos en actuar, en separar la predicción de la realidad. Es por ello que las predicciones de los meteorólogos son tanto más fiables cuanto más inmediatas. El tiempo predicho para esta tarde, para mañana... se parecerán mucho al que finalmente tengamos; pero no les pidáis a los meteorólogos que nos aseguren sol para dentro de una semana porque es imposible. Es incontrolable por definición.


Las ecuaciones de Lorenz, no sólo aplicadas al clima, sino a cualquier sistema caótico, como por ejemplo láseres, dibujan el llamado Atractor de Lorenz. No me detendré aquí a explicar terminología de mecánica teórica y caos, pero os lo muestro porque posiblemente sea el origen del nombre popular dado al Efecto Mariposa. Que una mariposa bata las alas en Nueva York y en las antípodas se cree un huracán magnifica de forma amarillista la principal característica del caos, la sensibilidad a las condiciones iniciales: la evolución de un sistema -el clima, las bolas de billar o las gotas de agua recorriendo la piel de Laura Dern- se vuelve magníficamente impredecible y diferente por ínfimas que sean las modificaciones efectuadas sobre sus parámetros de inicio.

Además de la sensibilidad a condiciones iniciales, el caos se caracteriza por su aperiodicidad absoluta, lo que imposibilita la predicción incluso dentro de una misma trayectoria. Ningún conjunto de condiciones tienen que ver con las anteriores, ni con las siguientes. Otra forma de caracterizarlo es mediante la fractalidad en el espacio de fases -en el que se dibuja la mariposa de Lorenz. Pero el resgo de la sensibilidad a condiciones iniciales es más que suficiente para disculpar al hombre del tiempo.

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*Ejemplo: con la posición y la velocidad de un coche en un instante dado, podemos afirmar con total seguridad dónde estará dentro del tiempo que queramos.

Los objetos fractales

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La copa de un pino no es un cono. Una coliflor no es una esfera. Aproximar una vaca por una esfera sólo deja anchos a los físicos. Para que los objetos de la naturalezan adquirieran la suavidad de las formas geométricas clásicas, alguien debería armarse de paciencia y darles a todos un buen planchado. La realidad es rugosa y, si nos ponemos tan quisquillosos, indescriptible según la matemática que todo el mundo ha estudiado de integrales y derivadas.

Pero más allá de esto, si uno observa el pino o la coliflor que hemos mencionado durante un rato, no tarda en percatarse de que el crecimiento de ambos parece haberse gobernado por una sencilla ley de autorreplicación: de un tronco principal brotan varias ramas, de cada rama, otras ramas, de éstas últimas, otras ramitas... hasta llegar a la hoja donde los nervios se bifurcan de una manera similar. ¡¿Dónde está la autorreplicación?! ¡Salvo en concepto de crecimiento, la rama de un árbol no es réplica del árbol entero...! Cierto, quizá más convincente resulte el ejemplo de la coliflor. Tómese una coliflor entera. Pártase por la mitad y compárese con la primera, sin considerar el tamaño sino sólo la estructura ¿no podría pasar media coliflor por una entera?. Repítase el proceso, ¿no podría pasar un cuarto de coliflor por una entera? ¿Y si lo repetimos cien veces? En este punto ya nadie nos vende la fracción de coliflor como coliflor entera, pues la semejanza se empieza a perder.


Aunque la naturaleza nos falle al límite, la idea de la táctica de autorreplicación en el crecimiento no se nos escapa a nadie.

La segunda mitad del siglo XX alumbró la matemática fractal: la matemática de los objetos autosemejantes, esto es, figuras -dibujos- que se construyen siguiendo un proceso iterativo sobre sí mismas y el resultado de cada iteración, de modo que a cualquier escala, cualquier porción de dibujo es exactamente igual al dibujo completo.

Para comprender estas cuatro líneas recurrimos a un ejemplo clásico, el triángulo de Sierpinski*:

Dibújese un triángulo equilátero -etapa 1. Márquense los puntos medios de cada lado y sirvan éstos de vértices de un nuevo triángulo, que "se recorta" -etapa 2. En los tres triángulos que quedan se repite el proceso por separado y resulta la etapa 3 (obsérvese aquí ya la autosemejanza de los tres triángulos recortados con el total). Si se repite con los nueve triángulos el proceso se obtiene la etapa 4. Y así hasta cuando queramos. Esto es un objeto fractal.

Otro ejemplo clásico es el del fractal de Koch, del que adjuntamos el proceso de construcción y un gráfico que hace referencia a la autosemejanza.



La fractalidad parece un simple divertimento matemático, pero en su tratamiento más formal brinda la herramienta idónea para el tratamiento de objetos de dimensión compleja -esto es, cosas que no son puntos, líneas, planos, volúmenes lisos...- y empieza a abrirse camino en áreas como la de la salud o las finanzas.
Os dejamos un artístico viaje a las entrañas del famoso fractal de Mandelbrot, principal precursor de esta nueva matemática que quizá en un futuro no muy lejano tenga no poco que aportar. Bienvenidos al mundo de lo infinito.




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*imagen capturada de la Wikipedia
**Mandelbrot tiene publicados tres libros divulgativos al respecto. Según tengo entendido, no son, aun así, de lectura ligera.