Arxiu de la categoria ‘Algorismes i geometría’

El cel, els globus i els engolidors

divendres, 1/09/2017

Quan puc, que no és sovint, m’agrada escollir una nit clara i sense lluna per anar a la muntanya, lluny de la contaminació lumínica, a mirar els estels. És ben fàcil. Només cal jeure a terra, embolicar-se amb una manta, i ja estem en condicions de començar a gaudir d’un espectacle que és quasi insòlit, en aquest segle de la llum: el que ens mostren, cada nit a la foscor, bilions d’estels. Nosaltres, si anem sense binocles o telescopi, només en podrem veure uns quants milers, però amb l’avantatge de poder contemplar, de cop, quasi la meitat de l’Univers. El que he de reconèixer és que, quan ho faig, al cap d’una estona m’envaeix sovint una estranya sensació de vertigen. Tinc la impressió de he de caure cap al cel i que sóc xuclat pels estels. És llavors quan la immensitat de l’espai i la quasi eternitat dels estels em parlen de la meva insignificança.

El cel és font de coneixement i de dubtes. És un immens espai de secrets, que poc a poc anem desvetllant. Els antics pensaven que els estels eren llums, tots penjats d’una gran esfera celeste centrada a la Terra. Després vam saber que no érem al centre, i que el Sol era un estel com milions d’altres, però més aviat petit. Sabem que alguns estels són molt més lluny que altres, i que certs punts brillants del cel que ens semblen estels són de fet galàxies amb milions d’estels. Només a Laniakea, l’immens grup local de galàxies on ens trobem, sabem que hi ha aproximadament cinquanta mil bilions d’estels, agrupats en més de 100.000 galàxies com la nostra, algunes d’elles formant cúmuls com els de Virgo, Hidra i Centaure. Ara bé, des de fa 92 anys en sabem molt més i a la vegada tenim moltes més preguntes sense resposta. Fa 92 anys vam descobrir que l’Univers es troba en contínua expansió, com si els estels fossin puntets en un globus que anem inflant. Totes les galàxies s’allunyen de nosaltres, i nosaltres ens anem separant d’elles. Però això no és tot. Després vam veure, amb gran desconcert, que l’expansió s’accelera: tot se’n va, i cada cop se’n va més ràpid. Quin és el motor d’aquesta acceleració? Aquesta és la gran pregunta de la cosmologia actual. La principal conjectura ens parla de l’anomenada matèria fosca, una matèria que no hauríem pogut encara detectar i que seria la que contraresta l’atracció gravitatòria i acaba accelerant l’expansió. Però fa poc s’ha publicat una altra possible explicació, elegant i geomètrica. A continuació en teniu alguns detalls.

Abans de Copèrnic, Kepler i Galileu, eren pocs els que entenien alguna cosa sobre la forma i estructura de la Terra i el cel. Els grecs es van interessar per la geometria, que com sabem significa mesura de la Terra. Alguns d’ells, com Eratòstenes, van preparar i fer experiments d’una elegància indiscutible per a mesurar la Terra. Els càlculs d’Eratòstenes van ser els més precisos del món antic, amb un error en el radi de la Terra que oscil·la entre en 1% i un 17% en funció de si va usar l’estadi egipci o l’àtic com unitat de mesura. Però la majoria de gent ho va oblidar i durant molt temps es va desentendre de la geo-metria. De fet, la pràctica totalitat dels europeus de fa mil anys desconeixien les troballes dels grecs, i estaven ben segurs que la Terra era plana.

Amb el cel va passar el mateix que amb el nostre planeta. El tractat de l’esfera de Joan de Sacrobosco, un dels llibres més divulgats entre els segles XIII i XV, deia que la Terra era una esfera situada en el centre d’una altra esfera molt més gran amb totes els estels fixes, mentre que el Sol, la Lluna i els planetes es movien en esferes intermèdies. Després, Kepler ens va treure una primera vena dels ulls i ens va explicar que la Lluna girava al voltant de la Terra i que tots els planetes, inclosos nosaltres, giràvem al voltant del Sol. Però van haver d’esperar fins 1838 (fa només 180 anys) per a que Friederich Wilhelm Bessel ens ajudés a treure la segona vena, poguéssim començar a calcular les distàncies que ens separen dels estels més propers i féssim els primers mapes que ens mostren l’estructura del cel (vegeu la nota al final). Quan la geografia ja havia assolit la majoria d’edat, Bessel ens va obrir la porta de cosmografia i, si em permeteu, de la cosmometria.

El cel, però, és una veritable capsa de sorpreses. Quan mirem els estels a la nit, estem mirant el passat, perquè veiem la llum que ens arriba després de viatjar molts anys per l’espai. Si tenim la sort d’observar l’explosió d’una supernova que sabem que es troba a 1000 anys llum, és evident que va explotar fa mil anys, en els temps del comte Ramon Borrell, perquè la llum de la seva explosió ha tardat mil anys en arribar-nos. I si l’estel és a dos mil milions d’anys llum, és que va explotar quan tot just començava la vida a la Terra. Mirar al cel i mirar enrere en el temps és el mateix. Quan mirem els estels a la nit, estem gaudint d’un viatge al passat. Un passat que ara sabem que no és estàtic: l’any 1928, Edwin Hubble va descobrir que l’Univers és com un globus en expansió. Les galàxies que veiem al cel constantment fugen de nosaltres (i nosaltres d’elles) seguint la llei de Hubble, de la mateixa manera que els punts d’un globus es separen quan l’anem inflant (vegeu la nota al final). Molts d’aquests puntets que veiem al cel estan marxant constantment més i més enllà, i els que són més lluny ho fan més ràpid. Podria dir, rient-me de mi mateix i en una escapada puntual cap a la fantasia, que tal vegada és per això que moltes vegades he experimentat aquesta sensació de ser “xuclat” per aquests estels del cel que fugen.

Curiosament, podem fer l’exercici mental de rebobinar el temps mentre apliquem la llei de Hubble. Si ho fem i retrocedim en el temps, anirem desinflant el globus i ens adonarem que qualsevol estel o galàxia ha hagut de trobar-se més a prop nostre en el passat. Com més retrocedim, més a prop és tot. I, com que coneixem les lleis de l’expansió, podem calcular enrere i trobar fàcilment el moment del Big Bang, en què l’Univers era ínfim. Gràcies a Hubble i a la seva llei, ara sabem que l’Univers te uns tretze mil vuit-cents milions d’anys. Val a dir que aquest càlcul es complica una mica, perquè l’any 1998 es va descobrir que l’expansió de l’Univers és accelerada i cada cop més ràpida. El càlcul acurat de l’edat de l’Univers depèn de que sapiguem calcular bé el valor d’aquesta acceleració expansiva en cada moment del passat.

En pocs anys hem après moltes coses. Sabem que l’Univers és com un globus que es va inflant, que totes les galàxies es van allunyant, que la seva velocitat depèn de la distància, i ara hem vist que cada cop ho fan més ràpidament. Hem pogut descobrir les lleis que governen aquesta expansió, i amb tot això hem pogut arribar a calcular ni més ni menys que l’edat de l’Univers. Però cada descobriment porta a noves preguntes. Què és el que fa que l’Univers cada cop s’expandeixi més ràpid? Segons la llei de la gravitació universal hauria de ser al revés, de la mateixa manera que quan llancem una pedra a l’aire, cada cop puja més lentament. La idea més estesa és que aquesta acceleració expansiva és deguda a una certa matèria (i energia) fosca, que encara ningú ha pogut detectar. Però recentment ha sorgit una segona teoria, que trobo realment elegant i que es basa en pensar que tot l’Univers és ple d’engolidors invisibles. La teoria, proposada per Juan García-Bellido i Sébastien Clesse, que podeu trobar en aquest article científic, ha estat també explicada a la revista Scientific American. En García-Bellido i en Sébastien Clesse ens recorden que, just després del Big Bang, segurament hi va haver una fase d’expansió increïblement prodigiosa que va fer que dos punts separats menys que un radi atòmic, al cap d’una deumil·lèsima d’una milionèsima d’una milionèsima d’una milionèsima d’una milionèsima d’una milionèsima de segon, es trobessin a una distància de 4 anys llum. L’amplificació de les fluctuacions durant aquesta inflació (vegeu la nota al final) segurament va produir, diuen, milions i milions de “forats negres primordials” (PBH) que encara són a tot l’Univers (amb masses que anirien de la centèsima part de la del Sol a la de deu mil Sols) i que podrien explicar perfectament l’acceleració expansiva que ara observem. Com que no emeten pràcticament radiació i són invisibles, els PBH són bons candidats naturals per explicar-nos el misteri de la matèria fosca.

És clar que és una teoria que cal comprovar, i García-Bellido i Sébastien Clesse proposen alguns experiments que, en el futur, podran dir-nos si el que han proposat és cert. Però en tot cas ho trobo molt elegant, perquè si és cert no caldria cercar estranyes matèries fosques, sino que tot quedaria explicat en base a singularitats de l’espai-temps. La solució del misteri de la matèria fosca ens vindria de la geometria, mitjançant una infinitat de singularitats que s’estenen per tot l’Univers i que fan d’engolidors. La sensació de sentir-me “xuclat” pels estels a la nit és purament mental, però tal vegada, en mig de la foscor de la nit, sí que hi ha milions d’engolidors que van xuclant matèria de manera discreta i silenciosa. Les lleis de l’Univers que regeixen les nostres vides són les de la física, que anem sabent que es basa fortament en l’estructura geomètrica de l’espai. En definitiva, i en certa manera, som química dels estels (molts elements essencials per la vida, com el iode i el molibdè, van haver de ser fabricats per alguna supernova), i som física i geometria. La veritat és que, mirant el cel, em costa entendre la condició humana i la seva arrogància, dogmatisme, orgull i vanitat.

Per cert, en Xavier Antich diu que potser ens caldria una revelació com la de Petrarca, però a la inversa, per redescobrir la natura de la qual som, i ben just, una petita peça. Diu que podríem repetir el credo de Thoreau: “Crec en el bosc, i en les prades, i en la nit durant la qual creix el blat de moro”.

————

NOTA: Els estels de les constel·lacions que veiem al cel, com els de la Óssa Major o Orió, no són tots a la mateixa distància de la Terra. Friedrich Bessel va poder calcular el paral·laxi d’alguns estels l’any 1838 tot comprovant que eren molt lluny. Ho va fer observant la mateixa zona del cel dues vegades, separades mig any. Va veure que el fons d’estels fixes no canviava, però que alguns estels sí que es veien desplaçats. Aquest desplaçament és el paral·laxi. És el mateix que passa quan mirem un objecte proper tancant primer un ull i després l’altre: l’objecte es desplaça en relació al fons. Bessel va poder calcular la distància als estels amb senzills càlculs trigonomètrics a partir de saber la distància entre les dues posicions de la Terra a la seva òrbita. Actualment, una altra manera de calcular distàncies a estels i galàxies més llunyanes és la que es basa en les cefeides, estels polsants en els que la seva brillantor és funció de la freqüència de la seva pulsació. Els astrònoms, mesurant la brillantor aparent d’una certa cefeida i calculant la seva brillantor veritable a partir de l’observació de les seves pulsacions, poden calcular la seva distància.

La llei de Hubble mostra una relació de proporcionalitat entre la distància i la velocitat de les galàxies. Va ser formulada per Edwin Hubble l’any 1929 després de gairebé una dècada d’observacions, i lliga a més amb la solució de les equacions d’Einstein de la relativitat general. Diu que les galàxies s’allunyen a una velocitat proporcional a la seva distància, segons la constant de Hubble. L’Univers és per tant com la superfície d’un globus que es va inflant, però en 3D enlloc de en 2D. Si imaginem que som una formiga en un dels punts del globus i aquest es va inflant, no veurem canviar les posicions “al cel” dels altres punts, perquè les direccions es mantenen durant l’inflat. Els estels i les galàxies no canvien de lloc a l’esfera del cel, només se’n van “enrere”.

La llei de Hubble afegeix relleu i moviment al cel de nit. El desplaçament de les línies espectrals de la llum que ens arriba dels estels ens permet calcular la velocitat a que s’allunyen de nosaltres, i la constant de Hubble ens permet estimar la seva distància (que després podem acabar d’ajustar amb cefeides o amb tècniques de paral·laxi). Finalment, per cada estel del cel sabem calcular el lluny que és, el ràpid que s’està allunyant, i de quin moment del passat és la llum que ara veiem. Un llibre que explica molt bé tots aquests fenòmens és “La Poesía del Universo”, de Robert Osserman, traduït per Mercedes García i editat en castellà per Grijalbo Mondadori.

El que diuen els investigadors García-Bellido i en Sébastien Clesse és que, durant la fase d’inflació, les petites fluctuacions quàntiques es van amplificar immensament fins escales macroscòpiques, deixant l’empremta de diferències de densitat que hem pogut observar al mapa de la radiació de fons de l’Univers. En aquest procés, les regions denses de la boira inicial de partícules fonamentals podrien haver col·lapsat per efecte de la seva pròpia gravetat només un segon després de la inflació, formant els anomenats forats negres primordials (PBHs). Els PBH serien, per tant, pics de densitat produïts per fluctuacions en l’univers primitiu, que van acabar en singularitats de l’espai-temps i que van anar generant agrupacions invisibles de milions de forats negres de diferents masses, d’entre 0,01 i 10.000 vegades la massa del nostre Sol. Aquests forats negres primordials massius podrien ser la major part o fins i tot la totalitat de la matèria fosca de l’Univers.

Elogi dels pendents

dimecres, 26/07/2017

Quan caminem o quan anem amb bicicleta, sabem molt bé què són els pendents perquè els notem. És un concepte ben clar i senzill. Mireu el tram que he marcat en groc, a la zona del mapa de la imatge dins la lupa. Si sabem l’escala del mapa, només hem de mesurar la distància entre dues corbes de nivell. Un pendent del 5% ens diu que la carretera (o la pista) puja cinc metres cada 100 metres de recorregut horitzontal en el mapa, i si el pendent és del 10%, és que cada cent metres en pugem 10. Però, per què 100 metres? Si el camí puja de manera regular, podem fer el càlcul cada cent (o dos-cents) metres i el resultat ja serà prou acurat. Però si és un camí de muntanya, el pendent és irregular i pot canviar metre a metre. En aquest cas, podem calcular el pendent local amb una barra de fusta d’un metre. La recolzem a terra per l’extrem més elevat i la mantenim horitzontal (per exemple, amb un nivell d’aigua). La distància de l’altre extrem al terra, en vertical i en centímetres, ens diu el pendent de la pista, perquè una pujada constant de 10 centímetres cada metre indica un pendent del 10%, el mateix que quan pugem 10 metres cada 100 metres (vegeu la nota al final). I què és millor? Mesurar pendents en un tram llarg, de cent metres o d’un quilòmetre, o mesurar pendents locals? Tot depèn del que vulguem saber, si el que ens cansarem a cada pas o el que pujarem al final. En tot cas, el problema del pendents locals és un tema apassionant, que va captivar a Grecs com Arquimedes i que va acabar sent resolt de manera meravellosa i elegant per Newton i Leibnitz. Quan us parlin de derivades, penseu en el pendent de les carreteres. Les derivades no són més que el pendent local a cada punt, calculat amb barres horitzontals cada cop més petites. Les paraules espanten una mica, però els conceptes no.

Imaginem ara que decidim sortir de la pista i continuar camp a través. Hem deixat el camí, unidimensional, i ara ens podem moure en qualsevol direcció. Tenim la llibertat d’anar al Nord o al Sud, a l’Est o a l’Oest. Però, quin és el pendent, quan som en un punt determinat de la muntanya? La resposta no és difícil: només cal pensar que, a mesura que tenim més llibertat, el concepte de “pendent” s’enriqueix. En 2D, en dues dimensions, en lloc de pendents tenim gradients. El gradient té direcció, a més del valor del pendent. Té la direcció del màxim pendent. Imagineu-vos a qualsevol lloc de la muntanya que veieu a la imatge. Mireu al vostre voltant. En algunes direccions, fa pujada; en d’altres, fa baixada. La direcció de màxima pujada és la direcció del gradient; el valor del pendent en aquesta direcció ens indica justament la magnitud o mòdul d’aquest gradient. El gradient ens dona informació local sobre la forma de la superfície de la muntanya amb diverses dades: ens diu quina és la direcció de màxima pujada i el valor del seu pendent, ens explica que la direcció contrària és la de màxima baixada, i ens mostra la direcció horitzontal de pendent zero, que és justament la seva perpendicular. Els esquiadors bé saben que, per aturar-se, cal situar els esquís en direcció perpendicular al gradient.

Ara bé, no només hi ha pendent a les carreteres i gradient d’alçada a les muntanyes. Hi ha gradient a qualsevol magnitud que no sigui constant. Podem parlar del gradient de temperatures a la superfície de la Terra o del mar, de gradient de la concentració de vegetació, però fins i tot podem parlar de gradients 3D quan som davant de magnituds que tenen valors diferents a cada punt de l’espai: la temperatura de l’aire, la concentració de diòxid de carboni, la humitat, la densitat de protons (ions d’hidrogen) per metre cúbic, la puresa de l’aire, la temperatura de cada punt de l’oceà. A l’espai o dins del mar, tot és igual llevat que ara els gradients són tridimensionals: a qualsevol punt a uns quants metres de fondària al mar, la direcció del gradient de temperatura ens diu quina és la direcció òptima que hem de prendre si volem anar a llocs més calents, i qualsevol direcció perpendicular a aquesta ens portarà a punts propers sense que notem cap canvi de temperatura. De la mateixa manera, el gradient de protons ens permet anar cap a zones de l’espai amb més i més concentració de protons i el de contaminació ens indica justament on no hem de dirigir-nos si volem aire pur.

Hi ha tota una teoria que darrerament va agafant pes, que diu que la vida es basa en gradients de protons. Heu sentit parlar d’en Luca? Segons el professor William Martin, de la Universitat Heinrich Heine de Düsseldorf, en Luca (“Last Universal Common Ancestor“), l’antecessor de tots els bacteris, animals i plantes, era ja a la Terra fa uns quatre mil milions d’anys, quan el nostre planeta només tenia 560 milions d’anys. Per a arribar a saber coses d’en Luca, l’equip de recerca d’en William Martin va analitzar tots els gens de microbis i bacteris que s’han anat codificant i arxivant al llarg dels darrers 20 anys i que es poden consultar a les bases de dades d’ADN. En total, van estudiar 6 milions de gens i els van poder organitzar en arbres genealògics evolutius (si per exemple trobem un gen humà que també el tenen els ratolins, això ens diu que nosaltres l’hem heretat dels mamífers inferiors). Van poder classificar els sis milions de gens en un gran arbre de famílies genètiques, i van veure que, de tots ells, només 355 gens complien els criteris per pertànyer probablement a Luca, aquest avantpassat conjunt de tots els bacteris i éssers vivents. La conclusió de l’equip d’en William Martin, polèmica però molt interessant, és que el més probable és que Luca fos un organisme que “vivia” en zones del fons marí amb emanacions gasoses riques en metalls, molt calentes per la interacció entre l’aigua de mar i el magma que sortia d’alguns llocs del fons oceànic. En un article publicat a la revista Nature Microbiology, expliquen que alguns d’aquests 355 gens permeten generar energia a partir de l’hidrogen, i que un d’ells és el que fabrica la girasa inversa, un enzim que actualment es troba només en microbis que viuen a temperatures extremadament altes. En un altre article, en Kevin Drum cita els treballs de l’equip d’en William Martin junt amb els del bioquímic Nick Lane, i explica que aquests organismes inicials com en Luca generaven energia tot aprofitant justament els gradients de concentració d’hidrogen, amb un metabolisme que es basava en l’intercanvi de protons a les membranes de les mitocòndries. Les membranes, perpendiculars al gradient, afavorien l’intercanvi en la direcció del màxim pendent per optimitzar l’energia vital. En Luca va sobreviure i segurament va iniciar tota la vida a la Terra perquè va poder treure profit dels gradients de protons a llocs del fons marí on justament aquests gradients eren molt elevats. No és la manera més eficient de produir energia, però era l’única font que hi havia, fa uns 4.000 milions d’anys. La vida va anar evolucionant per aprofitar-ho, i les cèl·lules actuals tenen els seus propis mecanismes interns basats en gradients de protons.

Però no només la vida. Els gradients són també el motor de les societats, que avancen i es mouen quan hi ha una forta coincidència d’interessos. En aquest cas, no obstant, tot plegat és molt més complicat perquè les motivacions i els interessos socials tenen infinitat de matisos i dimensions…

Els gradients són font de vida, i els gradients són un repte vital. Ens agrada pujar muntanyes, com als insectes que els agrada pujar parets. Sense pendents i gradients, tot seria inert i nosaltres no hi seriem. L’Univers crea vida perquè és ple de gradients. Gradients que mouen la vida, les societats i la democràcia, i que ens haurien de permetre posar una mica de seny per afrontar els reptes que l’espècie humana tindrà durant les properes dècades.

Per cert, en Noam Chomsky diu que les qüestions que ara és més important abordar són les amenaces veritablement existencials que afrontem: el canvi climàtic i el perill de guerra nuclear. I es queixa que la interferència del poder empresarial i les fortunes privades en les eleccions nord-americanes no es consideri un crim sino el funcionament normal de la democràcia.

———

NOTA: Amb la barra horitzontal, hem format un triangle rectangle en el que la barra és un dels catets i on el segment recte T que uneix el punt més alt del terreny (on la barra toca el terra) amb el peu de la línia vertical que podem imaginar sota l’altre extrem de la barra, és la hipotenusa. El segment T ens dona la direcció local de la recta tangent a la carretera o pista; observareu que la manera habitual que tenim de parlar de pendents, en percentatges, no és altra cosa que mesurar la tangent trigonomètrica de l’angle que forma T amb la horitzontal. Podríem també calcular l’arc tangent de la divisió entre la distància en vertical de l’extrem lliure al terra i la longitud de la barra, i llavors parlar de pendent en graus angulars.

Als carrers del nostres pobles i ciutats, és ben fàcil saber-ne el pendent a cada punt perquè l’ampit de les entrades a les cases i botigues ens fa de barra horitzontal. Només cal mirar quina és la l’alçada que hi ha entre l’ampit en els seus dos extrems i el terra del carrer, i després dividir la diferència entre aquestes dues alçades per l’ample de l’ampit.

La horitzontal

dijous, 6/07/2017

Fa dies vaig anar a caminar per la carretera de les aigües de Barcelona. Vaig sortir de Sant Pere Màrtir, i al cap d’una hora i mitja vaig fer la foto d’aquí al costat, que mostra el camí i el lloc de sortida. Bé, de fet vaig fer dues fotos, part de les quals podeu veure a baix de tot junt amb dos detalls: un de la zona del castell de Montjuïc i amb un altre de l’inici del camí.

He canviat d’alçada, mentre caminava? El camí, fa baixada? L’horitzó, ens pot servir per a conèixer la direcció horitzontal? Si mireu qualsevol de les fotos, veureu que l’horitzó és per sota del començament del camí i pel damunt de Montjuïc. Però l’horitzó, és horitzontal?

De fet, depèn, com moltes altres coses a la vida. Depèn d’on jo sigui. Perquè la paradoxa és que l’horitzó quasi mai ens dona la horitzontal. Però la geometria, en la seva accepció més essencial de mesura de la Terra, ens aporta l’ajut que necessitem i ens obre la caixa dels misteris de l’horitzó (vegeu la nota al final). Tot es resumeix en tres indicacions: 1) allò que veiem sota l’horitzó, és a una alçada inferior a la nostra (és el cas del castell de Montjuïc, que es veu bé al detall de l’esquerra de la foto de baix). 2) tot el que veiem clarament per damunt de l’horitzó (com l’antena del cim del turó de Sant Pere Màrtir) és a una alçada superior a la nostra. 3) Si volem saber exactament l’alçada relativa a nosaltres del que veiem prop de l’horitzó, hem de fer un petit càlcul i una multiplicació en base a la nostra alçada sobre el nivell del mar (que podem saber, cercar, o bé estimar).

La foto de dalt la vaig fer des d’uns 3 Km. de distància. Tenint en compte que la meva alçada sobre el nivell del mar era de 280 metres, el valor de l’angle A (vegeu la nota al final) és de 0,00934 radians. Només he de fer una multiplicació per veure que l’error és igual a 3000*0,00934 = 28 metres. En tot cas, si no hagués tingut manera de conèixer la meva alçada i hagués considerat que era a 200 metres damunt del nivell del mar, el valor resultant hagués estat de 3000*0,0079 = 24 metres, que tampoc és tan diferent. I si hagués  suposat que em trobava a 400 metres damunt del nivell del mar, el valor resultant hagués estat de 3000*0,011 = 33 metres. Sempre que em mogui entre els 200 i els 400 metres d’alçada, puc afirmar que l’error d’alçada que em dona l’horitzó es troba entre els valors que puc calcular amb 0,0079 i 0,011, i sempre que em trobi entre els 400 i els 600 metres d’alçada, l’error d’alçada serà dins l’interval que puc calcular amb 0,011 i 0,0137.

En resum: en les condicions en que vaig fer la foto, l’horitzó es veu uns 28 metres per sota de la horitzontal. I aquesta és, aproximadament, la mesura que veiem de la diferència d’alçades entre camí i l’horitzó, a la foto. Podem concloure per tant que el camí no fa baixada, és pla. La carretera de les aigües es manté aproximadament a la cota 280.

Quan observem l’horitzó, tal vegada és un bon moment per treballar el càlcul mental. Si per exemple som a la Serra de Tramuntana, ens caldrà adaptar els càlculs de la nota del final, però si habitualment mirem el mar des de llocs que són per sota dels 400 o 600 metres, només cal que recordem tres valors: 0,0079, 0,011 i 0,0137, i ja podrem calcular la separació entre l’horitzó i la horitzontal.

He de dir que, quan soc dalt d’un turó i observo l’horitzó, no puc deixar de pensar en geometria, en l’etimologia d’aquesta paraula, en la frase de l’entrada de l’Acadèmia de Plató i en la mesura del nostre planeta. I penso que, unes quantes dotzenes d’horitzons més enllà, el passaport canvia de color i l’esquizofrènia és més possible.

Per cert, la Rosa Montero cita un llibre de David Eagleman i explica que l’element més determinant dels que predisposen a l’esquizofrènia és el color del passaport. Perquè la tensió social que produeix el fet de ser emigrant en un altre país, és un factor fonamental de risc per patir aquesta malaltia.

————

NOTA: Som no massa lluny de la costa, en un lloc des d’on veiem el mar i l’horitzó. Si sabem la nostra alçada h respecte el nivell del mar, podem calcular fàcilment la nostra distància a l’horitzó i l’error en alçada que cometem quan usem l’horitzó com a referència horitzontal. Imaginem i dibuixem un cercle que representa la Terra, i diem ara O al seu centre i R al seu radi mig, que és de 6371 Km. Suposem (això no canvia res i fa el dibuix més fàcil) que ens trobem a la línia vertical que passa per O. La nostra posició, que anomenaré P, és una mica exterior al cercle de manera que la seva distància a O és òbviament R+h. Si des de P dibuixem una recta rh tangent al cercle, aquesta recta ens dona justament la direcció en què veurem l’horitzó. La nostra distància D a l’horitzó serà la longitud del segment PH, on H (l’horitzó) és el punt de tangència entre la recta rh i el cercle. Ara bé, el triangle format pels punts P, O i H és un triangle rectangle amb l’angle recte al punt H, perquè la tangent a un cercle sempre és perpendicular al radi. Com que la longitud de la seva hipotenusa OP és R+h i el catet OH és el radi de la Terra, el teorema de Pitàgores ens diu que la distància D a l’horitzó és igual a l’arrel quadrada del quadrat de (R+h) menys el quadrat de R. En altres paraules, D és l’arrel quadrada de 2*R*h+h*h (per les alçades habituals, però, podeu comprovar que el terme h*h és menyspreable en relació a l’altre; per tant, podem simplement calcular l’arrel quadrada de 2*R*h).

La distància a l’horitzó, D, només depèn de la nostra alçada respecte el nivell del mar. Per alçades de 200 metres, 400 metres i 600 metres, aquesta distància és de 50,478 Km. (o sigui 50 Km. i 478 metres), 71,393 Km. i 87,436 Km. respectivament. Podeu comprovar-ho i calcular fàcilment el seu valor per qualsevol altre alçada h. O sigui, si som a una alçada d’entre 200 i 600 metres, l’horitzó es troba a una distància d’entre 50 i 87 quilòmetres. Podeu argumentar que semblen valors baixos, perquè algunes vegades segurament heu pogut veure algunes illes que es troben més lluny de 87 quilòmetres. Però és que les parts altes d’aquestes illes que són més enllà de l’horitzó, si no són massa lluny, sobresurten i en dies clars es poden veure.

Analitzem ara el valor de l’angle entre la direcció de la recta rh (que és la de l’horitzó que veiem) i la horitzontal. En el punt P on som, l’horitzontal és la perpendicular a la recta PO. L’angle A entre les rectes PO i PH és fàcil de veure que és idèntic a l’angle entre OH i OP, la tangent del qual és D/R. En els tres casos anteriors, amb alçades de 200 metres, 400 metres i 600 metres, aquest angle A és de 0,45 graus, 0,63 graus i 0,78 graus respectivament, tots ells força petits. En radians, aquests valors són de 0,0079, 0,011 i 0,0137. L’interès de representar-los en radians és que, multiplicant directament el seu valor per la distància de l’objecte que estiguem observant a la que ens trobem, sabem l’error en alçada (estic aproximant l’arc per la seva projecció vertical, la qual cosa és perfectament acceptable amb aquests valors tan petits dels angles). En altres paraules: si soc a 400 metres d’alçada, quan observo un determinat objecte (una casa, un camí) que és a la mateixa alçada de l’horitzó, si l’objecte és a 150 metres estic cometent un error de 150*0,011= 1,65 metres. Però si soc a 200 metres d’alçada, l’error és de 150*0,0079= 1,185 metres.

L’horitzó visible és per sota de l’horitzontal. Si soc a 200 metres d’alçada, l’error que cometo si mesuro horitzontals amb l’horitzó és de 0,0079*Dist, on Dist és la distancia a l’objecte que estic mirant. Si soc a 400 metres d’alçada, l’error que cometo és de 0,011*Dist, i si soc a 600 metres d’alçada, és de 0,0137*Dist.

Comentari final: He de dir i reconèixer que tot això que explico, per algunes i alguns de vosaltres no serà res de nou. De fet, vaig tenir alguns dubtes abans de posar-me a escriure aquest article. Però finalment, algunes persones properes van insistir…

 

 

Els dibuixos de la ciència

dijous, 25/05/2017

Diuen que la ciència és complicada. Fins i tot hi ha qui pensa que la majoria de gent odia les matemàtiques. No ho crec. Soc dels que penso, com en George Steiner, que les matemàtiques, junt amb la música i la poesia, són els tres llenguatges de l’home, i que per això pot ser recomanable aprendre’ls i gaudir-ne. Steiner diu que hauríem de celebrar la prodigiosa fortuna per la qual, un “pobre animal forcat” (que és com Shakespeare ens defineix) ha engendrat aquests tres llenguatges majestuosos, i que hauríem de contemplar orgullosos i meravellats les creacions en que conflueixen aquests tres codis.

El mite de la dificultat de la ciència i de les matemàtiques cau i es desfà en engrunes quan ens adonem que molts conceptes científics es poden explicar amb un dibuix. Res de números, res de formules. Només llapis i paper. Aquí al costat en teniu una petita mostra amb quatre dibuixos. Són d’Aristarc de Samos, de Marie-Anne Paulze, de Santiago Ramón y Cajal i d’Isaac Newton.

El dibuix de dalt, d’Aristarc de Samos (de fet es tracta d’una reproducció que podeu trobar al llibre de Eric M. Rogers) és el resultat del que va pensar només mirant el cel de nit i sense sortir del seu poble. Les seves deduccions ens han arribat gràcies a la traducció de Commandino del llibre de Pappus d’Alexandria, que ha estat recentment publicat en edició facsímil. Aristarc, després de mirar molts dies les fases de la Lluna, va concloure que la Lluna era un astre esfèric, que les fases eren el resultat de la llum que rebia del Sol, i que la Terra i el Sol també havien de ser astres esfèrics. I a més, molts segles abans que Jules Verne, va fer un viatge imaginari a la Lluna i va entendre perfectament la posició relativa dels tres astres en el moment del quart creixent (o minvant): el que va dibuixar diu que si algú fos a la Lluna en el moment just del quart creixent, veuria que angle entre la Terra i el Sol és un angle recte. Es va adonar que quan la Lluna és en quart creixent, l’angle és el mateix que ja utilitzaven per construir els temples, les cases i els carrers de les ciutats. Aristarc va entendre els astres mirant, pensant, i dibuixant. Després, va mesurar l’angle que ell veia des de la Terra entre la Lluna i el Sol, i va poder deduir, per primera vegada a la historia de la humanitat, la distància relativa a que tenim el Sol i la Lluna (amb un petit error de 2,5 graus en la mesura de l’angle, error que no desmereix gens tot el que va pensar). Tot plegat, només amb un triangle.

Marie-Anne Paulze va fer els dibuixos dels llibres del seu company i marit, l’Antoine Lavoisier. Els dibuixos del rigor dels experiments, pesant-ho tot com mostra la imatge, que podeu també trobar a l’edició facsímil del seu llibre. Són els experiments que van enterrar l’alquímia i que van obrir la porta a la química moderna, els dibuixos de la crònica de com s’ha de fer els experiments per a que siguin fiables i puguin ser reproduïts. Gràcies a Lavoisier i als dibuixos de Marie-Anne Paulze, ara entenem els processos de combustió i oxidació, sabem com es combinen els elements químics, i podem fabricar medicaments i tota mena d’objectes.

El dibuix de baix al mig, és de Santiago Ramón y Cajal i el podeu trobar en un llibre recent que han publicat als Estats Units amb alguns dels seus dibuixos. El que veieu aquí és el dibuix de les capes de neurones que tenim a la retina, que pre-processen les imatges que veiem per tan d’enviar-les al cervell ja “digerides”. Ramón y Cajal deia que dibuixar neurones és com dibuixar un bosc, i que si no fem més que dibuixar arbre rere arbre, el resultat no serà un bosc. Deia que el dibuix d’un bosc requeria entendre l’essència del bosc, més que els arbres individuals. Per això, Santiago Ramón y Cajal observava als matins amb el seu microscopi, dinava, i a la tarda dibuixava el que recordava que havia vist al matí. Interessant, oi?

Finalment, a baix a la dreta teniu una meravella incunable. És un dels dibuixos que Isaac Newton fa anotar a la primera edició del seu llibre “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica”, per indicar el que caldria afegir a la segona edició. Podeu veure i llegir les 1031 pàgines del llibre a l’edició digital facsímil de la Universitat de Cambridge, que és una absoluta joia. El dibuix, que ens explica el moviment parabòlic que observem quan tirem una pedra, una poma o una pilota, és el que també ens deixa entendre el moviment de la Lluna, el de la Terra i la dinàmica de tot l’Univers. El geni de Newton va quedar manifest amb la seva frase “he vist que les forces es corresponen de manera bastant aproximada” que va formular el dia que va entendre que la força que feia caure les pomes amb trajectòria parabòlica era la mateixa que mantenia la Lluna en òrbita en un constant moviment de caiguda cap a la Terra. Va entendre tota la dinàmica dels astres mirant el moviment parabòlic dels objectes que tirem, i ho va fer, també, sense sortir del seu poble.

Per cert, en Kilian Jornet diu que el que importa quan vas a la natura és sentir-te despullat davant d’ella, perquè sense grans mitjans es poden fer grans coses. Diu que no som els amos d’aquest planeta, sinó únicament una part, i que no som més importants que un arbre o que una pedra.

Aquestes misterioses direccions

divendres, 19/05/2017

Hi ha arbres que són molt més disciplinats que altres. Quasi totes les branques del pollancre de la imatge miren cap amunt, mentre que les de la figuera pugen i baixen (he pintat la direcció de dues branques d’un i altre, les primeres en groc i les altres en vermell). És clar que hi ha arbres més interessats en pujar cap amunt que altres.

Mentre feia la foto de la figuera, vaig pensar en la resposta d’un estudiant de fa uns anys a una pregunta d’examen. En una determinada imatge com la de la figuera, però d’un model geomètric sintètic, preguntàvem la direcció en què s’havia fet la foto virtual. La resposta del noi va ser curta, simple i errònia: va dir que s’havia fet en una direcció perpendicular al punt de vista.

Tant en el món real com en el de la geometria, cada cosa es pot mesurar d’una certa manera però no d’altres. Els minuts ens permeten mesurar el grau de cocció d’un plat que estem cuinant, els euros ens ajuden a discernir quina companyia aèria és la que ens ofereix millors condicions per viatjar, i els mil·ligrams ens informen de si la dosi que hem de prendre d’un medicament és la correcta. Però no podem mesurar els vols d’avió en grams ni les píndoles en metres. I amb les branques dels arbres passa el mateix. Una branca, si és força recta, queda ben definida per la seva posició (que pot ser, per exemple, el punt d’on es bifurca i neix) i la seva direcció, de la mateixa manera que per explicar com hem fet una foto hem de dir on ens hem posat per fer-la i en quina direcció l’hem fet. Per saber i poder explicar on són les coses hem de parlar de punts (posicions) i direccions (vegeu la nota al final). El punt des d’on vaig fer la foto de la figuera era prop de les seves branques i la direcció, si mireu la imatge, veureu que era una mica cap avall.

Els punts permeten calcular distàncies i les direccions, angles. Podem parlar de la distància entre l’extrem d’una branca d’un arbre i una determinada fulla d’un altre, i podem saber l’angle que formen dues branques determinades entre elles. Donades tres direccions de referència (per exemple, la direcció horitzontal cap al nord, la que apunta  a l’est i la vertical), qualsevol altra direcció queda determinada pels angles que forma amb aquestes tres (el conjunt de tres direccions de referència i un punt s’anomena sistema de coordenades cartesianes). Podem trobar parelles de direccions que formin angle recte i siguin perpendiculars. Però mai una direcció podrà ser perpendicular a un punt.

Gràcies al geni de Carl Friedrich Gauss, tenim una representació molt bonica de les direccions: el mapa de Gauss (o esfera de Gauss). Imagineu una esfera de radi 1, com la que teniu a la imatge. Per representar la direcció de les dues branques del pollancre (fletxes grogues), les porteu a l’origen de l’esfera, i representeu les seves direccions pels punts (grocs a la imatge) en els que aquestes direccions intersequen la superfície de l’esfera (observeu que els vectors de les direccions són en 3D, i que per tant, els punts d’intersecció poden caure més endavant o més enrere. Si ara feu el mateix amb les direccions (vermelles) de les branques de la figuera, obtindreu els dos punts vermells del mapa de Gauss. Imagineu que repetiu el mateix per totes les branques del pollancre. Cada branca té una direcció, i cada direcció és un punt a l’esfera de Gauss. Al final tindreu un globus (una mena de bola del món) amb tot de punts que ens mostren el mapa de les direccions de totes les branques. Amb el mapa de Gauss, la complexitat de les direccions a l’espai es redueix a un conjunt de punts en una bola. Els punts del mapa de Gauss del pollancre seran propers a la seva part superior, perquè totes les branques pugen amunt; en canvi, la figuera ens donarà un mapa amb punts als dos hemisferis i fins i tot amb petits segments que representen la variació continua de direcció al llarg de les branques corbades.

Els models matemàtics d’arbres es basen en determinades constatacions experimentals, com per exemple que la forma de la seva copa tendeix a ser esfèrica quan les fulles es distribueixen uniformement al llarg de les branques, mentre que quan les seves fulles són bàsicament al final de les branques, la forma de l’arbre acaba sent cònica. D’altra banda, s’ha vist que la suma dels gruixos de les branques que surten de qualsevol bifurcació és habitualment més gran que el de la branca inicial abans de dividir-se. Tot això, junt amb altres mesures específiques per a cada espècie en concret, permet l’elaboració de models estadístics que preveuen el gruix i direcció de les branques, la distribució de les fulles i la forma final de tot l’arbre. En tot cas, els mapes de Gauss sobre l’esfera unitària podrien ser una molt bona eina per caracteritzar la distribució de les direccions de les branques a cada tipus i espècie d’arbre, tot i que he de reconèixer que no he estat capaç de trobar ningú que ho hagi estudiat i que representi arbres en esferes de Gauss. Seria bonic, oi?  Un arbre quedaria representat com una munió de punts (el que s’anomena un “núvol de punts”) a l’esfera. Els pollancres tindrien els punts dalt de tot i els salzes més aviat a baix.

Cal reconèixer que és més fàcil pensar en punts i distàncies que en direccions i angles. Tots ens atrevim a fer càlculs aproximats de distàncies amb la vista. Però si ens pregunten quin és l’angle d’elevació de la lluna en un cert moment a la nit, és quasi segur que ens equivocarem (vegeu la nota al final). Les direccions són enganyoses. La lluna sembla gran quan surt de l’horitzó i després veiem que es fa petita a mesura que va pujant, però tot és fals, perquè l’ample de la lluna (que no és més que l’angle entre les direccions en que veiem els seus dos extrems a dreta i esquerra) no canvia. El que passa és que som maldestres a l’hora de mesurar angles entre direccions.

Sabríeu imaginar quin aspecte té el mapa de Gauss dels arbres del vostre carrer o jardí? Hi ha algun dia de l’any en que totes les direccions que apunten cap al Sol al llarg del dia es trobin en un únic pla? Com calcularieu, sense mirar cap mapa i sense bruíxola, l’angle entre les façanes de dues cases de carrers diferents del vostre poble? Quin és el mapa de Gauss de les direccions de vol de les orenetes?

Per cert, la Marxa per la Ciència va aplegar un total de més de un milió de manifestants a  tot el món, fet que no té precedents. Aquesta Marxa per la Ciència ha passat a ser el major esdeveniment de la història de la ciència mundial.

———

NOTA: Els elements més simples de la geometria són els punts, les rectes i els plans. Un punt té posició (que podem indicar amb les seves tres coordenades x, y, z) però no es pot mesurar, com bé deia Euclides. Una recta, per exemple la que passa per dos punts A i B, ja té posició i orientació; de fet, en té dues, de direccions, perquè la podem definir com la recta que passa pel punt A (posició) i que té la direcció que va de A a B, o com la que passa pel punt B i té la direcció que va de B a A. Si parlem només d’una de les dues possibilitats, tenim el cas d’una recta orientada. Les direccions es representen habitualment per vectors unitaris, perquè el seu mòdul no serveix de res si només volem saber la direcció. En altres paraules, la direcció de la recta anterior vindria definida per un vector que podríem calcular com (B-A) dividit per la distància entre A i B. Finalment, un pla es pot definir amb un punt P (qualsevol punt del pla) i la seva direcció normal n. Amb aquestes dues dades, és clar que el pla és el conjunt de punt Q tals que la direcció que va de P a Q és perpendicular a n.

L’angle d’elevació de la lluna és l’angle entre la direcció en què veiem la lluna a la nit i el pla del terra. Parlant en termes d’angle entre dues direccions, també podem dir que és el mínim de tots els angles entre la direcció en què veiem la lluna i totes les possibles direccions 2D del terra. Per cert: donat qualsevol pla, és fàcil veure que la representació, en el mapa de Gauss, de totes les direccions que conté, és un cercle màxim de l’esfera.

Els vectors (que, donat un sistema de coordenades cartesianes 3D, podem representar pels seus tres components vx, vy, vz) tenen propietats interessants. Per exemple, donats dos vectors v1 i v2, els vectors que podem calcular com a*v1 + b*v2 per qualsevol valor de a i b, ens donen totes les possibles direccions 2D del pla que conté un punt qualsevol i que també conté les dues direccions donades v1 i v2. El producte escalar entre v1 i v2 ens permet calcular l’angle que els separa (tant en 2D com en 3D) amb una d’aquestes formules simètriques que ens fan gaudir de la bellesa de la simplicitat geomètrica. Si el producte escalar és zero, sabem que les dues direccions són perpendiculars, i el producte vectorial de v1 i v2 dona com a resultat un vector v3 que és a la vegada perpendicular a v1 i a v2.

 

Les nostres metadades

divendres, 12/05/2017

En Ferran Requejo diu que som cecs i sords però ebris de paraules; que som intrínsecament xerraires i que constantment inventem ficcions que ens acabem creient i que fins i tot defensem. El cert és que cada dia generem moltíssima informació que acaba circulant per la xarxa. Trucades telefòniques, missatges de text, missatges d’àudio, fotos i vídeos. No parem d’explicar-nos coses i de compartir informació. Segurament, podríem passar amb molt menys. És informació, són dades que moltes vegades considerem privades i que no voldríem que ningú en pogués fer ús sense el nostre permís.

Però a més de dades, generem una gran quantitat de metadades. El que ens diem per telèfon o quan ens enviem missatges són dades; en canvi, la informació que hem trucat a tal persona el dia X i que hi hem estat parlant durant 9 minuts és una metadada, de la mateixa manera que ho és el fet d’haver-li enviat un whattsapp. Les dades són el què, les metadades són el quan, el com i el on ho hem fet. Les cerques per internet, les compres amb targeta, els llocs per on anem amb el mòbil, el lloc on el deixem tota la nit, són metadades. L’ús d’aquestes metadades és encara molt poc regulat, i, com sempre, hi ha empreses que les utilitzen per a fer negoci.

En Paul Wood comenta, en aquest article, un exemple ben recent del que es pot arribar a fer amb tota aquesta informació. Es tracta de la passada campanya electoral als Estats Units. Parla de la doble personalitat de Donald Trump i del que anava fent a l’ombra dels seus comentaris destralers i dels seus tuits. Concretament, al juny del 2016, en Trump va negociar amb l’empresa anglesa Cambridge Analytica un contracte milionari per esbrinar, en base a l’anàlisi de metadades, què era el més probable que acabés votant cada ciutadà dels EEUU a les eleccions presidencials. L’estratègia es va basar en connectar dos estudis independents, el primer dels quals va analitzar la personalitat de més d’un milió de ciutadans. Això es va fer en base a les seves respostes a petites enquestes telefòniques, per internet, o al que contestaven qüestionaris d’enquestadors que els aturaven durant les seves compres en grans superfícies comercials dels Estats Units. Amb algorismes d’aprenentatge similars a altres que actualment s’estan estudiant, van poder fer una valoració de la personalitat de tots i cada un d’ells en cinc eixos diferents: el de la curiositat (gent inventiva i curiosa versus gent cautelosa), escrupolositat (gent eficient i organitzada versus gent descurada i desordenada), extraversió (gent extravertida i energètica versus gent reservada i solitària), agradabilitat (gent amigable i compassiva versus gent poc social) i neuroticisme (gent neuròtica versus gent fiable). Al final, Cambridge Analytica va acabar tenint una estimació dels trets de personalitat de més d’un milió de persones, quantificats en base al valor d’aquests 5 eixos ja mencionats.

Però això no és tot. Cambridge Analytica també va acabar disposant d’informació sobre tots i cada un dels 230 milions de potencials electors als Estats Units. De cada un d’ells, va poder aconseguir un total d’entre 4.000 i 5.000 dades: edat, gènere, on viu, on treballa, on va els caps de setmana, si surt o no a les nits, què menja, quins diaris i revistes compra, quins programes de tele mira, quin cotxe condueix, i moltes més coses. Dades i metadades que, un cop recollides dia a dia, ens defineixen i classifiquen fins convertir-nos en un punt dins un immens espai de maneres de ser i fer. Hi ha empreses que ens tenen fitxats. En Paul Wood reconeix que tot plegat és impressionant i fa por: Cambridge Analytica les té a la venda, en una operació comercial que, en paraules seves, converteix dades en or.

A partir d’aquests dos estudis, el repte era aconseguir fer una estimació de la tendència política de cada ciutadà. Cambridge Analytica es va basar en dues hipòtesis que van resultar certes: que hi havia correlació entre el que comprem i fem cada dia i els trets de la nostra personalitat, i que també hi havia correlació entre aquests trets de personalitat i la nostra tendència electoral. En altres paraules, els que fan coses similars i tenen hàbits semblants (i es troben representats per punts propers), tenen personalitats similars; a més, els trets de la personalitat ajuden a predir el comportament i a saber si ens agrada més el vi o la cervesa i si pensem votar el candidat A o el B. Amb l’ajut d’aquestes dues correlacions, els de Cambridge Analytica van poder fer una estimació del valor dels 5 eixos de personalitat per tots els 230 milions de potencials votants, i, en un segon pas, deduir quin candidat era el preferit de cada un d’ells.

La conseqüència de tot l’anterior és que es va poder actuar amb propaganda electoral “micro-dirigida” a cada petit grup i a cada persona concreta. El missatge, enviat a través de correus electrònics o amb voluntaris que feien el porta-porta, era sobretot dirigit a les persones indecises, i a cada una d’elles se li explicava justament el que ella desitjava escoltar. No hi havia un únic programa polític, només publicitat per convèncer la gent. Tot era “a gust del consumidor”. Qui estava preocupat pels llocs de treball rebia missatges que deien que tota la situació laboral milloraria, qui era partidari de les armes de foc es trobava amb cartes que parlaven de la necessitat de preservar-les, qui tenia por del terrorisme rebia informacions sobre la importància de fer fora els musulmans i estrangers.

Només va caldre treballar amb les dues correlacions ja mencionades. La de les dades de cada persona amb el seu perfil de personalitat, i la d’aquest perfil amb el comportament electoral. Evidentment el resultat no és exacte, i el sistema es pot equivocar, enviant cartes inadequades a molta gent. Però estadísticament funciona, perquè la doble correlació fa que la probabilitat d’encertar sigui molt més elevada que la d’enviar cartes que no serveixen. La conclusió, molt preocupant, és que una empresa ha sabut com fer-s’ho per enviar missatges individualitzats de publicitat electoral, i que hem acabat veient que ha aconseguit el que volia.

En Paul Wood cita en Jill Lepore, especialista en historia dels processos electorals a la Universitat de Harvard, que reconeix que els sistemes tradicionals de votació poden ser poc fiables, però que la ciència de les dades pot ser encara molt més perjudicial. No només els missatges actuals dels polítics acaben sent dictats pels seus consultors amb l’únic objectiu de guanyar vots, sino que ara, a més, a cada votant se li diu el que vol escoltar. És el que diu la imatge de dalt, que he tret d’aquesta pàgina web. Moltes vegades no és que ens venguin alguna cosa: el que passa és que ens estan venent a nosaltres mateixos. Nosaltres som el producte…

Per cert, l’Adrià Rocha Cutiller diu que Facebook, Google i Amazon ho saben tot de nosaltres i que fan “el negoci de la nostra vida”. Saben amb qui parlem, on som, cap on anem, qui som i qui ens agradaria ser. I que ho saben perquè els ho diem. Diu que Facebook acumula, juntament amb Google, el 50% de tota la inversió publicitària mundial.

Els ordinadors visuals

dijous, 27/04/2017

Fa poc, en una conversa amb en Gérard Berry, va sorgir el tema dels telèfons mòbils. En Gérard opina que les coses s’estan capgirant. Vam passar del telèfon fix d’ara fa vint anys a uns mòbils que bàsicament servien per trucar i enviar missatges de text, amb poques capacitats de càlcul i emmagatzemament. Després, hem passat lentament a tenir petites màquines amb altes capacitats de computació i tractament de dades, que continuem anomenant telèfons però que de fet són potents ordinadors que poden telefonar, ajudar-nos a cercar informació o mostrar-nos mapes. Els mòbils s’han convertit en ordinadors que capten fotos i vídeos i que fan moltes més coses. I de fet, ben aviat estarem envoltats d’ordinadors que “ens ajuden” a fer-ho tot, controlant les nostres cases, cotxes i electrodomèstics.

La fotografia ha sofert dues revolucions en menys de vint anys. La primera, que va començar els darrers anys del segle XX, va significar el pas, dràstic, de la fotografia analògica a la digital. Algunes empreses com Kodak es van enfonsar, i la gent va deixar de revelar rodets de fotos. Ja no calia mirar-s’hi molt, a l’hora de fer fotos, perquè en podíem fer moltes i escollir després la que més ens agradava sense cap cost addicional. En eliminar el cost de cada foto individual, va començar a canviar l’essència mateixa de la fotografia. Lentament, vam anar entrant a l’època de la massificació de la imatge, perquè tot era fàcil i a l’abast de tothom.

Després va venir la segona revolució, més invisible, que ens han portat els telèfons mòbils. Us heu preguntat alguna vegada com és que, amb un objectiu tan petit i amb una distància focal tan minsa, els telèfons actuals poden fer fotos tan bones? És clar que els objectius de les càmeres convencionals i els de les més bones (com les rèflex) recullen molta més llum i poden obtenir fotos de molt bona qualitat, però el que a mi sempre m’ha sorprès és que els telèfons puguin fer les fotos que fan amb uns objectius tan petits, de pocs mil·límetres. La resposta, que ens explica en Frédéric Guichard en aquest vídeo, es troba en els algorismes de tractament d’imatge dels nostres mòbils, que són veritables ordinadors visuals. Abans, les lents dels sistemes òptics de les càmeres es fabricaven amb un procés delicat i d’alta precisió. Ara no cal, perquè durant el control de qualitat final, cada càmera individual s’ajusta per tal d’aconseguir el màxim de prestacions. Com que ja no es pot tocar la lent òptica, el que es fa és ajustar els algorismes que tracten la imatge capturada de manera que compensin els errors i distorsions de la lent. Cada telèfon adapta, de manera quasi òptima, el tractament de les imatges als defectes del seu sistema òptic, de manera que acaba tenint un conjunt lent-algorismes únic i que no té cap altre telèfon. Aquesta segona revolució de la fotografia ha canviat totalment els sistemes de fabricació de les lents dels objectius de les càmeres fotogràfiques, com bé explica en Frédéric Guichard: enlloc de fabricar lents d’alta precisió i conjunts òptics que compensin les aberracions, fem lents de baix cost més imperfectes i després corregim intel·ligentment els errors que apareixen a la imatge capturada.

Hi ha tota una nova àrea de recerca, anomenada fotografia computacional, que estudia els algorismes que, a qualsevol telèfon mòbil, “cuinen” la imatge crua que capta el sensor de la càmera fins deixar-la preparada per a que la puguem veure. La imatge de dalt, que he compost a partir del vídeo d’aquesta conferència d’en Gérard Berry, mostra dues d’aquestes transformacions. Dalt a la esquerra veiem la imatge “crua” tal com surt del xip de sensors de la càmera, i a la dreta tenim com queda un cop s’han ajustat automàticament els colors. La fila de baix mostra com es corregeix l’anomenada aberració esfèrica: les imatges d’esquerra i dreta mostren la imatge, primer crua i després d’haver estat tractada pels algorismes (personalitzats per a cada telèfon) de correcció de distorsions.  Com bé diu en Frédo Durand, els mòbils han passat a ser les càmeres de fotos per antonomàsia, i en ells, el component central de la creació de les imatges és la computació (i els algorismes). El que fa qualsevol mòbil en el breu període de temps que hi ha des que premem el botó de l’obturador fins que ens mostra la foto en el visor és increïble, com explica en Gérard Berry a la seva conferència. Cuina i millora els colors, corregeix distorsions, compensa zones molt fosques o molt clares, elimina sorolls i altres tipus d’errors, detecta cares i analitza si algú ha tancat els ulls… És la nova informàtica, dels colors, de la forma i de la imatge.

Un darrer detall. En Frédéric Guichard explica que moltes vegades, la foto que obtenim no és de l’instant que premem el disparador, sino que és d’uns moments abans. Això és possible perquè les actuals càmeres dels mòbils no capturen una única imatge, sino que, mentre estem ajustant l’enquadrament, es guarden temporalment tota la ràfega de fotos dels fotogrames que veiem en el visor de la càmera quan som a punt de fer la foto. Part del processat de la imatge que fa l’ordinador-càmera consisteix en analitzar les fotos anteriors a la darrera, identificar cares de la gent, i substituir aquelles cares de persones que han quedat amb els ulls tancats, pels trossos corresponents d’imatge a altres fotogrames on han quedat millor. La foto final no és més que un collage de trossos de fotogrames amb distorsió i colors adequadament corregits.

Els ordinadors, les aplicacions i tots els ginys intel·ligents que van entrant a les nostres vides ben segur que ens ajudaran a viure millor, però impliquen una responsabilitat per part nostra: la de saber marcar els límits. No parem de fer i enviar-nos fotos i vídeos. Però, on les tenim? Qui controla aquesta informació tan etèria que va i ve per la xarxa? Podem estar segurs que ningú farà servir fotos nostres sense el nostre permís? Podem trobar una foto determinada que vam fer fa set anys? Fem còpies de seguretat (en dispositius privats nostres) o còpies en paper de tot el que deixem al “núvol”? Tenim una immensa capacitat de compartir informació visual, però sembla que només ens importi el present. I el més probable és que, d’aquí a 20 anys, quasi totes les fotos i vídeos actuals hagin desaparegut. No sé què feu vosaltres, però a mi m’agrada regirar capses i trobar fotos i cartes dels meus avis. Podran fer el mateix, els nostres néts i besnéts? La informació que ens enviem i compartim és volàtil com els núvols. Si limitem el temps que dediquem a la immediatesa de la comunicació i no estem sempre connectats, si trobem temps per gaudir de les fotos que hem fet i de les que ens han enviat, si podem veure-les amb la mirada de l’assossec, segurament descobrirem que algunes d’elles han de ser mimades, recordades i conservades, perquè són part del que ens queda d’aquells que estimem o hem estimat. Aturem-nos, limitem el nostre constant neguit, escollim, evoquem, gaudim, i conservem.

Per cert, la Marxa per la Ciència és una iniciativa que va començar als Estats Units però que ara ja aplega més de 500 ciutats de tot el planeta i compta, a més, amb el suport de més de 220 organitzacions científiques oficials. El comunicat diu textualment que són molts el que veuen que cal fer un pas més i exigir que les polítiques públiques no estiguin en mans d’indocumentats que menyspreen el coneixement i es guien per prejudicis, interessos espuris o dogmes religiosos.

Evolució i robustesa

divendres, 21/04/2017

Robustesa, en informàtica, és sinònim de tolerància als problemes i als errors. Un sistema  o algorisme robust ha de poder seguir treballant en condicions satisfactòries en presència d’errades. No importa que aquestes siguin degudes a un mal-funcionament del hardware o a que la persona que està entrant les dades s’hagi equivocat. El sistema, si no pot seguir endavant, ha d’avisar i demanar, per exemple, que hem de tornar a entrar part de les dades; però no es pot col·lapsar. Algun dia, quan els nostres ordinadors arribin de veritat a l’edat adulta de la robustesa, ja no farem els ben coneguts acudits informàtics que parlen d’apagar i tornar a engegar.

Però no cal fixar-nos en els algorismes, perquè la gran mestra en robustesa és la natura. Ho han vist, per exemple, un grup d’investigadors d’Alemanya, Mèxic, Anglaterra i la Xina, que han investigat els peixos de tipus poecílid a les aigües sulfuroses del riu El Azufre, a Tapijulapa (Mèxic). Aquest riu, que podeu veure a la imatge de dalt (imatge que he obtingut d’aquesta pàgina web) és d’aigua tòxica, amb una concentració de sulfur d’hidrogen (també anomenat àcid sulfhídric) que fa impossible la vida de quasi tots els vertebrats. Aquest grup de científics ha publicat un treball que podeu trobar aquí, on analitzen l’evolució d’aquesta família de peixos. Rüdiger Riesch i Martin Plath, que també en parlen a un article a la revista Scientific American, expliquen que van trobar diversos tipus de peixos de la mateixa família, tots ells descendents d’antics poecílids que vivien en aigües clares i netes. Aquests diferents grups de peixos han anat evolucionant de manera independent a partir d’un avantpassat comú que va existir fa uns 600 mil anys, perquè s’han hagut d’anat adaptant a viure en entorns tòxics incomunicats i separats bastants quilòmetres l’un de l’altre. En total, han estat analitzant vuit grups diferents de peixos poecílids, tots ells lleugerament diferents i que viuen en diferents paratges. D’aquests vuit grups, quatre viuen en aigües clares i quatre es troben en entorns molt tòxics amb àcid sulfhídric. Aquests darrers, encara que han hagut d’evolucionar de manera independent, tenen unes característiques anatòmiques i metabòliques molt similars, amb boques i caps més grans, que els ajuden a viure en condicions inhòspites. Ara bé, el sorprenent és que, tot i que són prou semblants (ho podeu veure en aquesta foto, que també és del Scientífic American), tenen genomes molt i molt diferents: els canvis genòmics en un determinat grup, molt importants i distribuïts per tot l’ADN, tendeixen a ser únics per aquest grup i a no ser compartits pels altres grups. En canvi, el resultat, en termes de camins metabòlics (el conjunt de reaccions químiques que fan possible la vida), és el mateix en tots ells. En altres paraules: els camins evolutius, independents, han estat diferents, però el resultat és molt semblant perquè és el que acaba possibilitant l’adaptació a entorns agressius. Calia adaptar-se, i ho van fer, d’una o altra manera. És la robustesa de l’evolució: encara que hi ha molts camins, veiem resultats similars perquè els que no es van adaptar, ja no hi són. Els autors diuen a més que els seus resultats corroboren les hipòtesis de Jay Gould en el sentit que l’evolució és sovint el resultat irrepetible d’esdeveniments estocàstics que tenen efectes altament contingents, però que acaben adaptant-se a l’entorn gràcies a la selecció natural.

I no només els peixos. Els diferents grups d’humans, com explica en D.T. Max en un recent article a la revista National Geographic, hem anat evolucionant de manera independent per adaptar-nos al medi, amb solucions ben satisfactòries en tots els casos. Els inuit tenen gens que els permeten metabolitzar el greix de les balenes, i els japonesos, uns altres per digerir les algues marines. Les civilitzacions ramaderes són més tolerants a la lactosa, mentre que la pell dels africans els protegeix de les radiacions ultraviolades. Solucions ben diferents, totes robustes, que ens adapten a tots els indrets de la Terra. Som molt iguals i ben diferents…

De fet, la ciència mateixa, amb el rigor en els experiments i amb els seus mecanismes de revisió anònima dels resultats abans de publicar-se, treballa de manera semblant i intenta maximitzar la seva robustesa. Molts dirigents, però, la ignoren. Prefereixen crear mons paral·lels i realitats alternatives, objectivament falses però que són útils per als seus interessos. Per això, molts científics han dit que ja n’hi ha prou i organitzen, demà, la marxa per la ciència. Els convocants diuen que la ciència, els científics i la política basada en l’evidència científica estan sent atacades, i que les retallades, la censura, la desaparició de les dades i les amenaces de desmantellar les agències governamentals ens amenacen a tots i posen en risc la salut, el menjar, l’aire, l’aigua, el clima i fins i tot el treball. No som en un moment fàcil, però som coherents amb l’actitud de tolerància als problemes, i pensem que ens en sortirem.

———

Per cert, en John Carlin diu que en castellà no existeix cap traducció de la paraula anglesa “compromise”, concepte que vol dir que tots dos costats cedeixen en una negociació per tal que tots surtin guanyant. Parla també de Jonathan Powell, que comenta que a més, hi ha una paraula nostra que tampoc té traducció a l’anglès: “crispació”. Perquè l’esport espanyol preferit, diu Carlin, és la indignació, que concedeix una rica sensació de superioritat moral sobre l’altre.

Els algorismes que aprenen

dijous, 9/02/2017

Hi ha paraules boniques que també ens fan una mica de por. Poca gent sap que la seva vida és plena d’algorismes. Alguns, quan se’n adonen, no saben si ho han d’acceptar o s’han de posar nerviosos. I el cert és que, tot i que no els reconeguem i que pensem que no ens afecten, els portem sempre al nostre costat.

Un algorisme no és més que un conjunt ordenat, finit i no ambigu de regles i operacions que permeten resoldre un problema o realitzar una determinada activitat. Els algorismes són descripcions precises de processos que fem o que fan els altres. Les instruccions per muntar un moble a partir d’un kit de peces o el full on expliquem com posar en marxa la calefacció quan marxem de casa i han de venir uns amics, són algorismes. Les receptes de cuina i les partitures musicals són algorismes per preparar menjars i interpretar melodies. I ho són les instruccions de qualsevol joc, els manuals d’usuari i els protocols que segueixen els metges als hospitals. Algunes vegades, els algorismes els podem escriure per a nosaltres mateixos, quan acabem de descobrir alguna cosa complexa que ens ha estat útil (per exemple en el nostre mòbil), i volem no oblidar-la. En altres ocasions, les escrivim per a que algú altre pugui fer més endavant quelcom que nosaltres ja sabem fer. És per això que el conjunt de regles d’un algorisme ha de ser no ambigu: si no l’escrivim bé, la persona que vingui a casa no entendrà com engegar el rentaplats o com posar en marxa la calefacció.

Espero no guanyar-me el mot de “friqui” si confesso que m’agrada la paraula “algorisme”. Tal vegada perquè ha estat al meu costat durant quasi cinquanta anys, i perquè ve de molt lluny. Concretament d’ara fa 1.150 anys, quan al-Khwarazmí treballava a l’observatori de Bagdad. Durant els segles de l’edat mitjana, al-Khwarazmí va ser la principal font de transmissió de coneixements matemàtics de l’Orient a l’Occident, en part en base a les traduccions de textos en grec, llatí i sànscrit que es feien a la Casa de la Saviesa. En el seu tractat d’àlgebra, “Hissab al-jabr wa-l-muqàbala“, explicava regles i receptes (o sigui, algorismes) per repartir herències, cosa que en aquell temps i en el món àrab era molt complicada i requeria fer molts càlculs. En un altre llibre, “Sobre el càlcul amb nombres indis”, llibre del que només se’n conserva una traducció del segle XII, al-Khwarazmí va explicar, sembla que per primera vegada, el sistema de numeració posicional en base 10 (incloent el zero) que va aprendre de l’Índia i que és el que ara utilitzem. Fa més de 11 segles, al-Khwarazmí ens va deixar llibres meravellosos, tots plens d’algorismes. És per això que els algorismes porten el seu nom.

Quan sumem nombres portant-ne, estem aplicant l’algorisme que vam aprendre a l’escola; i, quan multipliquem, també. Euclides ens va deixar un algorisme molt elegant per calcular el màxim comú denominador de dos nombres, i Pitàgores ens va explicar l’algorisme per calcular hipotenuses i distàncies entre punts. Després, amb els ordinadors, hem acabat tenint algorismes per tot. Perquè els ordinadors i els telèfons mòbils només funcionen en base als algorismes que alguns programadors els han preparat. Totes les aplicacions que ens hem baixat als nostres mòbils són algorismes. Tenim algorismes per millorar fotos, per cercar informació a internet, per saber la posició dels astres i per preveure el temps que farà demà. Tenim algorismes que ens troben el nom de les músiques que escoltem, i algorismes que saben traduir textos d’un idioma a un altre.

I ara, el que hem començat a veure fa pocs anys són algorismes que es van refinant amb les dades. Són algorismes que aprenen, algorismes que conformen els mecanismes d’aprenentatge automàtic que es troben en el nucli de l’anomenat “big data“. Hi ha moltíssims exemples, un dels quals, molt il·lustratiu, el teniu en aquest document (que és un pòster científic presentat ara fa uns mesos; com podeu observar, la imatge de dalt és d’aquest mateix document). Es tracta d’un algorisme que, a partir d’una gravació de vídeo de 15 segons en la que s’ens demana que expliquem qui som, fa una valoració de la nostra personalitat en cinc eixos diferents, i ens ho mostra amb 5 bandes verdes (les que veieu a la dreta de la imatge) al cap de menys de tres segons. Aquests cinc eixos són els de la curiositat (gent inventiva i curiosa versus gent cautelosa), escrupolositat (gent eficient i organitzada versus gent descurada i desordenada), extraversió (gent extravertida i energètica versus gent reservada i solitària), agradabilitat (gent amigable i compassiva versus gent poc social) i neuroticisme (gent neuròtica versus gent fiable). Com ho fa? Doncs amb un algorisme que conté dues xarxes neuronals de 17 nivells, una per la senyal de vídeo i l’altra per la d’àudio, amb un darrer nivell de fusió de les dues, com bé podeu veure a la figure 3 del document. Cada un dels 17 nivells d’una i altra xarxa combina adequadament els resultats del nivell anterior i genera una sortida que transmet a algun o alguns dels nivells següents. Cada nivell és com una taula de mescles de so, però digital. Barreja les entrades per tal de produir el senyal de sortida. En resum, fem 17+17+1 mescles, i acabem trobant els trets de personalitat de la persona que ha estat parlant durant 15 segons al vídeo. Però, com fem aquestes mescles? Com ajustem la importància que donarem a cada un dels valors d’entrada a cada una de les mescles? Com ajustem el valor de cada un dels “potenciòmetres” de la nostra xarxa neuronal?. En el cas de l’article que comento, això es va fer amb un sistema d’aprenentatge dirigit. Amb anterioritat als experiments, els autors, amb l’ajut de molts voluntaris, van analitzar deu mil vídeos de 15 segons de YouTube. Cada voluntari, a cada prova, presenciava una parella de vídeos (corresponents a dues persones) i després havia de dir quina de les dues persones creia que era la més curiosa, quina la més extravertida, .. i així fins analitzar el cinquè eix de neuroticisme. Cal observar que no es demanava cap valoració, únicament havien de comparar la parella de persones que estaven veient. Això es va fer així perquè és ben conegut que les comparacions les fem molt millor que les valoracions. Doncs bé, la informació d’aquests experiments amb 10.000 vídeos és la que va permetre ensinistrar els  mescladors dels 17+17+1 nivells de l’algorisme i ajustar els seus valors. Però això no va acabar aquí. L’interessant és que l’algorisme va continuar i continua aprenent, perquè quan el sistema ja estava ajustat i “trained” (mireu la imatge de dalt), l’anàlisi del vídeo de cada nova persona que vol experimentar aquesta aplicació i que dona la corresponent autorització per usar les seves dades, serveix per acabar d’ajustar una mica més els paràmetres de tots els nivells de la xarxa neuronal. El sistema va aprenent cada dia, i cada persona que l’utilitza l’ajuda a fer-ho. Només cal que digui si creu que el resultat que li mostra la màquina reflexa la seva personalitat o no, perquè això és l’únic que necessita la xarxa neuronal per auto-refinar-se.

Per bé o per mal (esperem que per bé), els algorismes que aprenen han arribat, i han vingut per quedar-se amb nosaltres. Ens poden ser molt útils, però no hem de perdre mai de vista la necessitat de la seva regulació ni els aspectes ètics. Els algorismes són aquí, però la responsabilitat sempre serà de les persones que els utilitzen.

Per cert, en Christophe Galfard diu que sense una visió científica, la democràcia es torna més complicada. També diu que la humanitat no és conscient del seu lloc a l’Univers, que només ara ho estem començant a entreveure.

El Sol, aquest desconegut

dijous, 26/01/2017

Una pregunta que tal vegada podeu plantejar quan sigueu en una trobada d’amics que acceptin parlar de temes científics, és quina és la forma que descriu l’ombra de la punta d’un pal, un dia assolellat.

La resposta hauria de ser senzilla, però observareu que habitualment molta gent no l’encerta. Cada moment, la recta S que uneix la punta del pal amb la seva ombra al terra ens indica la direcció cap al Sol. Doncs bé, al llarg del dia, aquesta recta S descriu un con (una paperina, una superfície cònica) amb vèrtex a la punta P del pal (vegeu la nota al final). El fet que no en siguem conscients és degut, probablement, a que l’eix d’aquest con, que passa pel punt P, és paral·lel a l’eix de la Terra. I l’eix de la Terra té una orientació “estranya”, inclinada cap al nord i en direcció a la Polar. L’error dels nostres avantpassats i la dificultat que tenim per entendre el moviment aparent del Sol és fruit de la nostra manera provinciana de mirar i entendre el món. Creiem que caminem ben drets i eixerits, escalfats per un Sol que a l’estiu és més amunt i després més avall. Però habitem la Terra, i el nostre planeta té una única direcció singular: la del seu eix E. Som éssers que vivim torçats, inclinats en relació a l’eix E i en relació als altres. Quan els d’Igualada caminen, la seva vertical forma un angle de 48,42 graus amb l’eix de la Terra. Aquest angle és 49,28 de graus pels d’Amposta i de 62 graus pels que viuen a Tenerife. Quina és la direcció de referència, la meva o la de l’eix de la Terra?

Tot es més fàcil si acceptem que l’important, al nostre planeta, és la rotació al voltant del seu eix E, i que som nosaltres els que tenim una vertical estranya i diferent de la direcció d’aquest eix. L’astronomia, començant pel moviment del Sol, s’entén molt millor quan ens situem de manera coherent amb aquest eix singular del planeta. No és gaire difícil. Només cal construir un quadrat de cartró o fusta, fer-hi passar un eix perpendicular com el que veieu a la imatge, i ajustar la dimensió d’aquest eix per tal que l’angle entre el pla quadrat i el terra (o la taula) sigui igual a 90 menys la latitud. A Puigcerdà, aquest angle haurà de ser de 90 – 42,43 = 47,57 graus, mentre que a Amposta serà de 90 – 40,72 = 49,28 graus. Ara, si girem el conjunt fins que la part superior de l’eix s’orienti cap al nord (ho podem fer mirant la direcció de l’ombra del fil d’una plomada en el moment del migdia solar), ja ho tindrem tot preparat. Tindrem un petit laboratori solar amb un quadrat pla paral·lel a l’equador i una vareta paral·lela a l’eix E de la Terra. Imaginem que poguéssim fer tot aquest sistema a mida humana i que ens estiréssim unes hores al llarg de la vareta o gnòmon. Veuríem l’absoluta regularitat del moviment diürn del Sol. De fet, i degut a aquest moviment solar que és cònic, hem entès que els rellotges de sol són més senzills quan el gnòmon té la direcció de E i quan projecten l’ombra en una superfície disposada de manera simètrica al voltant d’aquest gnòmon.

Hi ha dos exemples evidents de rellotges de Sol amb gnòmon segons la direcció de l’eix de la Terra i superfície disposada de manera simètrica al seu voltant: els rellotges equatorials (de superfície plana) i els cilíndrics. El primer és el que teniu per exemple a la part superior esquerra de la imatge de dalt, i que podeu trobar amb més detalls en aquesta web. El Sol gira uniformement al voltant del gnòmon de manera que la direcció de l’ombra gira 360/24 = 15 graus cada hora; per tant, en un rellotge equatorial, les línies de les hores solars són radials i equidistants. Però podem fer-ho encara millor, com ho van fer els que van construir el rellotge equatorial (i molts més) a Jantar Mantar ara fa tres segles. Com que el moviment diürn del Sol genera un con, si ajustem la longitud del gnòmon i el fem curt de manera que el con intersequi el pla equatorial del rellotge, l’ombra anirà seguint cada dia un cercle perfecte. L’angle de l’ombra ens dirà l’hora mentre el seu radi ens farà de calendari. A la imatge de baix a la dreta (que podeu trobar a aquesta web) teniu la divisió del pla equatorial del rellotge de Jantar Mantar en radis horaris i en cercles que marquen el calendari. Aquí podeu trobar més dades sobre aquest rellotge i sobre tot el complex astronòmic de Jaipur.

En un rellotge equatorial tot és geomètricament simple i didàctic, perquè ens hem adaptat a l’orientació de l’eix de gir del nostre planeta. El Sol gira 15 graus cada hora, estiu i hivern (en hora solar, això sí; vegeu el comentari a la nota del final). D’altra banda, el radi dels cercles que van marcant el con solar cada dia i fan de calendari és molt fàcil de calcular (vegeu un cop més la nota al final). El 21 de juny el cercle és petit perquè el Sol és ben amunt al cel. Després, el con solar es va obrint, i els cercles es van fent més i més grans fins que el 21 de setembre, el con es fa pla i el cercle és immens, desbordant el pla del nostre rellotge. Llavors, a partir del 21 de setembre, tot canvia com per art de màgia. El Sol deixa d’il·luminar la cara superior del nostre rellotge i passa a la cara de sota, que és on es projectarà l’ombra de la part inferior del gnòmon durant la tardor i l’hivern. El con es va tancant, cada cop el radi dels cercles és més petit, i el 21 de desembre ens mostra el seu valor més petit. En d’altres paraules, veiem l’ombra a la part superior entre el 21 de març i el 21 de setembre, i en canvi la tenim a la part inferior els altres sis mesos de l’any. Tot és increïblement regular, senzill i repetitiu. És quelcom que sabien molt bé els constructors del rellotge de Jantar Mantar quan van fer les dues cares, una per la primavera-estiu i una altra per la tardor-hivern.

Podríem pensar també en rellotges esfèrics amb gnòmon segons la direcció de l’eix de la Terra, però permeteu-me que citi el cilíndric perquè conserva la simplicitat didàctica de l’equatorial a la vegada que ens dona encara més informació. La idea és ben senzilla: es tracta de recollir l’ombra del gnòmon en una superfície cilíndrica al voltant del gnòmon i per tant orientada també segons l’eix de la Terra. Aquest rellotge marca l’hora solar, és també calendari, i a més, si l’escapcem com si el talléssim amb un ganivet horitzontal (aquesta web explica com fer-ho), ens mostra el punt de l’horitzó per on sortirà el Sol i per on es posarà en qualsevol data de l’any. No és bonic?

Sempre m’he preguntat com és que pensem que podrem entendre el comportament humà i millorar la nostra societat si estem tan pendents de nosaltres mateixos i del nostre entorn proper que no pensem en quasi res més. De fet, encara que sembli estrany, el Sol ens pot ajudar: si tanquem els ulls, visualitzem la direcció de l’eix de la Terra i imaginem el nostre gir perpetu al seu voltant, ben aviat ens adonarem que la nostra pretesa verticalitat és un mite. El vertigen de pensar que caminem inclinats en un planeta que es mou com una baldufa tal vegada ens recol·loqui i ens faci veure que estem obligats a entendre’ns i a viure els uns al costat dels altres, com ens deien Kant, Fuller o Bauman.

———

Per cert, en Eduardo Martínez Abascal explica que la família mitjana a Espanya (uns 12 milions d’abonats) paga uns 45 euros al mes en electricitat. Diu que tenim el tercer preu més car dins de la Unió Europea, després de Dinamarca i Alemanya… Com deien els romans: Cui prodest?

———

NOTA: Imaginem la direcció definida per una certa recta S. Imaginem ara que aquesta direcció (que és un vector, parlant en termes geomètrics) gira al voltant d’un determinat eix E. És clar que el conjunt de direccions definides per una rotació arbitrària de S al voltant de E, que podem expressar com Rotació(S,E,alfa) per qualsevol valor de alfa, formen un con d’eix E. És el con que veurem si fem girar ràpidament un paraigua sense tela al que només li quedin les barnilles. Imaginem ara que la direcció S és invariant, però que som nosaltres els que girem al voltant de E. Com que el moviment és relatiu, el resultat també serà un con.

Això és exactament el que passa quan estudiem el moviment del Sol. Nosaltres (i tot el que ens envolta) girem al voltant de l’eix de la Terra, mentre que la direcció S de la Terra al Sol, vista per un observador inercial i extern al sistema solar, és aproximadament constant al llarg d’un dia. Per això, la recta S que uneix la punta del pal amb la seva ombra al terra descriu un con. Ara bé, de fet, i per ser precisos, hauríem de parlar d’un quasi-con, perquè és clar que l’endemà, S haurà canviat lleugerament tot girant un angle de quasi un grau (ha de girar 360 graus en 365 dies). La trajectòria del Sol, definida per la variació de la direcció S al llarg del dia, és per tant un quasi-con que no acaba de tancar perquè es va convertint en el quasi-con del dia següent. El quasi-con solar comença el màxim de tancat a cada solstici, es va obrint lentament com el full d’una immensa paperina que va aplanant-se, arriba a ser pla i geomètricament degenerat quan arriba el següent equinocci, i després torna a tancar-se lentament a l’altra banda del pla en el seu camí cap al següent solstici en un moviment harmoniós que ens fa recorda les flors de la xicoira o la calèndula (de fet i òbviament, mogudes pel Sol).

El rellotge equatorial descrit a dalt mostra l’hora solar. Pot mostrar també l’hora oficial si les línies de les hores, en comptes de marcar-les com a radis, les corbem lleugerament de manera que codifiquin l’equació del temps. Però en aquest cas caldria construir dos rellotges: un d’estiu-tardor que marcaria les hores i calendari d’estiu entre el 21 de juny i el 21 de setembre a la cara superior i el mateix per al període entre el 21 de setembre i el 21 de desembre a la cara inferior, i un altre d’hivern-primavera que serviria per l’hivern a la cara inferior i per la primavera a la seva cara superior. Això és degut a que l’equació del temps no és simètrica al llarg de l’any.

En un rellotge equatorial tot és geomètricament simple i didàctic, perquè ens hem adaptat a l’orientació del gir terrestre. El radi dels cercles que van marcant el con solar cada dia i fan de calendari és molt fàcil de calcular: només cal saber la declinació del Sol (l’angle del con solar per damunt o per sota del pla equatorial) i dividir la longitud del gnòmon que sobresurt del pla per la tangent d’aquest angle. Cal observar que la declinació solar al llarg de l’any (que podeu trobar en taules com aquesta) és la mateixa per a tots els punts del planeta.