Arxiu de la categoria ‘Cóm funciona?’

El dia de les ombres allargades

dijous, 27/12/2018

A Vilassar de Mar, al migdia, l’alçada màxima del Sol sobre l’horitzó és de 65 graus el dia 21 de juny, mentre que el 21 de desembre només és de 18 graus. Però si volem saber aquests valors per al lloc on vivim, només hem de conèixer el valor de la nostra latitud (a Vilassar és de 41,5 graus) i sumar-li i restar-li l’angle d’inclinació de l’eix de la Terra que com sabem és de 23,5 graus.

Al solstici d’hivern, el Sol només arriba als 18 graus d’alçada. Molt poc, oi? Fred, foscor, ombres allargades, la vida vegetal que s’atura per manca de llum solar. És el presagi de l’hivern que vindrà per acumulació de dies i setmanes en les que el Sol escalfa més l’hemisferi sud que el nord.

Però de fet, i com hem anat sabent a partir de Copèrnic, el causant dels solsticis no és el Sol, sino el nostre planeta, que té un moviment de rotació que no lliga amb la seva òrbita al voltant del Sol. La imatge (aquesta) d’aquesta pàgina web ho explica ben clar i mostra un fenomen que és menys conegut del que ens pensem: la direcció de l’eix de la Terra, en relació als estels llunyans, no canvia al llarg de l’any (el cert és que sí que canvia una mica, perquè l’eix de la Terra descriu un moviment de precessió com el d’una baldufa, que li fa completar una oscil·lació cada 25 mil anys; però en la nostra escala de temps, podem considerar-lo totalment estable i constant). I l’eix de rotació no pot canviar durant els mesos de l’any perquè les lleis de la dinàmica de Newton ho impedeixen (vegeu la nota al final).

El solstici d’hivern sol ser el 21 o el 22 de desembre, segons l’any. Ara bé, de fet i parlant correctament, el solstici no és un dia: és un instant. Hi ha qui ens explica que el solstici d’hivern es produeix quan l’eix de la Terra està inclinat de manera que el pol nord es troba totalment a la banda contrària del Sol, en relació al centre de la Terra. Però crec que és més fàcil d’entendre-ho si ens ajudem amb un pla i dues rectes. Si ho voleu explicar als nens, comenceu per agafar un full de paper, que representarà el pla de la nostra òrbita (l’anomenat pla de l’eclíptica). Marqueu el Sol al centre i dibuixeu un cercle que indicarà l’òrbita de la Terra (és el·líptica però la podem aproximar per un cercle). Ara, travesseu el paper amb un llapis A, perpendicular al paper, justament pel punt on heu marcat la posició del Sol. I, amb un altre llapis B inclinat respecte el primer que representarà l’eix de la Terra com podeu veure a la imatge d’abans, aneu recorrent l’òrbita. La Terra gira cada dia al voltant de B i una vegada cada any al voltant de A sense modificar mai la direcció del seu eix B. Imagineu ara les rectes rA i rB que allarguen els llapis A i B fins l’infinit per les seves dues bandes. Veureu que aquestes rectes rA i rB es tallen només dues vegades al llarg de l’any, en dos punts oposats de l’òrbita de la Terra, mentre que tota la resta de l’any no es toquen. Aquests dos instants màgics en els que rA i rB es tallen, són els solsticis d’estiu i hivern.

No hem de confondre els solsticis amb el periheli i afeli, punts de l’òrbita en què la Terra es troba el més propera possible del Sol i el més allunyada possible del Sol, respectivament. De fet, la Terra a l’hivern és més a prop del Sol que a l’estiu. Aquest any, el periheli serà el dia 3 de gener, 13 dies després del solstici d’hivern. Les estacions no depenen de la distància al Sol sino de la inclinació de l’eix de la Terra.

I, parlant de plans, tot plegat es torna menys antropocèntric a mesura que ens allunyem del sistema solar. Perquè el pla de l’eclíptica és bastant arbitrari. Es va anar concretant durant tot el lent procès en el qual la matèria va anar quedant atrapada per l’atracció solar, i és força coincident amb el pla de les òrbites dels altres planetes. Però és ben diferent del pla de la nostra galàxia, com podeu veure en aquest vídeo. El pla principal de la Via Làctia, aquest pla P que el Sol orbita cada 230 milions d’anys, és un altre pla de referència que ens és desconegut i llunyà, encara que no deixa de ser bonic pensar que el Sol, des de l’aparició dels dinosaures fins ara, hi ha donat justament tota una volta, passejant per P la vida que anava creixent al nostre planeta. Encara que no hi pensem gaire, som ciutadans insignificants que vivim prop del pla principal de la Via Làctia.

Tot i que, ben pensat, per què diem que la Terra, des de l’espai, es veu amb l’hemisferi nord a dalt? Veient la inclinació del pla principal de la Via Làctia respecte l’eclíptica (i pensant en l’orientació de totes les demés galàxies) és clar que hi ha infinits possibles observadors, i que la Terra “es pot veure” amb el pol nord a dalt o amb el pol nord a sota. És per això que m’agrada capgirar les boles del món dels meus amics i deixar-les com la que veieu a la imatge de dalt, de manera que Àfrica i els països del sud quedin més rellevants. La bola del món de la imatge, en una posició que correspon més o menys al solstici d’hivern i on nosaltres som quasi a sota del tot, és tan vàlida i correcta com totes les que trobareu a les botigues. Mirar-la, fa pensar.

Diuen que els humans ens tornem violents quan tenim por, però també quan veiem coses que no entenem. Perquè la ignorància, que es pot intentar abordar amb una anàlisi científica dels fets, també ens porta malauradament als mites, als dogmes, a la veritat que creiem que només tenim nosaltres, i a la violència contra “els altres”. Només cal mirar el cas d’en Giordano Bruno o el judici a Galileo Galilei. L’instint fa que tinguem ganes de destruir aquells qui qüestionen les nostres “veritats”. I de fet, els mites poden acabar generant violència mentre que en canvi, la ciència ens acosta a la pau. La ciència ens ajuda a entendre que no és que el Sol pugi a l’estiu i baixi a l’hivern, sino que simplement tot és degut a que l’eix de la Terra manté la seva direcció. Ens explica també que totes les persones tenim la mateixa dignitat i que tots som part d’un sistema ecològic que podem aprendre a cuidar, però que també podem destruir amb la nostra cobdicia i violència. I ara, després d’entendre que l’eix de la Terra es manté invariant, seria fantàstic que fóssim capaços d’entendre que l’equilibri de la vida a la Terra també s’ha de mantenir invariant…

——

Per cert, en Sebastià Alzamora parla de la violència i diu que és el comportament més primari de l’espècie humana, a més de ser un fet polític. Diu que un ésser humà, igual que qualsevol animal, pega, fereix o mata quan té por o se sent acorralat o amenaçat; però que, a diferència dels animals, l’ésser humà es torna també violent davant del que ignora: els animals esquivaran allò que no coneixen, però l’ésser humà de vegades s’hi torna i intenta destruir-ho. Diu que aquests dos paràmetres, la por i la ignorància, expliquen gairebé tots els actes de violència que saturen l’actualitat.

——

NOTA: Val a dir que l’estrany seria que la direcció de l’eix de la Terra anés canviant perquè, com bé ens va explicar Isaac Newton, els moviments de translació i rotació sempre són independents. El centre de gravetat de la Terra, que més o menys és el centre de la geoide, es mou al llarg de l’any en una òrbita el·líptica en el pla que anomenem de l’eclíptica, mentre la Terra gira cada dia al voltant del seu eix, que no canvia en absència de parells de forces exteriors.

Si voleu saber quin és l’angle (invariant) entre l’eix de la Terra i el vector normal al pla galàctic, mireu aquesta pàgina web i els seus dibuixos. L’angle és de  62,9 graus.

Tenim un forat a la mà?

divendres, 21/12/2018

Aquí teniu un experiment senzill i sorprenent. Prepareu un tub de paper com el de la imatge. Amb ell, mireu algun objecte llunyà (uns arbres, unes cases, un campanar, un vaixell al mar, o el balcó de la casa del davant, per exemple) mentre tanqueu l’altre ull. Fixeu-vos bé en l’objecte que esteu mirant, i poseu l’altra mà davant l’ull que teniu tancat. Ara, obriu l’ull i… sorpresa!

Com és que veiem un forat a la nostra mà? Doncs perquè és la solució que troba el nostre cervell, amb una estructura de connexions neuronals que ha emergit després de milers i milers d’anys d’evolució, quan rep imatges contradictòries d’un i altre ull. És el fenomen que s’anomena rivalitat binocular. El cervell, acostumat a processar parells d’imatges similars que li permeten percebre distàncies i profunditats, ha de fer alguna cosa quan aquestes dues imatges no lliguen. I el que fa és justament el que experimentareu si feu l’experiment. L’evolució ens ha fet així, a totes i tots, i la prova és que pràcticament tothom veu el forat a la mà: acabem percebent coses que no són reals.

Cal dir que hi ha molts tipus de rivalitat binocular, encara que personalment crec que la de l’experiment del tub de paper és de les més interessants. Ho podeu veure en detall en aquest vídeo de la Vanessa Hill (que és d’on he tret la imatge de dalt). La rivalitat binocular es dona quan el cervell no pot associar les imatges que rep dels dos ulls i es veu forçat a escollir. Quan l’experiment es fa de manera que un ull sigui dominant (per exemple, fixant la vista en l’objecte llunyà abans d’obrir l’ull que mira la mà), la seva imatge predomina i ens fa el forat a la mà que veu l’altre ull. Si, en canvi, no forcem aquesta dominància, pot acabar passant que, sense cap intervenció per part nostra ni cap control, la nostra percepció vagi alternant del que veu un ull al que veu l’altre i viceversa. És el que va experimentar, ja al segle XVI, en Giambattista della Porta: si mirem una pàgina d’un llibre amb l’ull esquerre i una pàgina d’un altre llibre amb l’ull dret, anirem veient ara l’una, ara l’altra, i podrem llegir els dos llibres a la vegada.

La investigadora Olivia Carter, del laboratori de visió de Harvard, ens ho explica en aquest breu curs. A més de l’experiment del forat a la mà, mostra com fer que una part de la nostra mà es torni cervesa. I, com bé diu, la gran pregunta és arribar a entendre què fa el cervell per a generar les nostres experiències conscients, que tan aviat pot ser que siguin reals i útils (quan deixem de creuar un carrer perquè veiem venir un cotxe) com absurdes i objectivament falses (quan veiem que part de la nostra pell s’ha tornat cervesa o vi). És un tema encara no resolt i no tan simple com podríem pensar perquè en els casos de rivalitat binocular, la percepció final és probablement el resultat d’una jerarquia de processos de competitivitat neuronal a diferents capes de processat dins el còrtex.

En Christof Koch, neurocientífic que intenta entendre els mecanismes i les zones del cervell que fan que aparegui la consciència, està treballant per descobrir les diferències entre la regió posterior del còrtex que genera moltes de les nostres sensacions vitals i el còrtex pre-frontal, que no sembla que contribueixi directament a aquestes experiències subjectives. El cert, diu, és que encara no entenem els mecanismes del còrtex. Però és clar que l’ànàlisi dels processos neurològics que apareixen durant els experiments de rivalitat binocular ens poden aportar una mica de llum.

El resultat de l’experiment de rivalitat binocular encara no té una explicació clara. Però  el que sí ens diu és que allò que percebem com a real no és clar que ho sigui. Tornem a Plató: què és la realitat? És el que creiem que veiem? Després de veure un forat a la nostra mà, és clar que no, oi? Per això no ens hem de fiar mai de les aparences ni del que ens diuen. La única solució és desgranar i mirar d’entendre els fets amb la màxima objectivitat, amb esperit crític, amb el cap fred i amb actitud científica.

———

Per cert, ampliant una mica la frase de Saint-Exupéry, podríem dir que la frontera que deixa a una banda la vanitat, la cobdicia, la intolerància i la violència i a l’altra la honestedat, l’empatia i la pau, és una línia que passa pel cor de totes les persones.

Els electrons i nosaltres

dissabte, 15/12/2018

Al nostre cos tenim uns 17 grams o més d’electrons (vegeu la nota al final). Si els poguéssim posar tots junts farien un bon grapat de partícules.

Sense electrons no existiríem. Els electrons són darrera de totes les reaccions químiques i bioquímiques que conformen el nostre metabolisme i que ajuden, per exemple, a fabricar proteïnes amb la informació de l’ADN. Són també a la transmissió d’informació entre neurones del nostre cervell i a les fibres nervioses.

No fa massa, a partir dels descobriments d’ara fa dos segles (com el de la relació entre magnetisme i electricitat de Michael Faraday), vam veure que els podíem domesticar i fer que treballessin per a nosaltres. Perquè els electrons són dòcils i previsibles. Es mouen quan hi ha una diferència de potencial o quan es troben en entorns amb camps magnètics variables. Això ens ha permès fabricar motors elèctrics, rentadores, neveres, portes automàtiques, robots, ordinadors, telèfons mòbils i una infinitat d’invents quotidians que ens envolten.

L’any 1905, Einstein va formular l’efecte fotoelèctric i va descobrir la profunda relació que hi havia entre els electrons i els seus cosins, els fotons. Els fotons ens porten energia i informació a distància a la velocitat de la llum, escalfant-nos amb la llum del Sol, fent que els nostres ulls puguin rebre i processar imatges, i fent-nos arribar senyals de ràdio i televisió i fins i tot fotos i vídeos dels nostres amics. Gràcies a l’efecte fotoelèctric, els fotons activen determinats electrons del sensor CCD de la càmera del nostre mòbil i, miraculosament, podem fer fotos. Gràcies als electrons, els fotons que ens envia el Sol poden traslladar i moure grans objectes i actuar sobre la matèria, sent els combustibles, per exemple, dels trens d’alta velocitat: només els cal donar energia als electrons de determinades plaques solars que l’aniran propagant fins les catenàries que alimenten els trens. D’altra banda, els fotons de la wifi ens porten informació que podem llegir, veure, i després guardar en un llapis de memòria. Però, quan ho fem, són els electrons de una infinitat de pous de potencial qui ens guarden aquesta informació. Electrons i fotons, fotons i electrons.

L’experiment d’Albert Abraham Michelson i Edward Williams Morley l’any 1887 va ser el primer que va fer trontollar les nostres ingènues teories, en aquest cas sobre els fotons. L’experiment de de Michelson-Morley va demostrar que els fotons van sempre a la mateixa velocitat, ho miri qui ho miri. És l’experiment que va intrigar Albert Einstein fins que, 18 anys després, va acabar formulant la teoria de la relativitat i dient que si la velocitat de la llum era constant (com s’havia comprovat), tot el demés, inclòs el temps, havia de ser relatiu i no invariant. No hi ha ningú privilegiat, a l’univers. Però els fotons, això sí, sempre transmeten la seva informació i energia a velocitat constant. Una velocitat, la de la llum (c), que no es pot superar i que va resultar ser una constant de l’univers. No és possible enviar informació a una velocitat més gran que c. Per això, mai podrem saber com són ara mateix les galàxies llunyanes que veiem al cel de nit.

I els electrons? El 1913, Niels Bohr va proposar un model atòmic senzill que recorda el model planetari de Copèrnic. En ell, l’àtom és com un petit sistema solar amb el nucli al centre i un núvol d’electrons que hi donen voltes. Els electrons eren com boletes que anaven orbitant el nucli a diferents nivells d’energia. Quan baixaven a òrbites més interiors, emetien energia en forma d’un fotó. Quan captaven un fotó que arribava, agafaven la seva energia i pujaven a una òrbita més externa. Si captaven més fotons i energia, podien fins i tot lliurar-se de l’atracció del nucli i quedar lliures, creant un corrent elèctric quan la matèria era conductora.

Una de les primeres sorpreses que ens donen els electrons, però, és la seva habilitat per a ser màgics. Ara sabem que la teoria de Bohr no és certa, perquè no hi ha òrbites i mai sabem on són, els electrons. Hi són, són la causa de totes les reaccions químiques, tenen massa, però no els podem trobar. Mai podrem agrupar un grapat d’electrons. I Heisenberg ens explica que aquests electrons sembla que no existeixen sempre. Només existeixen quan algú els mira o, més ben dit, quan interaccionen amb una altra cosa. Són màgics. Es materialitzen en un lloc, amb una probabilitat calculable, quan topen contra algun cos. Els salts quàntics d’una òrbita a una altra són la seva manera de ser reals. Un electró és un conjunt de salts d’una interacció a una altra. Però quan ningú no els destorba, els electrons no són a cap lloc concret. No són enlloc. De fet, sembla que fins i tot apareixen i desapareixen a l’espai buit. Perquè l’espai buit és alguna cosa, no és pas el no-res. Ho diu el fet que l’espai sigui tridimensional en lloc de tenir, per exemple, dimensió quatre, perquè el no-res no té dimensions. I el que estem descobrint és que l’espai buit és l’escenari en el que poden créixer la geometria, les matemàtiques, la física… i els electrons, com bé diu en Carlo Rovelli citant Werner Heisenberg.

Però la darrera sorpresa d’aquests electrons que creiem tenir tan ben domesticats ens va arribar fa poc, el 2015, de la mà d’un grup de físics de la universitat de Delft (Ronald Hanson i altres; aquí teniu l’article científic que van publicar a la revista Nature). L’experiment va confirmar la hipòtesi de l’any 1964 de John Bell i ens va demostrar que els electrons i altres partícules elementals experimenten un fenomen que s’anomena “entrellaçament” que fa trontollar tot el que pensem sobre el funcionament de l’univers. Si dos electrons emeten fotons que es troben i queden entrellaçats, això fa que els dos electrons quedin també entrellaçats en el mateix instant, encara que es trobin a milions de quilòmetres de distància l’un de l’altre. I aquí apareix la màgia de l’entrellaçament, que fa que aquestes dues partícules passin a tenir una mena de telepatia subatòmica: si algú mesura una propietat d’un dels electrons (l’anomenat spin, per exemple, que té dos possibles valors) i immediatament algú altre mesura la mateixa propietat a l’altre, el valor que mesurarem al segon electró serà sempre el contrari del valor que han mesurar abans a l’altre. El segon electró, entrellaçat al primer, “sap” instantàniament com s’ha de mostrar quan se’l mesuri. La informació, entre electrons i partícules entrellaçades, es transmet a l’instant, en clara contradicció amb el que sabem que res pot anar més ràpid que la velocitat de la llum (vegeu alguns detalls de l’experiment a la nota al final). Com s’entén, això? Quin és aquest espai-temps que diu a tothom, inclosos als fotons, que no es pot superar la velocitat de la llum, a la vegada que permet que les partícules entrellaçades la superin del tot? Hi ha qui diu que quan els electrons i altres partícules s’entrellacen, es fonen i passen a ser una única partícula que es manifesta a dos llocs a la vegada. Però, com s’explica això de tenir un electró que s’ha desdoblat i materialitzat en dues posicions que poden trobar-se a anys llum de distància una de l’altre? Què és l’espai i què és el temps?

L’entrellaçament ens fa veure que certes propietats dels electrons i altres partícules no poden existir abans que les  mesurem. Diuen que l’acte de mesurar és el que realment crea aquestes propietats. I veiem que hi ha propietats que es creen a distància, instantàniament, saltant-se els principis que fins ara teníem: que res es pot transmetre a velocitat més gran que la de la llum. Els electrons entrellaçats representen el gran misteri de les parelles telepàtiques. A diferència dels seus cosins fotons, ràpids però previsibles.

La imatge de dalt l’he obtingut a partir de les d’aquesta pàgina web de Ryan Whitwam, que mostra els electrons que enllacen àtoms d’hidrogen. La imatge va ser obtinguda el 2013 amb un microscopi de força atòmica.

Les coses, i sobretot els electrons, no són tan deterministes com voldríem. Richard Feynman, a les seves lliçons de física, deia que amb els electrons i altres partícules no podem fer altra cosa que calcular probabilitats, i que hem de sospitar amb molt fonament que aquesta limitació ens acompanyarà sempre perquè és un fet essencial del món subatòmic. I Ronald Hanson reconeix que tot això de l’entrellaçament supera la nostra capacitat actual de comprensió: l’univers és definitivament estrany. I és que la natura és així, encara que no ens agradi.

——

Per cert, parlant de coses que sabem fer amb els electrons i l’electricitat, la Rosa Montero diu que el 70% de la inversió en infraestructures ferroviàries es dedica a l’alta velocitat, que només és utilitzada per un 4% de viatgers. En canvi, els trens de rodalies, regionals i de mitja distància, que transporten al 96% dels usuaris, reben menys d’un terç del pressupost. A més, la modernització d’un quilòmetre de via convencional (fins arribar a velocitats mitjanes de 165 Km/h) és 10 vegades més barata que la construcció d’un quilòmetre d’AVE.

——

NOTA: La massa en repòs d’un electró és aproximadament 9,109 * 10^(-31) Kg., que correspon a 1/1836 de la massa del protó. La massa del neutró és molt similar a la del protó, s’altra banda. Tenint en compte que el nostre cos té entre un 60 i un 65% d’aigua, i que bàsicament som hidrogen, oxigen i carboni en proporcions del 10%, 65% i 19,37% respectivament (la suma d’aquests tres elements és el 94,37% del nostre pes), és fàcil fer un càlcul aproximat del pes total dels electrons que ens conformen. Com que el pes atòmic de l’hidrogen és 1, la proporció d’electrons deguda als àtoms d’hidrogen és de 0.1 / 1836, o sigui, 5.45 * 10^(-5). El mateix càlcul amb l’oxigen dona dona una proporció en pes d’electrons de (0.65 * 8/15.999) / 1836 = 1.77 * 10^(-4), atès que el seu pes atòmic és de 15,999. I si ho fem amb el carboni, el resultat és (0.1937 * 6/12) / 1836 = 0.53 * 10^(-4). Sumant les tres proporcions, veiem que per cada 10 quilos del nostre pes, tenim 2,845 grams d’electrons que provenen d’àtoms d’hidrogen, oxigen i carboni. Val a dir que el total és una mica més gran, perquè caldria sumar-hi els electrons dels elements més complexes que també configuren les molècules de la resta del nostres cos (molècules que en total suposen 563 grams per cada 10 Kg. de pes).

L’experiment de Ronald Hanson i els del seu grup va demostrar que, en l’entrellaçament, no hi ha variables ocultes (no hi ha fenòmens que ara no puguem detectar però que tal vegada en el futur podríem arribar a mesurar), i que, per tant, l’entrellaçament és una propietat real que tenen els electrons, els fotons, i altres partícules. L’experiment, màgic i sorprenent, va ser aquest: a dos laboratoris A i B separats 1280 metres a Delft, els científics van experimentar amb electrons que havien quedat atrapats prop d’alguns àtoms de nitrogen que hi havia, a tall d’impuresa, en dos diamants (un a A i l’altre a B). Amb impulsos de làser, anaven activant reiteradament els electrons de manera que, tant l’electró del diamant de A com el del diamant de B emetien un fotó cada un d’ells a cada impuls làser. Els fotons es dirigien a un tercer laboratori C entre A i B, on algunes vegades es trobaven en un mirall semitransparent i quedaven entrellaçats. Llavors es produïa un fenomen sorprenent, que és l’anomenat “intercanvi d’entrellaçament”: de manera immediata, quan els dos fotons s’entrellaçaven a C, els seus dos emissors, els electrons als diamants de A i B, quedaven també entrellaçats. És com si, quan uns joves formen parella, els seus pares quedessin automàticament aparellats entre sogres. Tot seguit, es mesurava l’spin de l’electró de A i també es mesurava l’spin corresponent de l’electró de B. Com que no hi havia cap possibilitat de transmetre informació entre A, B i C (es tractava de demostrar que l’entrellaçament es transmet de manera instantània), el que es va fer és usar tres rellotges atòmics d’alta precisió, un a cada lloc, i guardar localment a tres ordinadors a A, B i C, el temps i el resultat de cada experiment. Si a A i B es guarda el moment de l’emissió de cada fotó, els instants de temps en que es fan les mesures i els valors dels spin que s’han mesurat, i a C es guarda els instants de temps en els que s’ha pogut aconseguir un entrellaçament exitós de fotons, es pot fer una anàlisi a posteriori i només considerar vàlids els cassos en que hi ha hagut entrellaçament de fotons a C i en els que les mesures d’spin als corresponents electrons a A i B s’han fet amb una diferència de temps de menys de 4,27 microsegons (el temps que la llum tarda en recórrer els 1280 metres). D’aquesta manera ens assegurem que la mesura feta a A no ha pogut arribar a B i que la mesura que hem fet a B no s’ha pogut transmetre a A. En tot cas, cal dir que l’experiment és una mica més complicat perquè els spins dels electrons es poden mesurar en diferents eixos i perquè cal garantir la màxima neutralitat durant el càlcul de les correlacions (veure l’article).

La mida de l’univers

dijous, 6/12/2018

Fem un joc: ens tapen els ulls i ens porten a un lloc tancat. Tot i seguir amb els ulls tapats, sabrem contestar si som en una habitació petita o en una catedral. Com és que, sense veure res, podem percebre de manera aproximada la mida del lloc on som?

La resposta són les ones de ressonància. Perquè, com bé ens explica la física, la forma i la mida de les estances i cavitats determina el tipus de freqüències de les ones que hi poden ressonar. La ressonància, que és la causa de la reverberació i l’eco, fa que siguem capaços de percebre la mida, de manera inconscient, a partir de sons quasi imperceptibles que arriben a les nostres orelles.

Tot plegat tampoc és res de nou. Ho saben bé els fabricants de violoncels i altres instruments de corda quan fan les caixes de ressonància per a modular i amplificar els seus sons. I és una idea que desenvolupa en Marcus du Sautoy quan es pregunta si l’univers és finit o infinit, i si això és quelcom que els humans podran arribar a saber alguna vegada, o no. No són preguntes fàcils. En John Barrow, per exemple, ens fa caure de cop del pedestal de la vanitat quan ens diu que en el camp de la cosmologia la majoria de preguntes no tenen resposta, que hem refrenar aquesta estranya fe que tenim en el poder de la ciència per a coneixer-ho tot, i que no poder respondre algunes preguntes és simplement un fet copernicà perquè l’univers no està fet a la nostra conveniència. Ens hem d’acostumar a la incertesa, a no saber, i a intentar entendre per què no podem saber.

De fet, i tornant a la pregunta sobre la mida de l’univers, tenim tres grans possibilitats. L’univers tal vegada és finit i per tant mesurable, però també pot ser infinit, i en aquest cas hi haurà coses que mai sabrem. I encara hi ha una tercera possibilitat: pot ser que sigui finit i il·limitat (en una versió 3D de la superfície de la Terra, en la que, si caminem recte, mai trobarem el final però tornarem a passar pel mateix lloc cada 40 mil quilòmetres). I en Marcus du Sautoy ens explica que, si és finit, és possible que ho puguem saber si sabem escoltar les seves ressonàncies, de la mateixa manera que quan som a una catedral. Tal vegada podrem detectar coses fins i tot de la part de l’univers que és fora del nostre horitzó visible, per les empremtes dactilars que aquesta pot haver deixat a l’espai que sí podem veure (vegeu la nota al final). El gran problema, però, és la qualitat dels nostres instruments de mesura. Si no detectem res, és perquè és infinit, o és perquè no som capaços de detectar les seves ressonàncies?. Si l’univers és finit, és possible que alguna vegada ho puguem arribar a saber i que acabem coneixent la seva mida aproximada; però si és infinit, és probable que mai ho sapiguem.

I aquí arriben miraculosament les matemàtiques que, de la mà dels pitagòrics, ens expliquen que encara hi ha alguna possibilitat que, fins i tot en el cas que l’univers sigui infinit, ho puguem arribar a saber amb tècniques de reducció a l’absurd. Tot va començar ara fa més de 2500 anys. Els pitagòrics van crear un mite i ells mateixos van descobrir que l’havien de destruir. Van creure que tot es podia explicar amb enters i fraccions, i que el nombre era l’essència de totes les coses. Però tot raonant, van veure que això era fals. La mida de la diagonal d’un quadrat no és cap fracció de la mida del seu costat. La descoberta va ser realment dramàtica. Havien trobat un resultat estrany, irracional, per simple reducció a l’absurd (vegeu la nota al final). Per això, els nombres que mesuren magnituds com la diagonal d’un quadrat, que no es poden expressar com fraccions, se’ls anomena nombres irracionals. I de fet, les matemàtiques dels irracionals van néixer de la perplexitat dels pitagòrics. Doncs bé, en Marcus du Sautoy pensa que tal vegada ens pugui passar el mateix amb l’univers: si partim de la hipòtesi que l’univers és finit, pot ser que en algun moment futur els humans trobin una llei física que porti a una contradicció. En aquest cas, si les nostres lleis de la física són certes, podríem afirmar que l’univers és infinit sense necessitat d’haver-lo intentat mesurar.

En tot cas, i en relació a les mides i la complexitat, hi ha una frase d’en John Barrow que em va fer pensar: diu que entendre el cervell i les societats humanes és molt més complicat que arribar a entendre l’univers (en sentit macroscòpic).

Les matemàtiques ens ajuden a volar. Les matemàtiques fan que puguem usar els nostres cervells finits per a poder saber coses sobre l’infinit. I, quan volem, veiem més lluny i  imaginem utopies que van molt més enllà de la realitat existent, de manera que podem tenir esperança i anar fent camí des de la profunda consciència dels nostres límits. Cap un altre món basat en la justícia global, de la mà d’aquest pensament que puja des de baix. Amb el pensament que surt dels propis límits.

——

Per cert, en David Fernández ens recorda que en Jaume Botey representava la història i l’esperança del país feta des de baix. En Jaume Botey es preguntava per exemple qui té autoritat per condemnar una altra persona; deia també que l’esperança s’esdevé més viva com més morta sembla, i que se’ns fa més necessària quan totes les portes es tanquen.

——

NOTA: Si l’univers és finit, la longitud d’ona de les ones que poden ressonar-hi, és un conjunt limitat, perquè les de més gran longitud d’ona no hi poden ser-hi.

Els pitagòrics van veure que no hi havia manera d’expressar el valor de la longitud de la diagonal d’un simple quadrat. Cap operació aritmètica ni cap fracció podia donar el seu valor, en funció de la longitud del costat del quadrat. Ho van demostrar fent la hipòtesi que sí que era possible, i veient que per pura deducció s’arribava a una contradicció, a un absurd.

El 60 dels sumeris

diumenge, 11/11/2018

Com bé ens explicava fa poc en Josep M. Mulet, quasi totes les cultures van començar a comptar amb els dits. I algunes de les poques que no ho van fer així, és perquè van acabar comptant amb els dits de la mà junt amb altres parts del cos. Aquesta és la raó per la qual el sistema basat en la base 10 és tan popular a tot el món.

Curiosament, però, aquest no va ser el cas dels sumeris, una de les cultures pioneres en l’estudi de les matemàtiques i en l’abstracció de les quantitats numèriques. Al principi dels registres històrics, fa uns cinc mil anys (entre el 2900 i el 2300 A.C.), l’escriptura sumèria no tenia representació simbòlica pels nombres, i el símbol que usaven per a escriure “una ovella” era diferent del símbol per a dir “un dia”. Després, van començar a comptar en base 12. Ho feien comptant les 12 falanges dels dits d’una mà amb el polze, com veieu a la mà de la dreta a la imatge de dalt. Ho podeu provar: mentre compteu de 1 a 12, es tracta que el polze vagi tocant cada una de les falanges de la mà en l’ordre que veieu a dalt. Aquesta és la raó per la qual tenim, per exemple, dotze signes del zodíac.

Però 12 era una quantitat massa petita, i els sumeris volien comptar fins més enllà. La solució va ser ben senzilla: cada vegada que comptaven de 1 a 12, aixecaven un dit de l’altra mà i tornaven a comptar fins 12. Ho podeu veure en aquest vídeo, que és d’on he tret la imatge de dalt (que representa el 24). És clar que 12 per 5 és 60, i d’aquí va sortir el sistema sexagesimal sumeri que després van importar els babilonis i que ha arribat fins els nostres dies en les hores de 60 minuts, en els minuts de 60 segons i en els 360 graus de la circumferència. I és que, a més, el 60 té una altra gran propietat, que és la de ser el primer número que és divisible per 2, 3, 4, 5 i 6, a més de ser-ho per 10, 12, 15 i 20. Per això un quart d’hora són quinze minuts, 12 minuts són la cinquena part de l’hora, i és fàcil parlar de quants intervals de 10 minuts té una hora. Si les hores tinguessin 100 minuts, per a dir “arribo en cinc minuts”, hauríem de dir que ens falten 8,3333333 minuts per arribar…

L’Arika Okrent ens explica anècdotes interessants sobre els sistemes de numeració de diferents cultures minoritàries, i en Takasugi Shinji ha publicat una taula amb les particularitats numèriques d’un total de 69 llenguatges. Els Huli, a Papua Nova Guinea, compten en base 15, i els habitants de la illa de Frederik Hendrik Island, prop també de Nova Guinea, en el seu llenguatge Ndom treballen en base 6.

———

Per cert, la Barbara Unmussig diu que, per combatre el canvi climàtic, cal reemplaçar el model de producció d’energia basat en el mercat i centrat en els inversors amb un altre que tracti l’energia com un bé públic, orquestrant alhora un canvi cap a modes de possessió i gestió social dels subministraments d’energia. Cal emprendre un canvi cap a un nou sistema socioeconòmic tot abandonant l’obsessió en el creixement del PIB, diu.

Els matisos del canvi d’hora

divendres, 2/11/2018

Fa poc hem fet el pas a l’horari d’hivern, i es torna a parlar del bo que seria no fer canvis i deixar tot l’any el mateix horari. És curiós. Encara recordo tots els arguments que ens fan fer veure, no fa tants anys, que era molt millor tenir un horari d’estiu diferent al d’hivern.

Val a dir que, de fet, les coses tampoc són tan clares. Fa dos mesos, el 31 d’agost, llegíem que Europa apostava per mantenir el mateix horari a l’estiu i a l’hivern i que el canvi era imminent, mentre que fa poc, el 29 d’octubre, se’ns deia que la fi del canvi d’hora s’ajorna i que la UE s’inclina per deixar-ho tot igual fins al 2021.

Fem-nos algunes preguntes. Si deixem de canviar l’hora, què hem de fer? Ens quedem amb l’horari d’estiu o amb el d’hivern? De fet, i com sempre, tot té avantatges i inconvenients. Si mantenim tot l’any l’actual horari d’hivern, ja ens podem acomiadar dels sopars a l’aire lliure, als mesos de juny-juliol, amb llum després de les 9 de la nit. I, si ens quedem amb l’actual horari d’estiu, al desembre serà encara pràcticament de nit a les nou del matí. Tot plegat em recorda un amic de Tolosa, que sempre es desperta amb la llum del Sol al matí perquè diu que llevar-se quan encara és fosc és del tot antinatural. Amb aquesta opció, el meu amic segur que al desembre acabaria arribant bastant tard a la feina…

En tot cas, sembla que això ja està bastant decidit, perquè Espanya aposta per mantenir l’horari d’hivern (GMT+1) i tenir sempre llum solar al matí. Això pot tenir beneficis de tipus emocional i motivacional, segons diuen (a costa dels sopars d’estiu amb llum). Els partidaris de suprimir els canvis horaris, com Javier Albares, diuen que el canvi d’hora  trastoca el compàs del rellotge intern del nostre cos i, per tant, els cicles de son. Cosa que sembla que és una mica discutible, perquè el professor de neurociència de la UOC Diego Redolar diu en canvi que l’impacte que té canviar una hora és mínim. D’altra banda, cal tenir en compte que eliminar el canvi d’hora significarà la fi de l’horari unificat a gran part d’Europa, cosa que pot tenir algunes complicacions a nivell de coordinació d’horaris laborals i de comunicació a nivell professional. De fet, no tindríem dies de canvi d’hora però passaríem a tenir modificacions d’hora cada cop que agaféssim l’avió per anar a altres països.

Sense fer judicis de valor, crec que pot ser bo aportar alguns fets objectius. Fa alguns mesos, la revista Scientific American va tractar el tema. L’article compara tres ciutats americanes (Miami, Seattle i Fairbanks a Alaska), però el mateix es podria dir de Las Palmas de Gran Canària, París i Nord-Trøndelag, que tenen aproximadament les mateixes latituds. La primera observació és que l’interès del canvi d’hora depèn fortament de la latitud. A Miami o a les Canàries (latituds entre 25 i 29) hi ha suficient llum solar tot l’any, i per tant el canvi horari és innecessari. D’altra banda, a latituds extremes i superiors als 60 graus (com és el cas de Fairbanks a Alaska i Nord-Trøndelag a Noruega), la manca de llum a l’hivern fa que el canvi horari sigui essencial i que probablement hagi de ser de més d’una hora. Per tant, el tema que ara es planteja és un problema exclusiu de les zones de latitud intermèdia sigui a l’hemisferi nord o al sud. La segona consideració és que els potencials efectes negatius del fet de canviar l’hora es concentren al voltant de les dates de canvi, a la primavera i tardor; en canvi, els efectes beneficiosos és més fàcil que s’acabin mostrant al llarg de tot l’any. L’article cita en David Prerau, que ha escrit un llibre sobre el tema i que diu justament això: encara que hi pugui haver efectes negatius durant alguns dies, “compari això amb el fet de tenir set mesos amb postes de Sol una hora més tard”.

L’article presenta i analitza a més el resultat de 22 estudis realitzats des de l’any 2000: dos del camp de l’economia (tots dos en contra del canvi d’hora), vuit sobre els efectes en la criminalitat (4 dels quals a favor, 3 en contra i un inconclusiu), vuit sobre la salut (3 dels quals a favor i 5 en contra), i quatre relacionats amb l’energia (2 dels quals a favor, un en contra i un inconclusiu). Ara bé, només 10 dels 22 estudis analitzen els efectes al llarg de tot l’any. I d’aquests 10, 7 són favorables al canvi d’hora, dos són contraris i un és inconclusiu.

Hi ha molts estats d’opinió que van i venen com les modes: sorgeixen, s’amplifiquen, es fan virals fins que sembla que no és possible pensar altrament, i després, al cap d’un temps, minven i passen a la historia. En tenim un exemple ben clar en l’opinió dels anglesos abans i després del referèndum del Brexit, o en les actituds xenòfobes, altament preocupants, que estan creixent a molt països i que molts esperem que aviat minvin.

Però, quan una opinió es fa viral, val la pena pensar-ho bé i contrastar-la amb fets i amb altres fonts. Perquè les opinions virals no sempre ens ajuden i beneficien…

———

Per cert, i parlant d’estats d’opinió, en Josep Ramoneda diu que el llenguatge que vehicula l’extrema dreta és la cortina per amagar el problema de fons, que no és la immigració, ni els drets de les minories odiades, sino la desigualtat social i la pèrdua de benestar de sectors que es pensaven salvats i es tornen a veure a l’abisme. Diu que els poders econòmics globalitzats estan disposats, com en el cas del Brasil, a adaptar-se a poders autoritaris que els garanteixin el control social.

El joc de Ramanujan

divendres, 26/10/2018

Srīnivāsa Rāmānujan va ser aquell gran matemàtic indi que va tenir una vida massa curta. Va morir ara fa quasi un segle, als 32 anys, després de trobar molt bones solucions a infinitat de problemes. De fet, quan li van preguntar a Godfrey Hardy (que el va popularitzar en el llibre “Apologia d’un matemàtic”) sobre quina creia que havia estat la seva contribució personal més important al món de les matemàtiques, Hardy va contestar que sens dubte, aquesta havia estat el descobriment de Ramanujan. L’havia descobert i l’havia portat a Cambridge, on havien pogut treballar en nombrosos problemes matemàtics. Hardy deia que només se’l podia comparar amb Leonhard Euler o amb Jacobi.

Una de les coses que comenta en Hardy al seu llibre és que Ramanujan era amic de tots els números: li deies un número qualsevol, i Srīnivāsa improvitzava un relat curt relacionat amb ell. Si ho proveu, veureu que no és fàcil. Què podem dir del 67, per exemple?. I del 1729, el més petit dels anomenats números del taxi?

Fer-ho amb el 1729 no és fàcil, però intentar-ho amb números més petits pot ser un bon joc per passar una estona divertida amb els nens. Una possibilitat és fer-ho amb el pòster que veieu a l’esquerra de la imatge. El cartell hagués hagut d’acabar en el 99, però he de confessar que em vaig cansar una mica abans, quan aquest estiu el vaig estar fent. El pòster inclou tres capes de cartolina, que permeten que alguns números puguin deixar veure el de sota quan movem cap amunt la seva persianeta. Això sí, és important que la primera fila comenci en el zero per tal que tots els números de la mateixa horitzontal comparteixin desena.

El primer joc de Ramanujan consisteix en què, per torns, una de les persones diu un número i l’altra ha de explicar-ne alguna historia. Si parlem del 12, per exemple, podem lligar un petit relat amb les hores, els mesos de l’any i moltes coses més. El 11 és el número del fútbol, i el 29 és el dels anys de traspàs. Però com que finalment es tracta que acabin aprenent alguna cosa de matemàtiques, podem fixar-nos també en propietats més aritmètiques i incorporar-les als nostres relats. A la part dreta de la imatge, que mostra un detall amb sis dels números del pòster, els 2, 3 i 13 no tenen persiana, mentre que els 4, 12 i 14 sí (i de fet, el 12 en té dues de colors diferents, com es pot veure en aquest detall de la dreta). En resum, en algun moment del joc podem fer que s’adonin que hi ha quatre tipus de números: els que tenen una persiana que podem pujar i baixar, els que en tenen dues (una de taronja i una de blanca), els que no tenen persiana però tenen una ratlla dibuixada a sota, i els que no tenen ni persiana ni ratlla com el 26, el 52 i molts més.

Com que els números amb persiana són justament els de les taules de multiplicar, podem pensar en un segon joc de Ramanujan. Es tracta de baixar totes les persianes i, tot seguit, que el nen pugi les de, per exemple, la taula del 4 (vegeu la nota al final). S’adonarà que, per la propietat commutativa, només una de les dues solucions és l’adequada per la taula que està mostrant, però és quelcom que justament remarca aquesta propietat de la multiplicació. En el cas de números amb dues persianes com el 12, haurà de pensar si en puja una o dues perquè el 12 és a la vegada 3 x 4 i 6 x 2, i de les dues persianes, que mostren les dues opcions, només una és de la taula del 4 (de fet, quan pugem la persiana taronja, apareix allò que havíem escrit damunt de la persiana blanca de sota, i quan es puja aquesta, veiem la segona solució sota seu). A més de veure la seqüència de múltiples i el dibuix que deixa cada una de les taules al pòster, cada persiana deixa veure un rectangle de rajoles que ens mostra que les taules de multiplicar són diferents maneres d’agrupar rajoles en disposició rectangular. Després del joc, el pòster es pot deixar penjat per exemple amb la taula del 3, fins que ja volem avançar passant a la del 4, i així successivament.

Finalment, també podem jugar amb els números que no tenen persiana. Els que a més tenen una ratlla a sota, com el 3 i el 13, són els nombres primers que no es posen descompondre en producte de altres dos números més petits. No hi ha manera de posar 13 pomes en disposició rectangular, com bé sap tothom. I què passa amb els que no tenen ni persiana ni ratlla, com el 26 o el 52? Aquests permeten disposicions rectangulars, com 13×2, 26×2 o 13×4, però no surten a les taules perquè aquestes només van de l’1 al 9. Són el resultat de multiplicacions, però més complexes que les de les taules.

Moltes vegades no acabem d’adonar-nos que les taules de multiplicar i la descomposició en factors primers són un d’aquests invariants universals, aquí i a la galàxia més llunyana. Una cosa ben simple però que ens podria ajudar a tenir un cert grau de comunicació amb qualsevol altra tipus de vida intel·ligent, sigui a Andròmeda o al Iemen.

———

Per cert, en Javier Martín Rodríguez explica que l’actual rei Salmàn de l’Aràbia Saudita va designar el jove fill, Mohamed Bin Salmán, com a ministre de Defensa i va obrir el front de guerra al Iemen, tot com a part del seu pla per mantenir-se al poder. Tot plegat, per a acumular el prestigi i la autoritat que encara no té entre els seus oncles i cosins.  O sigui, et dediques a matar milers de persones per quedar bé amb la família.

———

NOTA: La versió del pòster que mostra la imatge no inclou, per qualsevol número D, ni el primer valor D x 1 de la seva teula de multiplicar ni el darrer, D x 10. Són dos casos trivials que d’altra banda acabarien fent més farragosa la construcció del pòster.

Els plàstics respectuosos

divendres, 19/10/2018

L’any passat, l’Ali Karami, junt amb altres investigadors de Malàisia, van analitzar la sal  de cuina de diferents països. Els resultats, que van publicar en aquest article de la revista Nature, indiquen que en 16 de les 17 mostres estudiades, els paquets de sal comercial contenien partícules de micro-plàstics provinents de l’aigua de mar. La mida mitjana de totes les que van trobar va ser de 515 μm, mentre que la desviació tipus era de 171 μm. L’estudi, però, només considerava partícules de mida superior a les 149 μm. Tot i que les proporcions trobades comporten un nivell baix de consum d’aquestes partícules antropogèniques a la sal (amb un màxim de 37 partícules per any i persona) i un impacte probablement negligible actualment en la salut, no és clar quin efecte poden tenir els micro-plàstics més petits, de manera que els investigadors indicaven que caldria establir noves metodologies que permetessin estudiar partícules més petites. Els països amb més proporció de micro-plàstics a la sal són Portugal i Australia.

La condició humana ens parla d’emocions, d’amor, de solidaritat i de cura dels altres. Però també de cobdícia, vanitat, ambició, depredació i brutícia. Els humans som bruts i ens costa entendre els límits. Quan, fa menys d’un segle, vam descobrir les possibilitats que ens oferia el petroli, ens vam llençar com bojos a cremar-lo i a fabricar nous materials com els plàstics, amb resultats realment interessants (energia, transport, industrialització, nous materials) que van anar acompanyats d’altres no tan bons: aire contaminat, escalfament global i oceans cada cop més plens de brossa i trossos de plàstic. Sabíeu que una ampolla de plàstic tarda uns 450 anys en biodegradar-se?

Però, ara que l’economia del petroli es troba cada vegada més qüestionada, tal vegada hem de tornar a pensar en el planeta i estudiar la fabricació de nous materials no basats en el petroli. I de fet, en tenim un bon exemple en els poli-hidroxi-alcanoats. Aquests polièsters, coneguts per les sigles PHA, són plàstics biodegradables que es poden fabricar amb un procès de fermentació controlada de matèria orgànica, usant determinats bacteris. En una primera fase, es regulen les condicions ambientals i de nutrients per tal de produir un fort creixement de la colònia de bacteris. Tot seguit, es fa un canvi en la composició de nutrients, i llavors els bacteris comencen a fabricar PHA, que queda dins les cèl·lules en forma de grànuls que emmagatzemen energia com petites piles de combustible cel·lular. Si el procés es fa bé, la quantitat final de PHA pot arribar al 80% del pes sec de tots els micro-organismes. Els PHA, que permeten els mateixos processos d’injecció i extrusió que els altres plàstics, són respectuosos amb el planeta i amb els nostres besnéts, i són compatibles amb el cos humà. Permeten fabricar tot tipus d’objectes, des de pel·lícules, safates i bosses fins ampolles i gots. Objectes que els bacteris ens fabriquen a partir de la fermentació de residus, i que ells mateixos s’encarreguen de “menjar-se” (usant la seva energia biocompatible) quan ja no ens interessen.

I, si tot això és cert, com és que no se’n parla més, dels plàstics PHA, sobretot tenint en compte que són materials que ja fa dècades que es coneixen? La raó ens l’explica Patricia Aymà, una jove graduada en Biotecnologia de 25 anys. Mira per on, es tracta de l’economia. Diu que el que passa és que és més car produir bioplàstic que plàstic de petroli. Per això, Patricia va donar la volta al problema i va crear una empresa de gestió de residus orgànics que, com a subproducte, fabrica bioplàstic. La idea és instal·lar màquines directament a les empreses i supermercats per tal que, mitjançant la fermentació per bacteris, aquests clients es puguin desfer fàcilment dels seus residus. Així s’eliminen els costos de transport i d’intermediaris i es pot assolir un preu de mercat del bioplàstic d’entre un i tres euros per quilo.

El sistema de Patricia Aymà, per cada quilo de residu orgànic acaba generant uns 400 grams de plàstic PHA. Molt bé, oi? Però el que no veig tan bé és la gestió que fem de tot plegat. Hi ha alguna cosa que em grinyola. Si pensem que els residus plàstics no biodegradables i no compatibles amb el cos humà (i amb el d’altres animals) són un greu perill pel planeta i pels nostres descendents, perquè els continuem fabricant amb un preu més baix que aquests nous plàstics verds? Està molt bé que la Patricia Aymà trobi maneres d’abaratir el seu procès de fabricació, però el problema és polític, i no l’haurien de resoldre les empreses, sino els governants. Ara bé, crec sincerament que els nostres governants no fan el que haurien de fer, i que tots plegats ens hem begut el seny. No fa massa, vam descobrir que fumar era nociu, i tots vam acceptar que incrementessin els impostos que gravaven el tabac. És tan difícil fer el mateix amb els plàstics no biodegradables, fins fer-los més cars que els PHA?

Una possible proposta, que pot semblar una mica esbojarrada però que facilitaria i permetria que tothom s’hi anés adaptant, seria gravar tots els plàstics no biodegradables i tots els combustibles fòssils amb un impost progressiu, que podria ser, per exemple, de tipus Fibonacci. És ben senzill. Aquest any, es mantenen els impostos de l’any passat, però a partir d’ara,  es revisen anualment: el valor de l’impost pel 2019 per a un determinat producte (plàstic o combustible) provinent del petroli seria la suma del seu impost l’any 2018 més el del 2017. El del 2020 es calcularia com la suma del de l’any 2019 i del corresponent al 2018, i així successivament. Només cal fer algunes sumes per a veure que així (i només amb mesures que poden semblar radicals com aquesta) podríem arribar segurament al 2030 havent complert els objectius de desenvolupament sostenible de Nacions Unides.

La imatge de dalt és d’aquesta web de l’empresa de Patricia Aymà.
——

Per cert, la Patricia Aymà denuncia que les grans empreses no s’arrisquen. Diu que va proposar la seva idea a empreses i universitats, però que no els va interessar. Comenta que falta una cultura del risc. “Què es pot perdre? Els diners? Doncs ja tornarem a començar”, diu.

El miracle dels axons

divendres, 12/10/2018

En Xavier Rubert de Ventós, a un dels seus llibres de divulgació filosòfica, explica que el nostre “Jo” no és més que l’encontre entre els dos sistemes genètics dels nostres pares a una determinada ciutat, una llengua, un sistema social determinat, un parell d’amors, una desena de familiars, una vintena d’amics i una cinquantena de llibres dels quals, com diu tot citant Valéry, “no he retingut ni el millor ni el pitjor, sino que n’ha quedat allò que ha pogut”. El resultat, diu, és que els estímuls que ens arriben s’ens reflecteixen amb un angle i intensitat peculiars i únics.

Som qui som gràcies al nostre passat, i el nostre passat és memòria. Però també sabem que la memòria i els records surten de la reactivació de grups específics de neurones que tenen connexions sinàptiques persistents entre elles. Els axons i les sinapsis són, per tant, una part essencial del nostre “Jo”. La nostra identitat sorgeix d’una infinitat d’interaccions sinàptiques.

El cervell humà té 86 mil milions de neurones, de les quals, 16 mil milions són al còrtex. En canvi, en total només necessita una energia de 25 watts. En aquest vídeo, Anders Lansner ens explica que el nombre de connexions sinàptiques entre els axons de les nostres neurones és deu mil vegades més gran que el nombre de neurones, i que la longitud total dels axons amb mielina d’un cervell humà adult és de cent vuitanta mil quilòmetres. O sigui, que si connectéssim els axons dels cervells de dues persones, tindríem un fil que arribaria a la Lluna. Podem dir que, en un cert sentit físic, l’amistat i l’amor arriben a la Lluna.

No és fàcil imaginar aquests nombres tan grans. Podem pensar que el nombre de neurones al còrtex és el doble que el nombre d’habitants al món, i això ja ens dona una idea del que tenim dins el nostre cap. Però, com ho fem per a representar-nos mentalment el nombre de connexions neuronals?

Diuen que tot l’univers es quantifica en base a tres escales, cada una d’elles com la que veieu a la imatge de dalt (que mostra les escales Potemkin, de 192 esglaons; la imatge la podeu trobar a aquesta pàgina web). Són l’escala de l’espai, la del temps i la de la complexitat i la organització. L’escala de l’espai és la del sistema mètric decimal que vam aprendre a l’escola. Quan érem petits, ens explicaven que un decímetre són 10 centímetres, que un metre són 10 decímetres, i que un decàmetre són 10 metres. Malauradament, segurament no vam ser conscients de tot el que implicava la notació numèrica posicional i el concepte d’ordre de magnitud (en aquest cas, en base 10). Posant i traient zeros o “corrent la coma”, fàcilment ens podem passejar per tota la realitat i anar del més gran al món microscòpic. A l’escala del sistema mètric, cada esglaó és 10 vegades més gran que el de sota i 10 vegades més petit que el del seu damunt. Si posem noms a cada esglaó i ens situem a l’esglaó d’un metre, quan baixem al de sota, som al del decímetre. Si baixem tres esglaons a partir del metre, ens trobem als mil·límetres, i si en canvi en baixem 6, som al de les micres, al món microscòpic del bacteris. Ara bé, si pugem tres esglaons, som als quilòmetres. I de fet, només en podrem pujar 26, perquè la mida de l’Univers observable és de l’ordre de 10^26 metres (un 1 amb 26 zeros), que són els 26 esglaons. No és gaire, oi? Pujant i baixant 26+6 esglaons passem de la mida d’un bacteri a la de tot l’Univers. La longitud total dels meus axons (igual que la distància a la Lluna) la trobo pujant només 8 o 9 esglaons a partir del metre. Els esglaons, treballant de 10 en 10, arriben on calgui sense problemes.

L’escala del temps és similar. Si ens situem a l’esglaó d’un segon, el de sota és el de les dècimes de segon i el de sobre representa 10 segons. És fàcil veure que en aquesta escala només podré pujar 17 o 18 esglaons, perquè l’edat de l’Univers és de l’ordre de 13 mil milions d’anys i cada any són 31.536.000 segons. No existeix cap període de temps que s’hagi d’escriure, en segons, amb més de 18 xifres en base 10.

Però l’escala de la complexitat és la que ens pot ajudar a entendre el cervell humà. Si l’esglaó de baix de tot representa una neurona, el nombre de neurones que tenim és quasi a l’esglaó 11, i el nombre de connexions sinàptiques es troba a l’esglaó 14 (un 1 seguit de 14 zeros). Curiosament, aquest nombre de connexions al nostre cervell és el mateix que el nombre de bits d’informació a tots els llibres de la biblioteca del Congrés dels Estats Units. Teòricament, hauríem de poder recitar de memòria qualsevol paràgraf de qualsevol llibre d’aquesta (o qualsevol altra) biblioteca…

El nombre d’àtoms a l’Univers és inferior a 10^82 (tota la matèria es troba en els primers 82 esglaons de complexitat, si no anem al món subatòmic), i la informació que portem al genoma, codificada en 6 x 10^9 nucleòtids, correspon a 1,5 Gigabytes (esglaó 10, si pensem que la unitat és el bit d’informació). És clar que la genètica no ho és tot, perquè és impossible que el nostre ADN (esglaó 10) pugui definir el conjunt de les nostres connexions sinàptiques, que es troben a l’esglaó 14 (10^14; vegeu la nota al final). I la cosa encara és pitjor, perquè el 99,9% del nostre genoma és comú a tots els humans, i allò que ens diferencia és ben poc (uns 125 Megabytes d’informació, a l’esglaó 9). Aquest és el miracle dels axons: quan s’han de connectar, rarament miren el genoma. Les connexions sinàptiques entre axons són nostres, no dels nostres pares. Allò que modela i conforma la nostra xarxa d’interacció entre neurones (i el nostre “Jo”) són els estímuls que ens arriben i allò que hem viscut, com bé deia en Xavier Rubert de Ventós.

——

Per cert, la Olivia Muñoz-Rojas diu que l’habilitat que alguns polítics i protagonistes mediàtics tenen per a mentir sense posar-se vermells, convida a reflexionar sobre el rubor, que cal reivindicar perquè és expressió de vida. Comenta que Darwin ja deia que no és el sentiment de culpa el que ens posa la cara vermella, sinó la sospita que altres pensin o sàpiguen que som culpables.

——

NOTA: Al naixement, la quantitat de sinapsis per neurona és de 2.500, però als dos o tres anys, ja és de 15.000 sinapsis per neurona. La vida l’experiència ens connecta axons i neurones.

Les molècules del got d’aigua

dissabte, 29/09/2018

Fa poc vaig llegir l’article que Albert Einstein va escriure l’any 1905 sobre la teoria del moviment Brownià. Poder llegir aquest article que Einstein va publicar als Annals de Física, en versió facsímil, amb les paraules i formules originals que va escriure i revisar ell mateix, va ser un plaer només comparable al de contemplar una obra mestra de la pintura, escoltar Mozart o llegir poesia. He estat dies portant les 18 pàgines impreses de l’article tot el dia amb mi, per així poder assaborir-lo trosset a trosset. El podeu trobar aquí.

Einstein, a l’article, explica essencialment tres coses. En primer lloc, mostra que quan tirem una mica de solut (per exemple, sucre, unes gotes de colorant, o fins i tot pol·len o pols de farina) en un solvent (aigua, però també un gas com l’aire), el comportament del solut és el mateix en tots els cassos, de manera que és possible calcular la seva pressió directament a partir de la teoria cinètica del calor que Ludwig Boltzmann havia enunciat feia pocs anys. Després, troba una formula per a calcular el coeficient de difusió, que mesura la velocitat amb la que el solut s’anirà estenent pel solvent; i, a continuació, dedueix una senzilla expressió que permet calcular el desplaçament mitjà de les partícules de solut durant un cert temps en funció justament d’aquest coeficient de difusió (vegeu la nota al final). La idea és ben senzilla: el solut es va difonent en el solvent perquè les seves partícules o molècules no paren de moure’s en un moviment que anomenem Brownià (en record de Robert Brown), empeses per infinitat de molècules del solvent que xoquen amb elles de manera totalment aleatòria.

I justament, el més bonic de l’escrit d’Einstein és el desenllaç final. Un cop ha deduït les formules que regulen dos comportaments (difusió i desplaçament mitjà) de les partícules de solut, elimina la variable que mesura el coeficient de difusió i obté la formula que podeu veure, amb la grafia original de l’article de 1905, a dalt. Es tracta d’una equació com a mínim sorprenent (vegeu un cop més la nota al final) perquè relaciona una magnitud perfectament mesurable com és el desplaçament mitjà de les partícules de pol·len que suren en un got d’aigua durant el seu moviment Brownià, amb el nombre de molècules d’aigua que tinc al got.

Einstein va entendre que el moviment Brownià era una prova de l’estructura molecular de l’aigua (i d’altres líquids i gasos), però a més ens va explicar com calcular el nombre de molècules. Gràcies a Einstein, ara sabem que cada 18 grams d’aigua contenen 601.698 trilions de molècules, que a cada centímetre cúbic n’hi ha 33.428 trilions, que la massa de cada una d’elles és evidentment un gram dividit per 33.428 trilions, i que el nombre de molècules que tinc en el meu got d’un quart de litre d’aigua és igual a 8 quadrilions i 356.917 trilions. Tot, gràcies a poder mesurar l’efecte que tenen els xocs aleatoris de tota aquesta munió de molècules sobre alguns grans microscòpics de pol·len. Per primera vegada, algú ens havia donat eines per a mesurar el domini atòmic. I la troballa no va ser només la idea, sinó la precisió dels resultats.

Albert Einstein va tancar un capítol de la historia de l’estructura de la matèria amb una elegància indiscutible. Tot havia començat amb Antoine Lavoisier, que l’any 1789, cinc anys abans que el matessin, va escriure el primer llibre de química moderna després de descobrir l’oxigen i els mecanismes de la combustió. Havia continuat amb John Dalton, que, entre 1802 i 1808, va fer la hipòtesi que la matèria estava formada d’àtoms, que els àtoms es combinaven en relacions enteres simples, i que era possible deduir els pesos relatius dels àtoms de diferents elements. I amb Amedeo Avogadro, que l’any 1811, per a combinar els treballs de Dalton sobre l’estructura atòmica de la matèria amb la llei dels gasos de Joseph Louis Gay-Lussac, va fer la gran hipòtesi: que dos volums iguals de gasos diferents, tots dos a la mateixa temperatura i pressió, contenen el mateix nombre de molècules. Molt després, l’any 1874, el químic rus Dmitri Mendeléiev, basant-se en el mètode d’Stanislao Cannizzaro per determinar masses atòmiques de diferents gasos, va establir la llei dels gasos ideals, va poder repartir els elements químics coneguts a la taula periòdica que va proposar quasi en paral·lel amb Lothar Meyer, i va poder predir l’existència d’elements encara no descoberts. Però va ser Einstein qui ens va regalar l’eina per a quantificar-ho tot, explicant-nos com calcular la quantitat d’àtoms o molècules en un mol de qualsevol solvent (el que ara s’anomena nombre d’Avogadro). Per primera vegada, només mesurant els moviments del pol·len vam saber obrir les portes del món atòmic.

Tot plegat, és un exemple sublim d’on podem arribar (més ben dit, d’on poden arribar algunes persones) només pensant i deduint. Perquè la formula d’Einstein que teniu a dalt és el miracle que ens permet saber, mesurant simplement la velocitat de difusió d’un colorant o el moviment del pol·len damunt l’aigua, quantes molècules hi ha al nostre got d’aigua, i quin és el pes (de fet, la massa) de cada una d’elles. Albert Einstein ens va ensenyar que podem entendre allò que és però que no podem veure, si sabem fer bones deduccions a partir del que sí veiem i observem de manera fiable. Observar, pensar, entendre, deduir, descobrir, són els grans principis de la ciència. I després actuar, perquè la ciència és la mare de l’enginyeria. Tot plegat, tenint ben presents dos aspectes essencials. Primer: quan observem, hem d’evitar que ens enganyin i hem d’estudiar els fets amb total objectivitat (això és especialment rellevant, en aquest món de falses veritats). I el segon: quan actuem, no ens oblidem de l’ètica. Nulle dia sine etica.

———

Per cert, l’Amador Fernández-Savater reivindica la capacitat de pensar i actuar, per sortir de la posició espectadora que no canvia res. Diu que sense pensament no hi ha creació, i que sense creació quedem atrapats en alternatives infernals, diu que la lluita és un regal que ens permet aprendre, junt amb els altres.

———

NOTA: L’article d’Einstein de l’any 1905 sobre el moviment Brownià és un viatge pels mètodes moderns de la matemàtica i la física. Utilitza les variables d’estat que ara emprem en l’estudi dels sistemes dinàmics, la teoria cinètica del calor (o dels gasos) de Boltzmann, el concepte de molècula (amb una estimació aproximada del nombre d’Avogadro), la llei dels gasos perfectes, el concepte d’entropia, les lleis de la dinàmica de Newton, de la difusió i de la pressió osmòtica, la integració analítica per a poder quantificar comportaments macroscòpics, la hipòtesi d’independència entre diferents partícules, la interpretació del coeficient de difusió com la constant de proporcionalitat entre les derivades espacials i la temporal a l’equació en derivades parcials de la difusió…

En tot cas, les dues grans aportacions de l’article són la deducció de la formula de la difusió, i la del desplaçament de les partícules. A la primera, Einstein aconsegueix calcular el coeficient de difusió (per exemple, d’una gota de colorant vermell en un got d’aigua) només en funció de la temperatura, la viscositat de l’aigua i el radi de les molècules de colorant. A la segona, dona la formula per a calcular la mitjana quadràtica dels desplaçaments de les partícules (de pol·len, colorant o del que sigui) en una determinada direcció x, en funció del coeficient de difusió i del temps. La formula de dalt surt d’eliminar la variable que mesura el coeficient de difusió que surt a aquestes dues equacions. Permet calcular N (el nombre de molècules que conté un mol de qualsevol substància química) com la inversa de la mitjana quadràtica dels desplaçaments de les partícules (cal observar que Einstein representava el nombre 1 per la lletra “I”), multiplicada per R*T (R es la constant dels gasos i T és la temperatura absoluta en graus Kelvin, vegeu a sota) i dividida pel producte de 3 pi per k i per P (on k és la viscositat del solvent i P és el radi de les partícules o molècules del solut. Per cert, és interessant que la formula contingui el nombre pi, oi? La importància del que és rodó també la trobem al món atòmic…

Aquesta formula de Einstein va permetre, només 4 anys després, que el físic francès Jean Perrin determinés el valor del nombre d’Avogadro N a partir de mesures experimentals del moviment Brownià. Perrin va deduir que el valor de N era 6,7 per 10 elevat a la potència 23. Després, aquest nombre N de molècules que conté un mol de qualsevol substància química s’ha acabat fixant en 6,022 per 10 a la 23. Un mol d’aigua, per exemple, són 18,015 grams o centímetres cúbics d’aigua.

La llei dels gasos perfectes diu que el producte P.V (pressió per volum) és igual a n per R per T, on n és la quantitat de gas (en mols), R es la constant dels gasos, i T és la temperatura absoluta en graus Kelvin.

Aquesta pàgina inclou dues simulacions animades del moviment Brownià.