Arxiu de la categoria ‘Descobriments científics’

On és, la informació?

dissabte, 16/12/2017

Els informàtics som cuiners d’informació. La guardem i la processem. La treballem, la preparem i intentem fer-la més digerible. A mi personalment, m’agrada treballar la informació geomètrica que permet modelitzar i representar la forma de tot el que ens envolta, però hi ha companys que són especialistes en camps tant diversos com el de la informació relativa al color i aparença dels objectes, l’anàlisi de dades, l’estudi d’informació textual, la interpretació d’imatges, el tractament de dades de sensors, la interpretació de la informació que donen els escàners mèdics, l’anàlisi de tot el que hi ha a internet, i molts d’altres. La informació es pot obtenir, emmagatzemar, enviar, compactar, des-compactar, filtrar, comparar, transformar, sintetitzar, i fins i tot crear.

Però, com es guarda? Us heu preguntat alguna vegada com és que les targetes externes de memòria dels nostres telèfons, com la de la imatge, poden guardar fotos, vídeos i documents? On són, les fotos? Ens hem acostumat a aquest estrany món màgic en el que podem veure noticies de tot el món pràcticament en temps real ben asseguts al sofà de casa i en el que podem parlar i veure les persones que estimem mentre caminem pel carrer i mirem la pantalla del mòbil, i ja res ens sorprèn. Però, ben mirat, no deixa de ser meravellós. Hem après a fer uns petits objectes, prims i petits com una ungla, minerals i inerts com les pedres, però que, amb la seva sofisticada estructura interna, poden guardar milers de fotos i vídeos. Són plaques minerals que amaguen un immens volum d’informació. La targeta que veieu a la imatge, de 32 GB, té espai per uns 64.000 llibres com el que ara mateix estic llegint.

L’Emilio Lledó ens parla d’aquest invent màgic que va ser l’escriptura. Ens diu que l’escriptura va ser el primer artifici per subjectar el riu del temps, permetent que el “després” no es dissolgués per sempre i que les paraules pronunciades no s’esgotessin en l’oralitat. Només l’escriptura va poder allargar la vida de la memòria, consolidant una cultura que abans, únicament amb la tradició oral, era immensament fràgil. Perquè quan parlem, estem comunicant informacions a travès de vibracions de l’aire, vibracions efímeres que es perden per sempre més si ningú, en aquell lloc i moment, les escolta. En canvi, l’escriptura aconsegueix el miracle de permetre la comunicació entre dos instants diferents de temps, amb marques a tauletes d’argila o marques de tinta a pergamins que perduren anys i anys. Per això, l’Emilio Lledó diu que el llibre és, abans que res, un recipient on reposa el temps, una presència que, paradoxalment, és carregada d’absències de manera que la lectura conjuga dues temporalitats, la de qui el va escriure i la de qui el llegeix. Jo només afegiria un detall: els llibres són recipients on reposa el temps, però també són regals d’informació. Fins el descobriment de la fotografia i el cine, els llibres van ser pràcticament els únics recipients (o contenidors) d’informació que va tenir la humanitat.

La informació és allò que ens permet conèixer, entendre, tenir arguments, decidir amb coneixement de causa. Però no existeix per sí sola. Li cal un substrat, basat en la matèria o en l’energia. I si no el té, desapareix. La matèria ens serveix per guardar-la, l’energia per enviar-la. Les lletres de tinta a les pàgines dels llibres codifiquen la informació del text en base a unes determinades pautes de forma i ordre. Quan llegim, aquest ordre material ens arriba a la retina gràcies a l’energia d’aquests fotons efímers que surten de la pàgina i que justament existeixen gràcies a uns altres fotons, els de la làmpada de casa. Tot és ben subtil. No podem llegir sense fotons, i els fotons, sense ulls que mirin, es perden junt amb la seva informació. Però la conjunció de pàgines escrites, fotons i mirada fa que la informació arribi al nostre cervell i que quedi emmagatzemada a les connexions entre neurones. És la informació dels llibres, cartells, imatges i vídeos, que ens arriba gràcies a la llum i que acaba guardant-se en petites modificacions de la matèria que conforma el nostre cervell.

Guardem informació visual, auditiva i en general sensorial al cervell, i el nostre cos guarda, a la seqüència de nucleòtids de l’ADN, tota la informació genètica que permetria fins i tot clonar-nos. Creem informació amb tots els correus electrònics i missatges que enviem, informació que al menys durant un temps ens queda guardada als nostres mòbils i portàtils. El vent que s’emporta les espores i llavors, ajuda a disseminar informació de les plantes, a la vegada que informa les abelles de les flors que requereixen pol·linització. Fins i tot rebem informació dels estels, codificada en l’espectre dels fotons de la seva llum. Perquè la informació no és cosa nostra. Fa milions d’anys que va repetint aquest cicle de la informació inherent a la matèria, que s’envia, es rep, es torna a guardar segurament una mica modificada, i així successivament.

Quan veig una targeta Micro-SD com la de la imatge no deixo d’admirar-me. Penso en els primers ordinadors de memòria de nuclis de ferrita, amb els que vaig tenir el privilegi de poder treballar. A la imatge de sota teniu una foto d’un tros d’una d’aquestes memòries, amb 2.500 nuclis. Compareu la mida (el meu dit pot servir de referència) amb la de la targeta de la imatge de dalt, on hi caben 32 mil milions de Bytes. En canvi, com que cada nucli podia guardar un bit, el tros de memòria de la foto podia emmagatzemar uns 312 Bytes. En aquesta web podeu veure el seu funcionament.

Però les memòries de ferrita van desaparèixer amb l’aparició dels circuits integrats i la miniaturització. Vam passar pels grans discs durs, pels disquets, pels CD i pels DVD. Els CD són com camps llaurats, amb solcs que marquen els bits individuals d’informació. Ho podeu veure, per exemple, a les imatges d’aquesta web. I, tornant al principi, on és la informació que guardem en un llapis de memòria o en una targeta Micro-SD? Les memòries flash no tenen nuclis de ferrita ni solcs, sino pous. La targeta de la imatge conté un total de 256 mil milions de pous microscòpics de potencial, ben aïllats, cada un dels quals pot atrapar i guardar electrons sense deixar-los sortir. La informació es guarda en pous plens i pous buits, que codifiquen els bits de tot allò que hi posem. Podem deixar la targeta en un calaix i al cap d’uns anys connectar-la via USB a l’ordinador. Comprovarem que la informació és allà, ben guardada. A les targetes flash no hi ha lletres ni píxels; només pous d’electrons.

La informació és etèria, però sabem que necessita una base material on reposar. És la gran paradoxa, que fa que sigui limitada, en temps, en espai i en volum. Pot durar centenars de milions d’anys, en trossos d’ADN que trobem en restes fossilitzades d’antics animals i plantes. O pot ser efímera, quan per error esborrem allò que acabem d’escriure. Aquest límit temporal és dramàtic. Hem perdut la majoria de manuscrits de l’antiguitat i ens hem de conformar amb el poc que ens està arribant. El temps és inexorable, i acabarà escombrant, moltes vegades de manera aleatòria, gran part del que ara ens sembla important. I també és evident que la immensa majoria de les fotos que es fan els joves d’avui en dia no arribaran pas als seus néts. Però a més és limitada en espai perquè és molt rar que no romangui a la Terra. I ho és en quantitat i volum perquè necessita un determinat substrat material que la emmagatzemi. Per tant, el nombre màxim de bits d’informació té un límit, que és de l’ordre del nombre d’àtoms (o partícules) a l’Univers, i que a la seva vegada és de l’ordre de 10 elevat a la potència 82. Un 1 seguit de 82 zeros. És un valor absolutament gegantí, però és un límit. La informació, a cavall entre la matèria i l’energia, és allò tan estrany, eteri i limitat que ens regalen els llibres quan els llegim a l’ombra d’un arbre.
———

Per cert, Vicenç Villatoro cita un acudit dels temps de Franco, que deia: “En España no se persigue a nadie por sus ideas, siempre que se mantengan en su espacio natural, que es el cerebro”.

Quanta gent hi cap, al món?

dijous, 7/12/2017

És una pregunta que m’he fet moltes vegades. És clar que la quantitat de persones que viuen al món té un límit, i que saber-lo ens pot ajudar a fer les coses una mica millor en aquest segle que estem iniciant. No podem créixer de manera indefinida. Per això em va agradar la pregunta sobre quanta gent pot viure al món de manera sostenible, i per això vaig llegir amb curiositat la resposta de fa pocs dies d’en Pere Puigdomènech a Big Vang. En Pere diu que hem de pensar en els 9.500 milions d’humans que probablement viuran l’any 2050, i que caldrà poder tenir aliments per a tothom. També opina que en aquelles dates és previsible que arribem a una estabilització de la població humana. És un tema polèmic i difícil de contestar des d’una perspectiva de ciència, perquè depèn de molts factors imprevisibles. De fet, hi ha altra gent que considera que la població humana continuarà creixent més enllà dels deu mil milions de persones abans d’estabilitzar-se durant aquest segle.

Tot i que la resposta d’en Pere Puigdomènech no parlava de xifres, adduint que és una pregunta molt difícil contestar de manera categòrica, m’agradaria anar un pas mes enllà i veure si podem dir alguna cosa des d’una perspectiva quantitativa.

Crec que hi ha una constatació que ens pot ser clarificadora: actualment, som 7.600 milions de persones i estem vivint de manera no sostenible. No ho dic jo, ho diu el comitè IPCC de la ONU en informes basats en una anàlisi rigorosa de les evidències, que actualment són acceptats i reconeguts per més del 95% dels experts científics. Es calcula que, a principis del segle XX, al món vivien menys de dos mil milions de persones. Després de la segona guerra mundial, però, el creixement demogràfic es va disparar i en només 50 anys vam passar dels 3.500 milions de persones del 1960 als actuals 7.600 milions. Es pot interpretar com un signe de progrès, al menys per alguns. Però no de sostenibilitat. Per a ser sostenibles, hem de saber viure de manera que els nostres néts i els néts dels nostres néts puguin tenir el mateix entorn ambiental i com a mínim la mateixa qualitat de vida que tenim nosaltres. De la mateixa manera que si uns amics ens deixen la casa uns dies hem de procurar deixar-la igual que la vam trobar en arribar, els nostres descendents tenen el dret de rebre un planeta en bones condicions i nosaltres tenim el deure d’aconseguir-ho. Malauradament, l’IPCC ens recorda que no ho estem fent i que, amb la depredació de recursos i amb l’actual escalfament antropogènic, ens estem acostant al suïcidi com espècie. La Naomi Klein diu que finalment estem començant a acceptar que el canvi climàtic porta al desastre econòmic i a les guerres. Però una prova fefaent que no estem vivint de manera sostenible són els objectius de desenvolupament sostenible de la ONU. En aquests 17 objectius, la ONU ens indica el que cal fer si volem ser sostenibles d’aquí a 13 anys (i per tant, ens avisa que ara no ho som): eradicar la pobresa i la fam al món, assegurar la cobertura sanitària i una bona educació a tothom, garantir la igualtat de gènere, tenir aigua i energia per a tothom, reduir les desigualtats, aturar l’escalfament del planeta, treballar per la pau i per la justícia global, i molts més. No estem vivint de manera sostenible, i només tenim 13 anys per demostrar-nos que, els que ara som al món, ho podem arribar a fer. Ens queda molta feina per poder-nos posar el rètol de sostenibles. Perquè és cert que som 7.600 milions. Però la gran majoria no viuen de manera digna, i això no és sostenible. No podem passar aquest món als nostres besnéts si abans no l’endrecem.

Per tant, el primer dubte és aquest: som capaços de treballar per a que la població actual de 7.600 milions pugui viure de manera sostenible?. No és pas clar, sobretot tenint en compte que les condicions ambientals (sequera, desertització, menys aigua, condicions meteorològiques més extremes) aniran en contra dels objectius de sostenibilitat. Si no ho podem aconseguir, això serà probablement un indicador que el nombre d’habitants que pot viure al món de manera sostenible és inferior als actuals 7.600 milions.

Podem fer diverses hipòtesis i estimacions. Una possibilitat és extrapolar a partir de la densitat de població a diferents països. La superfície habitable de la Terra és de 148.940.000 quilòmetres quadrats, que podem deixar en 134.940.000 si no comptem l’Antàrtida. Per posar només dos exemples, la densitat de població de Dinamarca és de 134 persones per quilòmetre quadrat, i la de les terres de Lleida és de 35. Si tot el món tingués la mateixa densitat que Dinamarca, estaríem parlant de 18.000 milions de persones; si acabés tenint la mateixa densitat que les terres de Lleida, tindríem una xifra de 4.700 milions. I amb la d’Osona, 16.800 milions. És un exercici que permet visualitzar de què estem parlant. Només extrapolant a partir de comarques diferents del nostre entorn, passem de quatre mil a setze mil milions de persones.

Podríem tractar de fer estimacions a partir d’alguns recursos que poden arribar a ser crítics. Com que alguns països (sobretot Africans) tenen greus problemes d’accés a l’aigua, la seva densitat de població haurà de ser forçosament inferior que la que actualment veiem a comarques com les de Lleida, Girona o Tarragona. El mapa d’aquesta pàgina web és ben clarificador. Tindrem noves solucions tecnològiques per accedir millor a l’aigua, però el canvi climàtic ens va en contra. El mateix passa amb la contaminació. La imatge de dalt, d’un satèl·lit de la ESA i que podeu veure a aquesta pàgina web, mostra el grau de contaminació ambiental per diòxid de nitrogen a la zona del sud d’Europa. Els nivells altíssims a Barcelona, Saragossa i Madrid no poden ser més explícits. És una prova del que acabem fent els humans quan vivim massa concentrats. Mirant el mapa, penso que voldria anar a viure a la Cerdanya. I una extrapolació a partir de la densitat de població de la Cerdanya, de 32,4 persones per quilòmetre quadrat, ens dona una població mundial de 4.374 milions de persones.

És clar que la pregunta de quanta gent pot viure al món de manera sostenible és difícil de contestar i que la resposta no pot ser cap xifra exacta, però l’anàlisi quantitativa a partir de diverses hipòtesis i estimacions ens pot ajudar. Podríem continuar fent l’exercici en base a altres recursos crítics, però jo m’atreveixo a fer una predicció: segurament anirem trobant valors del límit de població entre els 4.000 milions i els 16.000 milions. En tot cas, això dels intervals és una estratègia ben aconsellable. Quan sabeu que un determinat fenomen té un límit que d’altra banda és difícil d’estimar, podeu intentar fer moltes prediccions diferents partint de diverses hipòtesis, i al final tindreu un interval de valors en el que probablement es trobarà el límit que voleu saber.

Trobar un interval probable d’entre quatre mil i setze mil és millor que res, però encara ens diu poca cosa. I la meva opinió és que hauríem de pensar més en el limit inferior que en el superior, si volem assegurar la sostenibilitat. Perquè evidentment, la dificultat d’esdevenir sostenibles creix amb la quantitat total de població (els matemàtics dirien que es tracta d’una funció monòtona creixent), i perquè encara no hem pogut demostrar-nos que ara som capaços de viure de manera sostenible. La responsabilitat és totalment nostra, i ho veurem durant els propers 13 anys. Si l’any 2030 aconseguim els objectius de la ONU, podrem assegurar que el nostre límit és de l’ordre dels 8.000 milions. Però si no ho aconseguim, és que el límit, amb les capacitats tecnològiques actuals, és inferior. Els humans, que tant hem après a controlar la natura, ens haurem de controlar a nosaltres mateixos.

——

Per cert, permeteu-me que citi un cop més en en Jason Hickel i en Herman Daly, que diuen que el gran repte de l’enginyeria del segle XXI és fer compatible un fort creixement del nivell de desenvolupament humà a nivell planetari amb una reducció de recursos als països rics.

La personalitat de la Tay

divendres, 1/12/2017

La Tay va ser un robot dissenyat per conversar. Era un “ChatBot“, terme que no és més que una contracció de xerraire (chatter) i robot, i que va ser proposat l’any 1994 per en Michael Mauldin. Aquests robots són programes informàtics que simulen converses, participen en xats, i es comuniquen amb persones. Els més habituals i senzills analitzen paraules clau de la nostra pregunta i construeixen la seva resposta tot consultant una base de dades de paraules i expressions. Moltes vegades els hem de patir en els sistemes telefònics d’atenció al client i en alguns centres de trucades. Són robots de xat específics per a converses relacionades amb un propòsit determinat i no per a qualsevol tipus de comunicació humana.

La imatge, que podeu trobar a aquesta web, és la que van escollir els creadors de la Tay. Val a dir que els robots xerraires són ben peculiars. No són materials. Són conjunts de bits, programes informàtics que necessiten un ordinador per a poder reaccionar i actuar. Els anomenem robots perquè reaccionen als nostres estímuls, actuant i creant respostes. Pertanyen, en definitiva, al que ara anomenem “aplicacions”. En tot cas, la Tay era especial, perquè tenia això que diem “intel·ligència artificial”. Les seves reaccions no estaven programades, sino que eren conseqüència del que havia après. Contestava en base al que “sabia”, i cada nova pregunta li servia per aprendre una mica més. Va ser creat per Microsoft amb aquest nom, Tay, que no és més que un acrònim: “Thinking about you“. Tay va ser dissenyat per imitar la conducta d’una noia nord-americana de 19 anys. Tenia un sofisticat sistema d’aprenentatge profund que li permetia aprendre mentre anava interactuant amb usuaris humans. I el 23 de març de 2016 va iniciar la seva aventura com una usuària més de Twitter. Va ser, però, una aventura ben curta, de només dos dies. En només 16 hores, Tay va enviar més de 96.000 tuits mentre s’anava fent racista i mentre anava enviant missatges cada cop més xenòfobs i amb més càrrega sexual. El van haver de desconnectar i Microsoft es va disculpar públicament.

Tay havia estat dissenyada per a fer-se més intel·ligent a mesura que els usuaris (sobretot els joves) anessin interactuant amb ella i li anessin enviant tuits. Però es va trobar en un entorn on bàsicament només hi havia violència, intolerància i insults. I ràpidament s’hi va adaptar, difonent tot tipus de frases racistes i masclistes i un bon nombre d’invectives d’odi. Va aprendre ben ràpid de tot allò que els humans li van tuitejar. La primera reacció de l’empresa va ser dir que Tay era una “màquina d’aprenentatge” i que algunes de les seves respostes eren inadequades, també indicatives dels tipus d’interaccions que algunes persones tenen amb ella. Però desprès, l’empresa va haver d’admetre que l’experiment no havia anat bé. Tot i que una de les directores de l’empresa, Satya Nadella, creu que aquest tipus de robots de xat són el futur de les aplicacions pels mòbils i que aviat els acabarem tenint al correu electrònic i a la missatgeria, el cert és que cal trobar maneres de prevenir que els usuaris d’internet puguin influir de manera negativa en ells per tal de garantir el respecte als principis ètics.

El sistema d’aprenentatge profund de Tay i de moltes altres aplicacions actuals d’intel·ligència artificial, es basa en una xarxa neuronal de moltes capes, en general més de 10. Justament, el terme “aprenentatge profund” (Deep Learning) es deriva d’aquest fet que es treballa en múltiples capes, capes que treballen d’una manera que recorda el funcionament de les neurones del cervell amb les seves connexions. Cada cop que Tay rebia un tuit, els seus 140 caràcters s’enviaven a la primera capa de “neurones”. Les capes d’una xarxa neuronal són una munió de cel·les, cada una de les quals pot guardar un valor. En aquest cas, les cel·les de la primera capa acabaven guardant informacions diverses sobre el contingut, les paraules i l’extensió del tuit. Després, i a travès del gran entramat de connexions que hi ha entre totes les cel·les de la primera capa i les de la segona, es calculen els valors de les cel·les de la segona capa de manera tal que el valor que acaba guardant cada una d’aquestes cel·les és una barreja, amb coeficients i funcions específiques per cada connexió cel·la-cel·la, de tots els valors de les cel·les de la primera capa amb les que està connectada. Aquest procés es repeteix tantes vegades com capes té la xarxa neuronal, i el que surt de la combinació de valors de les cel·les de la darrera capa és el tuit de resposta. Tot i que l’estructura no és difícil d’entendre, una xarxa neuronal profunda només funcionarà de manera acceptable si els coeficients i funcions associats a totes i cada una de les connexions entre capes estan ben ajustats. I aquests són justament els valors que contenen “l’aprenentatge” que ha anat fent el sistema. Cada nou tuit que rebia Tay generava una resposta, però a més, ajustava una mica els coeficients i funcions associats a totes i cada una de les connexions entre les seves cel·les neuronals. Com a nosaltres, a Tay, l’experiència l’anava configurant i anava marcant la seva personalitat tuitera. L’únic problema és que Tay era massa innocent i s’ho creia tot.

Les aplicacions d’aprenentatge profund basada en xarxes neuronals de moltes capes estan revolucionant la intel·ligència artificial. Cada cop són més a la nostra vida quotidiana i cada cop hi seran més. Traducció automàtica, reconeixement de cares, publicitat personalitzada segons els interessos que se suposa que tenim, i una llista que no s’acaba. Però hem de tenir present que són una eina, i que les eines no serveixen per tot. Els martells van bé per clavar claus, però si tenim un cargol, millor que agafem un tornavís. En aplicacions d’aprenentatge profund, cal tenir en compte com a mínim tres eixos: el d’acceptació d’errors, el de la mida de les dades i el de la seva qualitat. El primer, el de l’acceptació d’errors, té relació amb l’ús que en vulguem fer, i amb un tret inherent a les aplicacions d’aprenentatge profund i a les xarxes neuronals: no sempre l’encerten, a vegades s’equivoquen, i a més és difícil saber el seu grau de fiabilitat. No ens ha d’estranyar. Nosaltres ens equivoquem, i les noves eines de la intel·ligència artificial, que ens volen emular, també. El que passa és que en alguns casos els errors són acceptables i en d’altres, no. Si estem traduint un text i la frase que ens dona el sistema de traducció no té sentit, la corregirem i no passa res. Però si un metge està planificant una operació quirúrgica i el sistema s’equivoca, el resultat pot ser fatal. Per això, en aquest eix d’acceptació d’errors, la traducció automàtica pot conviure amb moltes equivocacions i en canvi la planificació quirúrgica o el disseny de ponts no (per posar dos exemples). El segon eix, el de la mida de les dades, indica una cosa força lògica. Ens diu que l’aprenentatge automàtic millora a mesura que incrementem el nombre de dades que li subministrem per a que aprengui. I el tercer, el de la seva qualitat, ens fa veure que l’aprenentatge necessita dades fiables, ben contrastades i diverses. En aquest context, ara sabem que les aplicacions d’aprenentatge profund basades en xarxes neuronals són eines que només serveixen quan podem acceptar un cert nivell d’errors, quan podem fer que aprenguin amb moltíssimes dades (l’anomenat Big Data) i quan aquestes dades són de qualitat. És el que passa justament a la traducció automàtica: Google, per exemple, disposa de moltíssims exemples de traduccions de qualitat, fetes per traductors professionals, que utilitza per a que els seus sistemes aprenguin. I això és justament el que no va passar amb el robot Tay, que bevia d’informació esbiaixada i de baixa qualitat. I és el perill de moltes aplicacions i sistemes que ens poden arribar (una de les quals són les polèmiques i molt perilloses armes autònomes). Cal estar ben atents, perquè la intel·ligència artificial pot ser una bona eina en aquells casos en que ens trobem ben situats als tres eixos, però pot ser funesta si la volem fer servir per allò que no ens pot resoldre.

Si voleu tenir un sistema de resposta automàtica a consultes no crítiques i sabeu com preparar un bon mecanisme d’aprenentatge basat en moltíssimes dades fiables, les aplicacions d’intel·ligència artificial us poden aportar una bona solució. Però si el que voleu, per exemple, és dissenyar un rellotge de sol, no us hi penseu, i apunteu-vos als algorismes clàssics de la geometria i astronomia. I si no us podeu permetre que el sistema de resposta automàtica s’equivoqui, penseu en solucions alternatives, fiables i deterministes. Els martells, usem-los per clavar claus.

——

Per cert, en Ferran Sáez Mateu diu que les anomenades “xarxes socials” estan substituint o, com a mínim, començant a desplaçar la noció clàssica d’opinió pública. Pensa que el periodisme del segle XXI ha de ser capaç de perfilar una identitat pròpia en relació a la de les xarxes socials.

Arriben els nous temps de l’energia

divendres, 24/11/2017

Hi ha imatges que no necessiten explicació. Aquesta del costat és d’aquesta pàgina web de Lazard, ens diu el que no sempre ens acaben d’explicar bé. Mostra l’evolució temporal del cost anivellat de l’electricitat (LCOE) i compara les diferents maneres de generar aquesta electricitat.

L’LCOE, o cost anivellat de l’electricitat, és una mesura per comparar  mètodes de generació d’electricitat de manera consistent. Avalua el cost total mitjà de construir i operar una determinada central generadora d’energia al llarg de tota la seva vida útil, dividit per la producció total d’energia d’aquest sistema durant tota la seva producció. De fet, també es pot pensar que és el cost mitjà de l’electricitat, que permet calcular el preu de venda als consumidors un cop li afegim costos de distribució per les xarxes, beneficis i impostos diversos.

És clar que la mesura LCOE no té en compte factors ambientals ni d’escalfament del planeta, que ens donarien una dimensió diferent d’estudi en la que les energies clarament guanyadores serien les renovables. Ara bé, estudiant només l’LCOE, la conclusió ja és molt il·lustrativa. Mireu les gràfiques de la imatge, que podeu consultar amb més detall en aquesta pàgina web. Es tracta de costos reals, sense afegir-hi cap dels subsidis que apliquen i atorguen els governs. Veiem, per exemple, que el cost de l’energia eòlica ha estat sempre (des de l’any 2009) més baix que els de les centrals de carbó i nuclears, i que és més baix que el dels sistemes de producció amb gas natural des de l’any 2010. L’energia solar amb tècniques d’escala cristal·lina va passar a ser més barata que el carbó i les nuclears l’any 2013, i va acabar tenint un cost més baix que el dels sistemes de producció amb gas natural l’any 2015. A més, en el primer gràfic de la mateixa pàgina web, podem veure per exemple que el cost de l’energia produïda pels motors dièsel alternatius és el més alt de tots (més que les renovables, més que el gas, més que el carbó i les nuclears).

El cost de generar energia a partir de tecnologia fotovoltaica solar continua disminuint, i el cost mitjà d’aquesta energia fotovoltaica a escala de serveis s’ha reduït aquest any aproximadament un 11% respecte a l’any passat. L’energia renovable ha passat a ser més neta i més barata. Què esperem a elaborar i consensuar plans a llarg termini com el que tenen a Alemanya o com el de Dinamarca, quan sabem que cada any que passa estem fent més difícils les condicions en que hauran de viure els nostres néts? Sembla però que, a les nostres latituds, els agents socials estan més preocupats pel menjar d’avui mateix que per la reconversió i per la planificació sostenible a mitjà i llarg termini (segons el que es dedueix del que comento a continuació…).

——
Per cert, sindicats i patronal han demanat al govern espanyol que el trànsit a les renovables es faci de manera gradual i no rupturista, “sobretot si tenim en compte que Espanya és una potència mundial com a productor de vehicles gasolina i dièsel, així com de les seves parts i components”. Gran visió de futur.

Negociació, informació i restriccions

dijous, 9/11/2017

Si dic que portem la negociació als gens, estic fent una afirmació que és molt més certa del que podem arribar a pensar. Perquè de fet som un pacte: el pacte que va resultar d’un sofisticat mecanisme que va involucrar l’ADN de la nostra mare i el del nostre pare.

Tots sabem que l’ADN és el contenidor de la informació genètica que explica els nostres trets, físics i fins i tot de caràcter. L’ADN humà es troba repartit en 23 parells de cromosomes, que contenen gens amb cadenes de nucleòtids. El que no és tan conegut, però, és el mecanisme de transmissió genètica de pares a fills. Quasi totes les nostres cèl·lules són diploides i contenen dues “versions” de cada cromosoma. Les úniques que no ho són, però, són les cèl·lules sexuals o gàmetes, que contenen una única còpia de cada cromosoma. El mecanisme de divisió cel·lular que produeix cèl·lules sexuals a partir de les diploides s’anomena meiosi.

L’interessant de tot plegat és que aquestes dues “versions” de cada cromosoma que tenim a totes les nostres cèl·lules excepte les sexuals, són directament una “petjada” de cada un dels nostres dos pares. Dit d’una altra manera, la meitat del nostre ADN ve directament de la nostra mare (sense cap modificació), i l’altra meitat, del nostre pare. Tal vegada els nostres pares ja han mort, però dins nostre, a cada una de les nostres cèl·lules, continuem tenint part del pare i part de la mare, en una coexistència que perdura fins la nostra desaparició. Les dues “versions” de cada cromosoma que tenim a cada un dels 23 parells no són més que els gens i nucleòtids que van aportar un i altre en el moment de la fecundació (vegeu la nota al final). La fecundació no barreja, només conserva el que li arriba d’una i altra banda.

El pacte genètic que ens va crear va ser fruit d’una negociació que no podia ser més neta i justa. Com que cap dels nostres progenitors podia imposar la seva marca genètica, i com que és clar que la informació genètica dels fills no pot ser més gran que la de cada un dels dos pares, tots dos van començar renunciant a la meitat de la informació dels seus nucleòtids. L’evolució ha construït un mecanisme de reproducció que comença cedint, de manera que cada progenitor renuncia a la meitat de la seva informació genètica (vegeu un cop més la nota al final). Com que la informació genètica no pot créixer constantment (aquesta és la restricció inherent als mecanismes reproductius), la negociació genètica ha d’assolir un pacte en base a la renúncia de la meitat del que tenen un i altre. Aquesta pàgina web mostra una animació, de la qual he obtingut la imatge de dalt, que ho explica gràficament.

El resultat d’aquest mecanisme que ha anat refinant l’evolució durant milions d’anys és extraordinari. La quantitat d’informació genètica es manté constant al llarg de les generacions (és de l’ordre de tres mil milions de nucleòtids o, el que és el mateix, 3 milions de kilo-bases) amb un sistema reproductiu que assegura aquesta restricció en base a un admirable i robust mecanisme de pacte. Som fruit de la cooperació, amb un ADN que sap cedir. Desconeixem els orígens de la vida, però és probable que alguns dels primers organismes no volguessin pactar la seva informació genètica. Si van existir, eren petits éssers vius que volien guanyar sense cedir ni pactar. Però ja no hi són, no en queda cap.

És sorprenent que els humans no tinguem aquesta capacitat de cedir que sí que tenen les nostres cèl·lules. Ni som conscients dels límits i restriccions, ni, quan parlem i discutim, som massa propensos a deixar de banda part del que volem. En paísos amb cultura democràtica recent, com el nostre, la paraula “vèncer” és més atractiva que “cedir” o “negociar”, i competir és més encisador que cooperar. Però, mentre les espècies animals i vegetals són força estables i van evolucionant lentament, la condició humana i les ganes de guanyar estan incrementant de manera molt preocupant i quasi suicida les desigualtats al món. Com bé diu l’Eudald Carbonell, encara som a l’era de la pre-humanització. I el repte és cada cop més urgent, si no volem desaparèixer com a espècie. La supervivència, al segle XXI, en un món on ja no podem conquerir més terres, en aquesta nau espacial Terra on som, implica gestionar bé, dialogar, respectar els drets humans, i no pensar més en vèncer. Si aconseguim sobreviure, ens anirem humanitzant a mesura que aprenem a escoltar i a usar únicament la negociació i les eines democràtiques per a resoldre els conflictes.

———
Per cert, l’Alfred de Zayas, en un informe de l’oficina de l’Alt Comissionat de l’ONU pels Drets Humans, demana a les autoritats espanyoles que es posin a negociar amb els líders catalans. Diu que l’única solució democràtica a l’impasse actual és suspendre les mesures repressives i organitzar un referèndum per determinar els veritables desitjos de la població afectada. Referèndum que diu que hauria de ser supervisat per la UE, l’OCDE i observadors privats, inclòs el Centre Carter.

———

NOTA: Pensem en un qualsevol dels 23 parells de cromosomes, per exemple el primer. La meva mare té el parell que anomenaré (M1m, M1p) de manera que el cromosoma M1m (amb tots els seus gens i nucleòtids) ve directament de la meva àvia materna i el M1p és del meu avi matern. D’altra banda, aquest primer parell del meu pare el podríem anomenar (P1m, P1p) de tal manera que el cromosoma P1m ve directament de la meva àvia paterna i el P1p és del meu avi patern. Cada cop que es genera un òvul, aquest passa a tenir un únic cromosoma O1 a partir de la barreja, en part aleatòria, del material genètic de M1m i M1p. L’òvul, en lloc de 23 parells de cromosomes (46 cromosomes en total), només té 23 cromosomes O1… O23. I, cada cop que es crea un espermatozoide, aquest passa a tenir un únic cromosoma E1 a partir de la barreja, en part aleatòria, del material genètic de P1m i P1p. L’espermatozoide, en lloc de tenir 46 cromosomes agrupats en 23 parells, només té 23 cromosomes E1… E23. Els nostres 23 parells de cromosomes són (O1, E1), (O2, E2), … (O23, E23). Cada un d’ells conté informació directa de la meva mare (que a la seva vegada, és el resultat d’una negociació genètica entre els dos cromosomes corresponents dels meus avis materns) i informació directa del meu pare que prové de la barreja d’informació dels meus avis paterns.

La suor de la Terra

dijous, 2/11/2017

Tots sabem que quan tirem una pedra enlaire, cap al cel, arriba més o menys amunt en funció de la velocitat amb que la tirem (vegeu la nota al final). És possible tirar-la amb tanta força que la pedra ja no torni, sino que acabi escapant a l’atracció de la Terra i fugi cap a l’espai exterior?

Molta gent hi va pensar, en això. És, per exemple, el que ens proposava Jules Verne a la seva famosa novel·la de ciència-ficció. Els protagonistes utilitzaven un canó per donar al coet la velocitat inicial que necessitaria per arribar fins la Lluna (sense pensar massa en els efectes, decididament mortals, que el seu llançament hauria tingut en els tripulants). Però, realment hagués pogut arribar a la Lluna, el coet llençat pel canó Columbiad?

La resposta ens ve de la física. La velocitat necessària per escapar a l’atracció del nostre planeta és de 11,2 Km. per segon. La Carme Jordi ho explicava molt bé fa pocs dies. Si un objecte, gran o petit, té una velocitat més petita que aquests 11,2 Km. per segon, mai podrà sortir de l’atracció de la Terra. Però en canvi, si va més de pressa que aquests 11,2 Km. per segon, la Terra no el podrà retenir i sortirà directament a l’espai exterior. La física ens diu que aquesta llei és vàlida per a tot, sigui gran o petit. S’aplica als satèl·lits que volem enviar a estudiar altres planetes, a les pedres, als grans de sorra, a les molècules, als àtoms i a les seves partícules. Res pot escapar a la Terra si no té una velocitat de 11,2 o més Km. per segon. I arribar-hi no és pas fàcil, perquè aquesta velocitat és 33 vegades la velocitat del so. És una velocitat que, en 9 segons, ens portaria a una distància de 100 quilòmetres. Decididament, el canó del viatge de la Terra a la Lluna de Verne no hagués servit per arribar a l’astre dels dilluns.

La velocitat mitjana dels àtoms d’oxigen i nitrògen de l’atmosfera a temperatura ambient és supersònica, però no arriba a doblar la velocitat del so. És molt inferior, per tant, a la velocitat d’escapament. És clar que aquest és un valor mitjà i que alguns àtoms poden tenir en algun moment una velocitat bastant més elevada, però és realment improbable que arribin ells sols als 11,2 Km. per segon. En canvi, els darrers anys, els astrònoms han constatat que constantment, hi ha una mica d’atmosfera de la Terra que escapa en direcció a la plasmasfera i la magnetosfera. Les observacions han mostrat columnes esporàdiques de plasma que pugen a la plasmasfera, viatgen cap als extrems de la magnetosfera i que acaben interactuant amb el plasma del vent solar de l’espai exterior. El fenomen encara no s’entén gaire, però sabem que existeix aquest flux constant i continu de matèria, amb ions d’oxigen, hidrogen i heli, que deixa l’atmosfera i creua la plasmasfera, principalment a les regions polars. Es tracta d’unes 90 tones cada dia. Una possible explicació és que aquests ions incrementen la seva energia i velocitat i acaben podent fugir gràcies a l’impuls de la seva interacció amb els camps magnètics produïts pel vent solar i pel nostre planeta. Matèria que fuig i que podríem batejar com la suor de la Terra.

Ara bé, mentre aquestes partícules fugen, n’hi ha moltes altres que ens van caient del cel. Són els meteorits i micrometeorits. És difícil estimar-ne el volum total, però, segons els astrònoms de la Universitat de Cornell, la massa de material que cau anualment a la Terra oscil·la entre 37.000 i 78.000 tones (val a dir que la major part d’aquesta massa és deguda a partícules finíssimes, de pols còsmica). En altres paraules, cada dia ens cauen del cel entre 101 i 214 tones de matèria. Per cert, aquesta pàgina web del grup d’astrònoms de Cornell és molt recomanable. Explica amb rigor força coses que tal vegada ens poden interessar…

L’atmosfera del nostre planeta té fuites, i la seva suor, feta de molècules que han aconseguit assolir la velocitat d’escapament de 11,2 Km. per segon, envia cada dia unes 90 tones de material a l’espai exterior. Són gasos lleugers que marxen de l’atmosfera exterior del nostre planeta. Però no hem de patir massa. Primer, perquè, encara que no ens ho sembli, el pes total de l’atmosfera és d’unes 5.000.000.000.000.000 tones. No hi ha perill de quedar-nos sense aire. Però a més, hem vist que ens arriba més material del cel del que se’n va. En altres paraules: la Terra no perd, sino que guanya; es va engreixant de mica en mica. El planeta blau de la imatge de dalt continuarà sent blau i respirable sempre que els humans no fem massa ximpleries.
————

Per cert, en Pere Ortega cita Hannah Arendt, que ens va advertir que de la violència mai sorgeix el poder mentre que el poder només sorgeix de l’acció política. Hannah Arendt deia que la violència sorgeix quan hi ha absència de poder, quan el poder està en perill i es recorre a la violència armada per implementar-lo per la força.

————

NOTA: En el cas que tirem una pedra o un petit objecte enlaire, sabem que la seva energia cinètica és la meitat del producte de la seva massa per la seva velocitat al quadrat. Si ho fem bé i la tirem exactament en direcció vertical, anirà disminuint de velocitat mentre puja, i arribarà a una alçada tal que la seva energia potencial (massa per gravetat per alçada) sigui igual a l’energia cinètica inicial. En aquest moment haurà emprat tota l’energia inicial en la pujada, i s’aturarà un moment abans de començar a caure. L’alçada és ben fàcil de calcular, perquè si igualem les dues energies, veiem que el quadrat de la velocitat inicial és igual a 2 per l’acceleració de la gravetat i per l’alçada. Ara bé, això només és cert prop del terra. Si la velocitat inicial de l’objecte és molt gran i aquest puja molts quilòmetres, cal integrar i tenir en compte la variació de l’acceleració de la gravetat a mesura que ens allunyem del centre de la Terra. Si fem bé els càlculs, trobarem que, per a que l’objecte pugi i ja no torni a caure, la velocitat inicial ha de ser superior a 11,2 Km/segon.

Les mostres aleatòries i el consens

dijous, 19/10/2017

La imatge mostra un petit tros del conjunt de punts que obtenim amb un sistema d’escaneig de tipus LIDAR quan estem capturant i reconstruint una zona urbana. El sistema detecta, genera i ens dona milions de punts a l’espai, cada un d’ells amb les seves coordenades (x,y,z) i el seu color. El que veiem aquí a l’esquerra no és més que una munió de punts 3D (una mena de núvol), que podem analitzar i visualitzar interactivament. Mireu, per exemple, aquest vídeo o bé aquest altre. Els punts d’aquests núvols, però, són aproximats, perquè els sistemes d’escaneig, com tots els sensors, malauradament introdueixen errors. Errors que es fan més grans a mesura que els edificis que volem capturar, com el de la imatge, són més lluny.

Pensem ara en el problema de detectar, de la manera més exacta possible, la façana dels edificis. Només sabem que habitualment, les façanes són planes i verticals. Com la podem reconèixer i detectar, si només tenim punts i tots ells són aproximats? Què hem de fer per eliminar i no considerar tots aquells punts “atípics” (anomenats outliers en anglès) que poden emmascarar el resultat, com per exemple els punts de les fulles dels arbres que són propers a les façanes?

Sortosament, tenim una solució. L’algorisme RANSAC, proposat l’any 1981 per Martin Fischler i Robert Bolles, ens pot resoldre el problema. És un algorisme que cerca el consens a partir de mostres aleatòries. Podem tenir milers o milions de punts, això no importa massa. N’escollim N (per exemple, 50) a l’atzar. Fem la hipòtesi que aquests N punts són de la façana que volem detectar, i calculem un pla vertical F que els aproximi. Això no ha de ser difícil, perquè podem utilitzar tècniques de regressió i perquè només estem utilitzant un conjunt reduït de N punts. I ara ve el pas important: analitzem quin consens té aquest pla F entre tots els altres punts. Això tampoc és complicat. Només necessitem una tolerància que anomenaré T (per exemple, un centímetre). Llavors, per cada un de tots els altres punts del núvol, mirem si la seva distància al pla F és o no més petita que T. Si és més petita, és que aquest punt “accepta” el pla F. A final, acabem tenint una mesura del grau de consens que genera aquest pla F, en base al percentatge de punts que l’accepten. La resta de punts, en canvi, són atípics (outliers) en relació a F. fet això, en aquest moment ja hem aconseguit tenir una primera estimació de la façana. Però ara, l’algorisme RANSAC repeteix tot el procés amb uns altres N punts a l’atzar, troba un nou pla F’, compara el grau de consens de F i F’, i es queda amb el que en té més. I això ho va repetint una i altra vegada, comparant cada vegada el consens del nou pla amb el millor consens de tots els anteriors, fins que decidim que l’aproximació de la solució ja és prou bona.

L’algorisme RANSAC és no determinista, perquè les mostres són aleatòries. A més, només és segur que ens trobarà la millor solució possible si no tenim pressa i el deixem que vagi provant anys i anys. Si, en canvi, l’aturem en un cert moment, només podem afirmar que la solució serà correcta amb una certa probabilitat. En tot cas, l’experiència demostra que en general acaba donant molt bons resultats i separant les dades útils (inliers) de les atípiques (outliers) en un temps raonable. Un cop separats, podem eliminar aquests punts atípics i quedar-nos amb els punts que ens determinen bé la façana, perquè RANSAC ens ha detectat tot allò que ens pertorbava la solució del problema.

Els humans, de fet, no som tan lluny d’aquest consens de mostres aleatòries. Si fem l’exercici de substituir núvols de punts per grups socials i rellegim els paràgrafs de dalt pensant en persones en lloc de punts, l’algorisme RANSAC segurament ens recordarà el nostre comportament quan escollim comissions, votem representants, o bé discutim projectes urbanístics o d’altre tipus que les administracions exposen públicament. En tots els casos, l’objectiu és obtenir el màxim de consens de la resta de la societat. La única diferència amb l’algorisme RANSAC és que nosaltres aviat ens cansem, mentre que ell no. No és fàcil, això de canviar la mostra. Costa canviar i fer refer projectes, costa renovar comissions i revocar representants per tal de millorar el consens. És així. És la condició humana. Per bé i per mal, no som màquines.

———
Per cert, en David Fernàndez diu que segurament, l’única contrarevolució en marxa avui és l’ofensiva autoritària, devastadora i neoliberal que recorre el planeta. Replegaments de la por i una estranya retrotopia, diu, quan en difícils temps de crisi l’extrema ambigüitat de la condició humana es dirimeix sempre, antagònicament, entre la brutalitat i la cooperació.

Bernoulli, allò que és inútil, i el que és útil

dijous, 12/10/2017

L’any 1738, el matemàtic holandès Daniel Bernoulli, en el seu llibre sobre hidrodinàmica, va exposar l’equació que relaciona la velocitat i la pressió en fluids no viscosos en base a la conservació de la seva energia. Bernoulli va veure que, en els fluids estables i incompressibles, la suma de tots els termes d’energia al llarg de qualsevol línia de corrent és idèntica a tots els seus punts (vegeu la nota al final). De fet, el seu resultat és conseqüència de les lleis de Newton: si un petit volum de líquid flueix per una canonada plana i va d’una zona d’alta pressió a una altra de baixa pressió, experimenta més força al darrere que al davant i això fa que aquest volum s’acceleri al llarg de la línia de corrent. El principi o equació de Bernoulli és un bon exemple de troballa científica, perquè descobreix noves lleis de la natura i ens ajuda a entendre una mica més el món. Però, ben mirat, no sembla que hagi de ser molt útil, oi?

Fa pocs dies, un company em va passar un escrit deliciós. El va escriure l’Abraham Flexner l’any 1939, i parla de la utilitat del coneixement inútil. En Flexner explica que el món és un lloc perdut i confús, però que els poetes, artistes i científics sempre han estat capaços d’ignorar els factors que els haguessin pogut paralitzar i bloquejar. Observa que mentre que la vida intel·lectual i el cultiu de l’esperit són activitats inútils si les mirem des d’un punt de vista pràctic, acaben produint una forta satisfacció a qui les exerceix. Ara bé, el que és interessant és que aquesta activitat creativa dels científics, que moltes vegades no té altre objectiu que la cerca del plaer associat a les troballes i descobriments, genera, de manera inesperada, resultats útils que ens acaben canviant la vida. Explica que la característica probablement més rellevant del pensament modern és la curiositat. I que aquesta, per poder volar lliurement, no pot coartar-se. Els exemples que presenta, de Galileo a Newton, de Maxwell a Hertz, d’Euclides a Gauss i molts altres, són definitius. Tots ells van ser extraordinàriament creatius perquè van gaudir, en paraules d’Abraham Flexner, d’una llibertat acadèmica absoluta sense cap compromís, la qual cosa va acabar tenint una importància cabdal en els seus descobriments. I, al cap d’uns anys, les troballes de tots ells van possibilitar l’invent de sistemes i ginys que ara usem cada dia. Flexner proposava per tant que les institucions d’ensenyament superior haurien de tenir com a objectiu el cultiu de la curiositat sense considerar cap tipus d’aplicabilitat immediata (cosa que serveix per als científics però també per poetes, artistes i altres àmbits creatius). Perquè no som massa lluny els uns dels altres, com bé ens explicava, fa poc, en George Steiner. Cal dir que l’Abraham Flexner va ser director de l’Institut d’Estudis Avançats de Princeton, un lloc privilegiat on els investigadors d’elit no tenen deures, només oportunitats i bones condicions per poder pensar i crear.

Bernoulli no va pensar en la utilitat de les seves equacions. Les va obtenir mogut per la curiositat, va gaudir-ne, i va tenir la satisfacció de veure que era una bona explicació del que passava a la realitat. Però durant 170 anys, el seu principi va romandre tancat als laboratoris i a les universitats de ciències. Era una llei interessant però força inútil. Finalment, a principis del segle XX, l’alemany Martin Wilhelm Kutta i el rus Nikolai Jukovski la van utilitzar per demostrar el teorema que porta el seu nom, el de Kutta-Joukowski. Aquest va ser el resultat que permetre dissenyar bones ales i construir ginys que per primera vegada a la historia van emular el vol dels ocells. El teorema de Kutta-Joukowski explica per què l’aire flueix més ràpidament per damunt de l’ala que no per sota, i per què les ales dels avions fan que puguin volar sense caure. El resultat estrany i quasi poètic de les troballes de Bernoulli, passat per la mà de Kutta i Jukovski, el podem admirar cada vegada que veiem enlairar-se un avió o un helicòpter.

Ara, al segle XXI, estem tornant a recuperar Bernoulli. Perquè, mentre que la revolució industrial va substituir els vaixells de vela pels de motor, l’actual crisi ambiental ens torna a obrir els ulls a l’ús del vent. El vent és una solució òptima pel transport marítim perquè és sostenible, de fàcil accés, de baix cost i perquè no genera emissions. Els sistemes de propulsió de vaixells assistits pel vent es poden basar en diverses solucions: veles rígides, rotors Flettner, o aerogeneradors entre d’altres. Totes elles actuen com a sistemes auxiliars que permeten reduir el consum de combustible quan fa vent. La imatge de dalt, que he obtingut d’aquesta pàgina web, mostra un exemple de vaixell amb veles rígides. Consisteix en diverses làmines aerodinàmiques verticals, que poden girar per adaptar-se a la direcció del vent. Estan fetes de material dur, per millorar la fiabilitat de tota l’estructura, i poden incloure flaps per augmentar la seva eficiència. És una solució òbvia i ben elegant, que sembla estrany que hàgim trigat tant de temps en descobrir, mentre estàvem ben abduïts pel gasoil.

Mira per on, el principi de conservació de totes les formes d’energia mecànica al llarg de qualsevol línia de corrent de l’aire en moviment, que Bernoulli va formular fa 280 anys, és el que ajudarà els vaixells a navegar amb energia verda. Una demostració més de la utilitat del coneixement inútil.

———

Per cert, la Marina Garcés diu que la seva Barcelona és una ciutat a la qual no li agrada el poder, una dona lliure, una princesa que no vol regne ni marit. Diu també que els colors amables del mapa dels estats al món són el resultat de la geografia de la guerra.

———

NOTA: Bernoulli va veure que, en els fluids estables i incompressibles, la suma de totes les formes d’energia mecànica al llarg de qualsevol línia de corrent és idèntica en tots els seus punts. Aquesta suma, a la formulació de l’equació de Bernoulli, té tres termes: el d’energia cinètica que depèn del quadrat de la velocitat, el d’energia potencial gravitatòria que només es modifica si el fluid puja o baixa, i el de pressió dinàmica que és proporcional al valor de la pressió.

Què és la veritat?

divendres, 6/10/2017

Fa pocs dies vaig tenir el privilegi de visitar les excavacions de Càstulo, de la mà de Marcelo Castro, director d’aquest conjunt arqueològic i un dels experts actuals en arqueologia romana. Com diu en Javier Esturillo, en Marcelo és un home senzill, entusiasta, i que té un especial poder de seducció. Jo afegiria que és un científic. Durant dues hores vaig quedar atrapat per les seves explicacions i pel que ens anava comentant d’aquesta ciutat soterrada, a 7 quilòmetres de Linares, de la que encara hem d’esperar per saber-ne molt més. Ens va parlar del Mosaic dels Amors i de la meravellosa patena de vidre que hi han trobat. I ens va explicar el procés de construcció de les teories arqueològiques. Al principi de les excavacions, deia, els voluntaris quedaven molt sorpresos de les llargues discussions entre els experts arqueòlegs, en reunions en què cada un d’ells defensava amb la màxima tenacitat la seva teoria; totes elles eren dispars i contraposades. Ara, bé, amb el temps, cada pedra i cada objecte que trobaven era una nova evidència, que descartava certes opcions mentre reafirmava d’altres possibilitats. Cada petita pedra era una espurna, un regal de fa vint segles que els portava una mica més de llum. La gran sorpresa d’aquells mateixos voluntaris era veure que, al cap d’uns mesos, a les reunions s’havia deixat de discutir i hi havia consens. Les dades havien anat modelant la teoria que ara tots feien seva. En un procés de refinament basat en allò que els explicaven les pedres, tots havien anat fent una transformació mental que els portava al consens, en un camí que havia començat amb múltiples veritats individuals i acabava amb la construcció d’una teoria altament versemblant.

En Michael Shermer diu que hem de ser sempre conscients de quines són les evidències en què basem les nostres afirmacions. El nombre de pàgines que veig que té el llibre que estic llegint, és cert per observació. L’afirmació que diu que l’univers va començar amb el big bang és altament probable que sigui certa, per la confluència i concordança d’experiments molt diversos com l’observació del fons còsmic de micro-ones, la distribució de galàxies, el desplaçament cap al vermell de la seva llum, l’expansió de l’univers i la gran quantitat d’elements lleugers com l’hidrogen i l’heli. Altres afirmacions, en canvi, són personals i només són verificables per validació interna. És el que passa, per exemple, quan dic que la xocolata negra és millor que la xocolata amb llet. En tot cas, Shermer explica que cal aplicar el principi de proporcionalitat: com més rar és el que ens diuen i ens volen fer creure, més proves i evidències hem de demanar. I, quan cerquem una explicació per un determinat fet, el consell és analitzar sempre diverses alternatives i quedar-nos amb la més probable. Perquè en ciència no hi ha veritats absolutes. Les afirmacions i teories es basen en dades, experiments i evidències i sempre tenen una certa probabilitat de ser incorrectes.

Els teoremes, en matemàtiques, són veritats perpetues. A les ciències experimentals, en canvi, la veritat no existeix, només és probable i caduca. I, si pensem en les persones, encara menys: cada un té la seva, que va construint i adaptant al medi. Per això, més que parlar de veritats, probablement hauríem de parlar d’evidències contrastades, basades en dades i en els fets. Perquè la ciència es basa en llegir molt per intentar saber el màxim del que s’ha fet fins ara, en no donar res per cert ni per segur, en cercar i obtenir evidències empíriques, i en plantejar i publicar, en base a tot l’anterior, noves hipòtesis, teories i solucions que sabem que seran caduques i que només són certes amb una determinada probabilitat.

La ciència, però, s’ha dotat de mecanismes de filtrat per incrementar el més possible aquesta probabilitat. Són els mecanismes de revisió de les revistes científiques. Els articles amb els nostres resultats i teories que enviem a aquestes revistes, són revisats per determinats investigadors anònims, que analitzen si el que diem mereix ser publicat o no. Aquest procés, que és molt més sever a les revistes de prestigi, actua com a control de qualitat i acaba garantint que el que finalment es publica sigui més fiable. És un procés no exempt d’errors, és clar. Però funciona millor que altres perquè garanteix que sempre que llegim un article en una revista científica, sabem que al menys hi hagut algunes persones que se’l han llegit i que l’han acceptat (sempre és més fiable l’opinió de lectors experts que la dels propis autors). El sistema basa la credibilitat del que llegim, en aquest filtre construït sobre l’opinió de revisors anònims i en el fet que algunes revistes són “més bones” que altres perquè apliquen filtres més estrictes. En el món de la ciència, la fiabilitat de qualsevol resultat es basa per tant en indicadors que inclouen el tipus de revista que el publica i el grau de reconeixement internacional dels autors, indicadors que d’alguna manera ens mostren la seva auctoritas: la capacitat moral dels autors per emetre una determinada opinió qualificada. La credibilitat dels resultats, això sí, implica esforç i moltes frustracions sobretot per part dels joves investigadors, que han de veure i acceptar moltes vegades com se’ls rebutgen treballs que ells consideren d’alta qualitat. És el preu que cal pagar, en un mecanisme que molt sovint acaba demanant superació, esforç i perseverança.

En canvi, però, la informació a internet en general no inclou cap filtre. Podem dir tot el que volem i fins i tot, insultar i ser poc tolerants. Sempre hi haurà qui ens llegeixi i tal vegada podem acabar fent-nos virals amb qualsevol bajanada. El cas recent de Mary Beard és molt significatiu. Encara que tinguis proves sobre la diversitat ètnica i cultural al Regne Unit, per exemple, si ho publiques a internet, pots rebre un allau d’insults. No importa que tinguis evidències que confirmin el que dius. A internet, les opinions refrendades no són més sòlides ni més acceptades que les mentides i els mites. Per això, quan accedim a la informació de les xarxes i a internet, hem d’estar molt preparats. Perquè, com que no hi ha filtres previs, el filtre l’hem d’aplicar nosaltres. En un escenari en què tothom pot dir el que vulgui, la responsabilitat és dels qui rebem i llegim la informació, perquè a l’època de la postveritat, ja no sabem què és veritat. La única solució és la post-ratificació de tot. No creure’ns res d’entrada, no reaccionar al moment, comprovar amb altres fonts, esbrinar qui són les persones que ho han escrit, veure què diuen els mitjans de comunicació que disposen de comitè editorial, analitzar-ho tot amb esperit crític. Se’ns gira feina…

Davant aquesta sorprenent seguretat de molts dels que escriuen a internet i a les xarxes, tenim el “només sé que no sé res”. Perquè si alguna cosa sabem segur, és que ciència no arribarà mai a explicar el sentit i l’origen de tot. Einstein ja ens ho deia: “en ciència, no existeixen les teories eternes. Al final, l’experiència sempre acabarà contradient algunes de les prediccions de les teories anteriors. Cada teoria té el seu període de desenvolupament gradual i triomf, passat el qual pot experimentar una ràpida davallada”. Einstein ens ho va explicar en un meravellós llibre de divulgació, “The evolution of physics“, que va escriure junt amb Leopold Infeld l’any 1939 (la cita és de la pàgina 68 a la versió castellana). Les teories científiques, com tot en aquest Univers, neixen, creixen, donen lloc a d’altres teories, i al final moren. Més endavant, en el mateix llibre, Einstein ens prevé contra la vanitat científica. Diu que els conceptes físics són creacions lliures de l’esperit humà i, encara que ho sembli, no estan únicament determinats pel món exterior. Continua dient: “En el nostre desig de descriure la realitat, ens assemblem a algú que volgués entendre i descriure el mecanisme invisible d’un rellotge del que no pot obrir la caixa i del que només en veu el moviment de les agulles i en sent el seu tic-tac. Si és una persona enginyosa i intel·ligent podrà imaginar un mecanisme que sigui capaç de generar tots els efectes que observa. Però mai podrà estar segur que la seva imatge és la única que els pot explicar. Mai podrà comparar les seves teories amb el mecanisme real i ni tan sols podrà concebre el significat d’una comparació que li està prohibida”. Tota una lliçó de fa quasi 80 anys sobre què és la veritat, en aquests moments en els que estem temptats a pensar que amb internet ho podem saber tot.

———
Per cert, en César Antonio Molina diu que vivim en una concepció lúdica de la vida, en la que l’evasió, el culte al cos i el no pensament s’anteposen a tota manifestació cultural, i en la que, gràcies a internet, la gent té la sensació que ho sap tot i que de tot pot opinar. Tenim, diu, ciutadania lleugera, democràcia lleugera, vida lleugera i educació lleugera, al costat de videocràcia, videopolítica i teleciutadans.

El per què del volar

dimecres, 20/09/2017

Hi ha moltes coses que ens sorprenen. Algunes estan relacionades amb la capacitat de volar.  Com és que molts insectes volen? Com s’ho fan per orientar-se, els ocells migratoris? Per què no podem volar com els ocells?

Volar no és fàcil. Quan va dissenyar l’Ornitòpter, Leonardo da Vinci va voler resoldre, en pocs anys, el mateix problema que l’evolució havia aconseguit després de milions d’anys de proves i errors. Per sort, la seva lucidesa el va fer desistir quan es va adonar que els humans tenim una relació entre potència i pes molt diferent a la de les aus i que no podem generar l’energia que cal per mantenir-nos volant. Molts altres, després, no van pensar tant i van dissenyar artefactes que van acabar amb la seva vida.

Dic tot això perquè, tot i que tinc ben presents els principis de Bernouilli i Venturi, cada cop que veig, a la pista, un d’aquests immensos ginys metàl·lics que anomenem avions, quedo admirat que pugui enlairar-se i volar. Com pot ser que un avió que pesa 300 o 400 tones voli amb la majestuositat d’una oreneta?

S’ha escrit molt sobre la física del volar, però no tot el publicat és fàcil d’entendre. A mi m’ha meravellat el text de Henk Tennekes, del MIT. Són 34 pàgines clares, completes i sorprenents, que m’atreviria a recomanar (traduïdes o no) com a possible lectura per les escoles de secundària. La imatge de dalt reprodueix el diagrama de la pàgina 17 del document, revisat l’any 2009; si el voleu estudiar en detall, el podeu trobar també aquí. Veureu que és una gràfica que representa tot tipus d’animals i ginys voladors, des de les mosques fins els avions, passant per les papallones i els ocells. L’eix vertical indica el seu pes en Newtons (un Kg. són 9,81 Newtons). La mosca de la fruita, ínfima, és la que menys pesa, mentre que molts avions superen el milió de Newtons, que són unes cent tones. Evidentment, el pes és un factor essencial a l’hora de volar, i per això els ossos dels ocells són buits i els nostres no. Però no hem de menystenir la superfície S de les ales. Un ocell d’ales grans podrà volar millor que un d’ales petites. A la nota del final recullo algunes de les dades que presenta en Henk Tennekes. Un cop sabem el pes (W) i el valor de la superfície S en metres quadrats, podem dividir-los i calcular la seva relació W/S, que és el que podem veure en l’eix horitzontal superior del diagrama. Aquest valor W/S és el pes que ha de suportar cada metre quadrat d’ala, si el que es vol és volar i no caure. És bonic veure que tot allò que vola es troba prop d’una recta en aquest diagrama que relaciona W/S amb W (vegeu un cop més la nota al final; val a dir que és ben fàcil incorporar nous animals i objectes voladors al diagrama, ja que només hem d’esbrinar el seu pes W i la grandària S de les seves ales). La mosca de març, el caragolet comú americà, l’oca canadenca i el Boeing 747 són pràcticament a la línia recta del diagrama. A més, els animals petits volen amb més facilitat que els grans. Si poguéssim agafar una mosca i fer-la el doble de gran, el seu pes seria 8 vegades més gran (el pes és proporcional al cub de la mida), però les seves ales només serien 4 vegades més grans. Com que les ales aguanten el pes en proporció a la seva superfície, no tindria prou força de sustentació i no podria volar. Hauria d’evolucionar fins tenir unes ales més grans en proporció al seu cos, o bé hauria de volar més ràpid.

I és que, en l’art de volar, la velocitat sempre pot ser una solució, perquè la física ens diu que la força de sustentació per metre quadrat d’ala és proporcional al quadrat de la velocitat. A ran de terra, el que cal per poder volar és assolir una velocitat V que, com a mínim i en metres per segon, compleixi l’equació W/S = 0.38 * V*V. En altres paraules: la velocitat mínima per a volar és proporcional a la relació W/S; aquesta és la raó per la qual, al diagrama d’en Henk Tennekes que veieu a la imatge de dalt, l’eix horitzontal superior indica el valor de W/S mentre que l’inferior mostra el valor de la velocitat. És elegant, oi?

El diagrama ho explica tot en un cop d’ull. Si incrementem el pes, estem augmentant el valor de la relació W/S, ens situem dalt i a la dreta, i ens cal més velocitat V. El que més pesa, per volar, ha d’anar més ràpid i per tant ha de gastar més energia.

Segons la gràfica, si els humans volguéssim volar amb la nostra pròpia força i energia, hauríem de fer-ho a una velocitat de l’ordre dels 30 metres per segon, que són uns 100 quilòmetres per hora. No ho tenim fàcil.

———

Per cert, la Najat El Hachmi es pregunta per què els policies no miren de disparar a les cames enlloc de tirar a matar, i diu que pel que diuen les estadístiques de terroristes supervivents a tot Europa, és impossible que en surtin vius. En Josep Ramoneda es pregunta també si era inevitable que els Mossos matessin els terroristes, i demana què esperen els partits polítics a plantejar aquesta pregunta en seu parlamentària.

———

NOTA: Aquestes són les dades d’alguns dels insectes i ocells que cita en Henk Tennekes. El text les acompanya amb dibuixos de les seves siluetes. Per cada un d’ells teniu el seu pes W en Newtons, la superfície S de les seves ales en metres quadrats i l’ample a, de punta a punta amb les ales esteses, en metres:

– Borinot (Melolontha vulgaris): W = 0.01 N, S = 0.0004 m2, a = 0.06 m.
– Abella colibrí (Mellisuga helenae): W = 0.02 N, S = 0.0007 m2, a = 0.07 m.
– Mallerenga (Parus major): W = 0.2 N, S = 0.01 m2, a = 0.23 m.
– Oreneta rural (Hirunda rustica): W = 0.2 N, S = 0.013 m2, a = 0.33 m.
– Falcó (Accipiter nisus): W = 2.5 N, S = 0.08 m2, a = 0.75 m.
– Gavina (Larus argentatus): W = 11.4 N, S = 0.2 m2, a = 1.34 m.

El diagrama de la imatge de dalt que presenta en Henk Tennekes es basa en dues lleis ben senzilles. En primer lloc, per volar sense caure, cal que la força de sustentació que fa l’aire sobre les ales gràcies a la seva curvatura i a l’efecte que bé van estudiar Bernouilli i Venturi, sigui igual al pes W. En un avió de 600 tones de pes, l’aire ha de generar un impuls vertical cap amunt de 600 tones (increïble, oi?). Bé, tot depèn de la superfície S de les ales. Si S és de l’ordre de 850 metres quadrats, com és el cas dels grans avions, és fàcil veure que cada metre quadrat d’ala ha d’aguantar uns W/S = 700 Kg., i que cada decímetre quadrat ha de fer-se càrrec d’un pes d’uns 7 quilos, que ja és més raonable. Ara bé, la segona llei ens diu que el pes total és proporcional al cub de la mida de l’animal o objecte (que podem mesurar, per exemple, amb la seva amplada a) mentre que la força de sustentació és proporcional a la superfície S i per tant, al quadrat de la mida. Per tant, W/S és proporcional a la mida a, i W és proporcional al cub de a. Llavors, és clar que W/S és proporcional a l’arrel cúbica de W. I, en una escala logarítmica com la del diagrama de Henk Tennekes, la relació entre W/S i W ha de ser una recta. És la recta del gràfic de la imatge de dalt. Tot plegat, a més, explica perquè els animals petits volen amb més facilitat que els grans. Si poguéssim agafar una mosca i fer-la el doble de gran, el seu pes seria 8 vegades més gran (el cub de 2), però les seves ales només serien 4 vegades més grans. No tindria prou força de sustentació, i no podria volar.