Arxiu de la categoria ‘Descobriments científics’

Aquestes misterioses direccions

divendres, 19/05/2017

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

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

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

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

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

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

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

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

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

———

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

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

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

 

El factor limitant

dijous, 4/05/2017

Estem voltats de nous materials amb propietats que s’adapten als usos més variats. Però he de confessar que m’agrada la fusta. És agradable a la vista, suau al tacte, és acollidora i no és freda. A l’exposició “El taller dels somnis” hem pogut veure quatre dissenys en fusta molt especials. A la imatge, que trobareu en aquesta pàgina web, teniu la concreció, en fusta d’àlber blanc dels Estats Units, del somni de Juan Luis Arsuaga. La fusta d’àlber blanc (tulipwood en anglès) es treballa bé, no es torça, no té repèls i és lleugera. Arsuaga va batejar el seu somni amb el nom “factor limitant”.

El concepte ecològic de factor limitant determina i restringeix el desenvolupament i evolució dels animals i plantes. Es basa en la llei del mínim, plantejada per Liebig, que diu que qui governa el creixement d’una determinada espècie no és el conjunt de recursos disponibles, sino només el recurs més escàs i que més afecta i limita la vida dels individus d’aquella espècie. El fred, l’espai disponible, la quantitat de menjar, són possibles factors limitants. Però en cada cas, només un d’ells serà el veritable factor limitant. I de fet, tant els animals com els humans actuem i treballem per mitigar-lo, perquè volem viure millor. Algunes vegades emigrem a ambients més acollidors, i en altres casos inventem solucions per quedar-nos: coves, cabanes, igloos.

El somni de Juan Luis Arsuaga era tenir un refugi que permetés viure uns dies a la muntanya, observant i gaudint de la natura. Una cabina portable de fusta que fos un límit per protegir dels factors limitants. Que només tingués el bàsic per viure. Que permetés allunyar-se una mica de la humanitat per subvertir els seus valors, segons diu Arsuaga.

Arsuaga pensa que les cabanyes de fusta són un mite associat al compromís amb la natura amb vocació de sostenibilitat amb els boscos, perquè acabaran degradant-se i tornant a formar part del bosc, a banda de ser temporals i no invasives. La seva cabana de fusta, feta amb fusta d’àlber blanc i dissenyada per Jacob Benbunan, és un refugi que podem portar al bosc i deixar-lo allà, perquè acabarà fonent-se i integrant-se amb la natura. Félix Larragueta, de l’ebenisteria que el va acabar de dissenyar i construir, el defineix com un objecte ben especial, fet d’un conjunt de ventalls que s’obren per crear una closca protectora de fusta.

Quantes hores podem estar desperts abans de caure dormits? Quants quilòmetres podem caminar o córrer cada dia? Quantes hores podem estar, sense abric, mirant el cel de nit sense caure malalts? Quants anys de vida ens queden? Som limitats, ho sabem per experiència. I la ciència, amb els resultats molts experiments, ens ajuda a recordar-ho. Molts d’aquests límits no tenen cap valor concret calculable, però en sabem la seva probabilitat gràcies al que hem anat experimentant i quantificant. La ciència i l’estadística ens fan prendre consciència dels molts factors que ens limiten.

Vivim en una gran contradicció. Ens creiem infinits i poderosos, però la natura ens confronta amb la realitat: ens sentim millor quan ens marquem límits. Al bosc o a la muntanya, l’espai limitat d’una cabana de fusta ens dona refugi i protecció, ens separa del fred i la pluja, ens connecta amb els materials de la vegetació que ens envolta i en definitiva ens crea un espai habitable. Al bosc descobrim que només podem viure bé quan ens posem límits (en aquest cas, d’espai vital) que ens curen de la por a l’immens i al desconegut. Ja ho diu l’Emilio Lledó quan parla de felicitat i explica el que en pensava Epicur, que l’associava al cos, l’austeritat i als límits. I això és el que ens ensenya també la ciència, que ens diu que tot és limitat i que el millor que podem fer és tenir-ho ben present. Nosaltres som limitats, el planeta és limitat, les civilitzacions són limitades en el temps, els recursos són limitats, la quantitat de gent que pot viure al món és limitada. Si ho pensem cada dia (i això és el que ens ensenyen la ciència i les cabanes de fusta al bosc) tal vegada estiguem menys interessats en acumular poder i en tenir coses, perquè no serveix de res acabar sent els més rics del cementiri.

Per cert, en Bru Rovira diu que aquests dies que la terra s’omple de les fruites podrides de l’arbre de la corrupció, li ha caigut a les mans el llibre “Cinco meditaciones sobre la belleza”, del cal·lígraf, poeta i novel·lista François Cheng. Cheng diu que la bondat confirma la qualitat de la bellesa, i que la bellesa irradia la bondat i la fa desitjable.

Evolució i robustesa

divendres, 21/04/2017

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

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

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

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

———

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

La llei dels grans nombres, i la dels petits

divendres, 14/04/2017

La vida és incerta. Quasi tot és probable, i no és fàcil trobar certeses com la de que demà sortirà el Sol. És cert que no parlem de probabilitats quan estudiem les fases de la Lluna o les òrbites dels planetes, perquè els astres es mouen de manera ben coneguda i precisa. Però aquests fenòmens són l’excepció. Hi ha una certa probabilitat que demà plogui, de la mateixa manera que hi ha una determinada probabilitat que el candidat que m’agrada guanyi les properes eleccions o que un determinat llibre sigui un èxit de vendes.

Quan no sabem què passarà i quan no entenem bé els fenòmens, parlem de probabilitats. Perquè les probabilitats sorgeixen de la nostra ignorància. Si algú em diu que la probabilitat que el meu bus arribi a la parada sense que m’hagi d’esperar més de 20 segons és del 5%, no és que aquesta persona conegui perfectament les lleis del tràfic i la posició en cada moment de tots els busos, sinó que està fent una inferència a partir del que ha observat moltes vegades. Si de cada 100 vegades que arribem a la parada, en 5 d’elles observem que l’autobús arriba immediatament, podem parlar d’una probabilitat del 5%. Ho fem a les prediccions del temps, quan avaluem el risc de contraure càncer o de patir un atemptat terrorista, i ho fem a les enquestes electorals i a les prediccions econòmiques. Les probabilitats són l’eina científica que ens permet mesurar tot allò que no podem entendre perquè és massa complex.

Moltes vegades, parlem de probabilitats i ens ho inventem. Quan diem: “demà el més probable és que plogui”, estem afirmant que la probabilitat de pluja és més gran del 50%, i és clar que és una afirmació que no basem en cap fet concret. Però, gràcies a l’estadística i a la llei dels grans nombres, podem fer experiments que ens permeten inferir aquestes probabilitats. Només cal que observem què passa en molts cassos, això ens permet saber el percentatge de probabilitat, i ara ja podem fer prediccions amb una mica més d’informació (vegeu la nota al final). Val a dir que, per sort, l’estadística també ens permet limitar el nombre de persones que hem d’analitzar o a qui hem de preguntar. Això és fonamental, perquè aquests “grans nombres” han de ser grans, però tampoc massa, i no cal seguir analitzant cassos quan ja tenim una bona estimació de la probabilitat. Les tècniques estadístiques ens permeten calcular la mida mostral, que no és més, per exemple en un sondeig electoral, que el nombre de persones a qui hem de preguntar per tal de tenir una bona estimació del que pensa la gent (bo és saber, no obstant, que tot sondeig dona informació sobre el que és probable en base al que pensa la gent en aquell moment, i no pas sobre el que faran quan vagin a votar, si és que hi van). En poques paraules: les probabilitats es poden estimar fent experiments i analitzant un nombre suficientment gran de dades o preguntant a un grup suficientment gran de persones escollides a l’atzar, i aquest nombre és calculable.

En Daniel Kahneman i l’Amos Tversky, psicòlegs, van desenvolupar la teoria de les perspectives. Aquesta teoria diu que els humans, quan ens trobem en entorns d’incertesa, prenem decisions que s’aparten dels principis bàsics de les probabilitats. A aquest tipus de decisions, les van denominar dreceres heurístiques. Tendim a basar-nos en el que podríem anomenar la “llei dels nombres petits”, en lloc de ser rigorosos i tenir en compte la dels grans nombres. Veiem el que pensa votar el nostre cercle més proper d’amics, i pensem que això és la intenció de vot de tota la societat. Un d’aquests comportaments “drecera” que van descobrir en Kahneman i en Tversky és el d’aversió a la pèrdua. Amb els seus experiments, van demostrar que les persones preferim no perdre una certa quantitat de diners abans que guanyar la mateixa quantitat. Aquesta por a perdre fa que siguem asimètrics en la presa de decisions, tot i que les probabilitats basades en la llei dels grans nombres ens diguin el contrari. En Daniel Kahneman, per aquest descobriment psicològic, va guanyar l’any 2002 el premi Nobel… d’economia.

Com diu en Kiko Llaneras, els humans som éssers no estadístics. El més habitual és que basem les nostres conclusions en un nombre insuficient de dades. És la llei dels nombres petits. Anem de viatge a una determinada ciutat, ens trobem tres persones poc amables, i ja diem que la gent d’aquell país és molt poc simpàtica. Els de tal país són així, aquells altres són d’aquella altra manera. L’Amos Tversky deia que les persones som instruments deterministes que hem estat llançats a un món probabilístic. I així ens va. Però cal estar atents i vigilants, perquè la llei dels nombres petits ens porta a l’ús de qualificatius genèrics (“els xxx són tots uns yyy”), a la intolerància i a la xenofòbia. Si seguim les recomanacions d’en Daniel Kahneman i de l’Amos Tversky, hem de d’aprendre a viure en aquest món probabilístic encara que ens costi, intentant ser rigorosos, assegurant-nos que fem anàlisis basades en probabilitats, i evitant les dreceres heurístiques i les decisions basades en nombres petits.

———

Per cert, la Joana Verdera ens proposa que canviem de companyia elèctrica i que busquem una comercialitzadora que que no formi part dels gats vells de l’electricitat i que no traslladi els beneficis a accionistes de grans corporacions, sino que aposti per les noves formes d’energia. Perquè això, diu, és la garantia que els seus guanys no acabin alimentant el mateix bucle extractiu.

———

NOTA: La llei dels grans nombres diu que quan fem moltes observacions d’un fenomen no determinista, la freqüència amb que l’observem s’aproxima progressivament a un valor determinat, que justament és la probabilitat d’aquest fenomen. Imaginem, per exemple, que volem estudiar la probabilitat d’acabar tenint un cert tipus de càncer quan s’ha estat fumant més de 20 anys. Analitzem 100 persones a l’atzar que hagin estat fumadores més de dues dècades, anem fent un seguiment, i observem que N de elles acaben desenvolupant un càncer. Podrem inferir que la probabilitat és d’un N%; ara bé, el que ens diu la llei dels grans nombres és que el resultat serà més acurat si analitzem 1000 persones i estimem la probabilitat com (N/10)%, i que encara ho serà més si fem l’estudi amb deu mil persones i acabem estimant la probabilitat com (N/100)%. I de fet, si fem tots aquests experiments, veurem que les nostres estimacions es van acostant cada cop més al valor correcte de la probabilitat que volem estimar.

Per cert, la imatge de dalt és d’aquesta pàgina web.

Tecnologia: per a qui?

divendres, 17/03/2017

M’agrada la definició que Enrique Lynch fa de tecnologia. Diu que és l’art de saber aprofitar les lleis de la natura per a viure millor i satisfer les nostres necessitats. La tecnologia és hereva directa de la ciència, que és la que ens permet entendre aquestes lleis de la natura que després podrem aprofitar. Tenim llum a casa a la nit perquè hem entès el comportament dels electrons, i podem fer fotos amb el mòbil perquè hem descobert les lleis que regeixen la interacció entre fotons i electrons. La historia de la tecnologia és la nostra historia, la que ens va fer humans. La navegació a vela és tecnologia, i ho són els pergamins, les pintures prehistòriques, els llibres, l’art de cuinar, la bicicleta i quasi tot el que fem.

Però és molt fàcil trobar-se amb mals usos. Crec que fins i tot podem parlar de perversió de la tecnologia quan aquesta no s’aprofita per millorar la qualitat de vida i satisfer les necessitats dels humans en general. Deixeu-me que expliqui breument dos exemples d’aquest tipus de perversions, un de proper i un altre de llunyà (però no tant).

Recordo que fa temps es deia molt allò de “el client sempre té la raó”, perquè és (o era) clar que l’objectiu dels serveis ha de ser facilitar la vida dels qui els reben. Però, sorprenentment, això ha canviat. Podria parlar dels bancs, de les empreses operadores de comunicacions o de les elèctriques, però poso un exemple que he llegit fa pocs dies. La nova xarxa d’autobusos de Barcelona, amb les línies H i V, és força criticada. Molta gent diu, per exemple, que on abans anava amb un sol autobús, ara es veu forçada a anar amb dos, fent un canvi i perdent temps. El tema del transport públic m’és molt familiar, perquè un bon amic meu va fer la seva tesi doctoral (estic parlant dels anys 70) sobre l’optimització del recorregut dels autobusos. El problema, tecnològicament parlant, és clar. Es fa una enquesta, i es pregunta (a una mostra representativa de la gent de la ciutat que estem analitzant) a quins indrets van cada dia i a quins van més o menys sovint. Això permet tenir un mapa (que de fet és un mapa 4D, amb origen i final) dels interessos dels ciutadans. Després, tenint en compte el nombre total d’autobusos disponibles, s’optimitzen els recorreguts de manera que s’acabi donant el millor servei possible a la gent: es comença amb una estimació inicial de recorreguts, i aquests es van refinant en fases successives. Tot es basa en la quantificació del grau de satisfacció total que genera el conjunt de línies d’autobús, cosa que és fàcil de fer mirant per on passen i veient si recullen el que diu el mapa d’interessos. Ara, només cal anar modificant progressivament les línies d’autobús de manera que s’incrementi aquest grau de satisfacció total, i al final acabarem amb un disseny de transport urbà que ajuda la gent a viure millor. Doncs bé, quan ara fa un any vaig preguntar al Xavier, el meu amic, què opinava de la nova xarxa d’autobusos de Barcelona, la resposta va ser ben clara: segur que la nova xarxa empitjora el servei a la gent, perquè no s’ha dissenyat amb criteris de satisfer les necessitats dels usuaris, sino amb criteris de disminució de costos. De fet, aquests nous dissenys del transport públic són només un exemple, semblant al de les operadores de comunicacions o les elèctriques, del que podríem anomenar una inversió dels serveis. Es deixa d’oferir serveis que facilitaven la vida dels usuaris, i es passa a incrementar els beneficis (o reduir costos) dels qui els ofereixen. L’objectiu ja no són els clients sino els directius i accionistes. És el que moltes vegades veiem en els bancs i en empreses mal anomenades “tecnològiques”, que enlloc de crear tecnologia, tenen com objectiu vendre més i fidelitzar clients. Davant la pèrdua de l’ètica dels serveis i el delicte de no atenció als clients, molts experts diuen que la solució passa per la regulació i les sancions.

En tot cas, el problema de la inversió dels serveis no és res si el comparem amb el que passa a Àfrica. Només cal veure aquest mapa, esfereïdor, de la Terra a la nit, i adonar-se que Àfrica és a les fosques. La imatge de dalt, que podeu trobar a aquesta web, mostra que només un 2% dels habitatges a zones rurals de Níger (i un 3% a les de Mali) tenen accés a l’electricitat. El percentatge d’electrificació a les zones urbanes d’aquests dos països és del 47% i del 42% respectivament. En Hans Rosling també ens recorda que al món, dues de cada 7 persones no tenen accés a l’electricitat, i que 5 de cada 7 disposen d’una potència elèctrica tan baixa que no els permet disposar de cap electrodomèstic. La despesa energètica mitjana per persona a Espanya és de un quilowatt, durant 16 hores al dia. Per a un Ghanès, és de 46 watts.

És clar que alguna cosa estem fent molt malament si, al continent que més creixement demogràfic té en aquests moments, no som capaços d’usar els avenços tecnològics que podrien garantir l’accés a l’energia i evitar els episodis de fam. Serem capaços de garantir les condicions necessàries, per exemple, per a que tota persona tingui accés a una sanitat i medicació dignes i per a que tothom surti de la pobresa energètica? Hi ha solucions enginyoses per a zones rurals aïllades, com els sistemes fotovoltaics i eòlics distribuïts (només cal cercar “off-grid photovoltaic” o “off-grid eolic” a internet). Si no s’utilitzen és perquè la tecnologia, als països del Sud, no s’utilitza per millorar la vida de la gent: acaba millorant la vida només d’uns pocs, dels qui s’enriqueixen amb l’espoli dels recursos que no són seus. Un cop més, davant la pèrdua de l’ètica i dels continuats delictes, la solució passa per la regulació, la persecució de les injustícies i les sancions, amb l’objectiu que les solucions tecnològiques existents arribin a la gent que les necessita.

El més trist d’aquests inicis del segle XXI és que, tot i tenir els mitjans que ens poden permetre viure millor, com a humanitat no som capaços de definir uns mínims objectius que ens garanteixin la nostra pervivència, amb pau i dignitat, uns quants segles més. No anem bé. Cal prendre decisions i actuar a nivell local, però en aquest marc de globalització que ens ha regalat internet, és imprescindible establir mecanismes efectius de regulació a nivell planetari que impedeixin l’enriquiment d’uns pocs mentre la resta es va empobrint. La tecnologia no pot acabar beneficiant només a uns pocs. Ha de ser per a tothom, satisfent necessitats i ajudant tots els habitants de la Terra a viure millor. Perquè la situació és cada cop més preocupant, i l’alternativa pot acabar essent el suïcidi com a espècie. Potser que ens ho fem mirar.

Per cert, en Salvador Sabrià diu que poques persones hi deu haver que no coneguin algú del seu entorn, preferentment una persona gran, a qui li hagin intentat colar un contracte d’una companyia elèctrica o de gas. I diu que segur que sense rascar gaire és fàcil localitzar entre els pròxims alguna persona que ha tingut problemes amb els subministradors d’aquests serveis.

Energia, benestar i la calor del fred

divendres, 10/03/2017

Què és el millor que podem fer per no passar fred a casa a l’hivern?. Bé, de fet és una pregunta sense resposta clara, perquè el concepte de “millor” és evidentment ambigu. Què és el que realment volem? Podem pensar en termes de pagar poc, de gastar poca energia, de baixa contaminació, de sostenibilitat energètica…, i podem pensar en base a molts altres factors.

Però sí que podem fer unes quantes consideracions, basades en principis ben senzills de la física i la termodinàmica. És clar que tota la calor de la calefacció, estufa o llar de foc acaba marxant a l’exterior. Per tant, la temperatura de dins a casa a l’hivern depèn del que hi posem (energia que destinem a la calefacció) i de la facilitat que tingui en sortir de casa (aïllament). A més energia, més temperatura; a més aïllament, també. I, com que no només volem arribar a una determinada temperatura sinó que la volem mantenir tot el dia, el que ens cal és destinar-hi potència energètica mantinguda. Hem de gastar quilowatts, i els hem de gastar durant hores. Per això ens facturen els quilowatts hora.

Primera consideració: si volem poca despesa energètica, el que ens cal és un bon aïllament. Una casa molt ben aïllada, si no hi viu ningú, manté una temperatura gairebé constant i força agradable, estiu i hivern. És el que passa sota terra. Si l’aïllament de casa fos molt i molt bo i l’escalféssim a 20 graus abans d’anar-hi, quan entréssim a casa podríem apagar la calefacció i les estances no es refredarien: n’hi hauria prou amb la calor metabòlica del nostre cos, perquè seria una calor que la casa mantindria sense pèrdues. Fins i tot podria ser que acabéssim tenint massa calor i havent d’obrir alguna finestra.

Segona consideració: les bombes de calor són més eficients que les estufes. És poc intuïtiu, perquè estem acostumats a dir que a deu sota zero fa fred i que a 35 graus fa calor; però la física ens explica que deu sota zero són 263 graus Kelvin, i això, traduït, vol dir que l’aire de l’hivern, fins i tot quan és gèlid, conté bastanta calor. Les bombes de calor només són ascensors d’energia calòrica que pugen la temperatura del seu fluid refrigerant des dels 263 graus Kelvin a uns 303 o 310 graus Kelvin i aprofiten part de l’energia que ens aporta l’aire fred del carrer (vegeu la nota al final).

Tercera consideració: les bombes de calor són més eficients, però no sempre són els sistemes de menor cost. És el que dèiem, cal saber què volem dir quan parlem de “millor”. Per aportar una unitat d’energia de calefacció a casa, una bomba de calor pot acabar gastant aproximadament 0,3 unitats energètiques d’electricitat (vegeu un cop més la nota al final), que a la seva vegada consumeixen 0,9 unitats energètiques de petroli o carbó a les centrals elèctriques. Per tenir la mateixa unitat d’energia de calefacció, els sistemes de calefacció a gas acaben consumint de l’ordre de 1,4 unitats energètiques de combustible (en aquest cas, gas). El cost d’una i altra opció dependrà del país on visquem, dels sistemes de producció elèctrica, dels sistemes tarifaris i de la facilitat d’accés a un o altre combustible. Fins i tot, a la muntanya, el menys car serà sempre la llar de foc (o estufa) amb llenya, que a certs indrets és ben barata i que permet l’autoconsum. Hem de reconèixer que el cost energètic no té massa relació amb el cost econòmic que finalment hem de pagar cada hivern.

Quarta i darrera consideració: les bombes de calor poden ser sostenibles i poc contaminats. Perquè, quan al cost econòmic afegim els costos de producció i manteniment i els costos ambientals, les coses tornen a canviar. Si tenim en compte l’índex EROI, que mesura el quocient entre l’energia obtinguda i l’energia necessària per a construir les centrals (o sistemes eòlics o solars) i per al seu manteniment, veiem que el gas natural als Estats Units té un EROI de 67 (dades de 2005) mentre que al Canadà és de 20. Les energies solar i eòlica tenen valors d’EROI entre 14 i 18, comparables als del gas al Canadà però no pas als del gas d’Estats Units. Per tant, i en base a l’EROI, la decisió d’una persona als Estats Units sembla evident que hauria de prioritzar el gas natural. Ara bé, l’índex EROI és incomplet, ja que no inclou la contribució a la contaminació ni a l’escalfament global i a més és complex d’avaluar i no genera consens. El tema és polèmic i amb forts interessos econòmics que dificulten una anàlisi rigorosa i imparcial. Però hi ha gent tan poc sospitosa com en Jeremy Rifkin, que proposen solucions radicals i trencadores. Es tracta de pagar per la infraestructura però no per l’energia. Si necessitem energia, ens comprem un sistema solar o eòlic i després ja la tindrem a cost zero perquè ens vindrà del vent i del Sol (amortització a banda). És la ben coneguda auto-generació. És el que fem ara amb internet: ens comprem un mòbil i després cerquem informació a cost zero i compartim continguts sense pagar quasi res. Rifkin diu que la Xina ja aposta per aquesta solució i que està invertint molts diners en la digitalització de la producció elèctrica per a que milions de ciutadans xinesos puguin produir la seva pròpia energia solar i fins i tot puguin tornar els excedents a la xarxa elèctrica pública. No se’n parla, però està passant.

En resum: les solucions de benestar energètic amb perspectives de ser econòmiques, sostenibles i poc contaminants és probable que es basin en bombes de calor mogudes amb energia elèctrica auto-generada amb fonts renovables. No crec que triguem molts anys a veure-ho.

———

Per cert, en Bru Rovira explica que Juan Luis Cebrián va fer negocis a Sudan del Sud amb l’empresari espanyol d’origen iranià Massoud Zandi, que va aconseguir una llicència per explotar-hi petroli. Felipe González els va ajudar per a que poguessin aprofitar-se del cru, en una zona devastada per la guerra i l’espoli.

———

NOTA: L’eficiència de les bombes de calor es basa en aprofitar la calor que conté l’aire fred de fora de casa, a l’hivern. He explica molt bé la imatge que veieu a baix (que és d’aquesta web), i també aquest vídeo. Amb les dades del diagrama de baix, podem veure que una calefacció de gas, per donar-nos una unitat d’energia, consumeix 1,4 unitats d’energia del combustible. Una calefacció elèctrica de baixa temperatura (i baixa radiació) hauria de consumir una unitat d’energia elèctrica. Val a dir que el consum de gas és més elevat perquè, com mostra el diagrama, una part de l’energia de combustió (en aquest cas, 0,4), se’n va per la xemeneia. En canvi, una solució basada en el bombeig de calor ens acaba aportant la mateixa unitat d’energia amb un consum d’energia elèctrica de 0,3. Les 0,7 unitats restants, les agafa de l’aire fred del carrer.

L’interessant de tot plegat és el mecanisme que fa que que aquestes bombes de calor funcionin com veritables ascensors de calor. Suposem que la temperatura exterior és de 5 sota zero, i que dins de casa volem mantenir una temperatura de 20 graus. Com que no podem fugir del segon principi de la termodinàmica que diu que la calor sempre va del més calent al més fred, les bombes de calor necessiten dos salts tèrmics, que podem suposar (cosa força raonable) que són de l’ordre d’entre 5 i 10 graus. Una solució, per exemple, és dissenyar la bomba de calor de manera que mantingui una temperatura de 10 sota zero (-5-5) a l’exterior, mentre genera escalfor d’uns 30 graus dins de casa. El salt tèrmic de l’exterior fa que l’aire, que és a 5 sota zero, es refredi una mica més mentre escalfa el refrigerant (que com hem dit és a 10 sota zero i encara és més fred). I el salt tèrmic de dins a casa fa que aquest mateix liquid refrigerant, que la bomba ha escalfat fins els 30 graus, vagi passant calor amb un ventilador a l’aire de casa que es manté als voltants dels 20 graus. El sistema funciona perquè en tots dos cassos, la calor va del més calent al més fred i les molècules del que té una temperatura més elevada (aire a l’exterior, refrigerant escalfat dins de casa), que es mouen més de pressa, poden passar part de les seva energia calòrica a les del fluid més fred (refrigerant a l’exterior, aire ambient a l’interior). A escala molecular tot és senzill, perquè (a diferència del que passa a les nostres societats) sempre hi ha transferència de qui més té a qui més necessitat és d’energia. L’únic que cal és aconseguir que el refrigerant (en barreja de líquid més vapor) s’escalfi 40 graus per passar dels 10 sota zero fins els 30 graus que té a la sortida del compressor dins de casa, cosa que és més o menys fàcil en funció del tipus de refrigerant.

I, com és que aquestes bombes de calor tenen un bon rendiment? Com és que podem agafar tanta calor d’un aire del carrer que és a 5 sota zero? Doncs perquè la calor que conserva qualsevol fluid (aire o refrigerant) és proporcional a la temperatura, mesurada en graus Kelvin. És ben sabut que l’origen de l’escala de temperatures absolutes o Kelvin és als 273 graus sota zero. Si traduïm tot el que hem dit a aquesta nova escala, veurem que estem parlant de l’aire del carrer que és a 268 graus Kelvin, que passa energia calòrica a un refrigerant que es troba a 263 graus Kelvin. La bomba de calor escalfa aquest refrigerant fins una temperatura de 303 graus Kelvin, i finalment els ventiladors de l’habitació li treuen calor per mantenir la temperatura de benestar de 293 graus Kelvin. En aquesta nova escala, tot canvia: veiem que l’aire del carrer (que ens sembla fred) és en realitat força energètic. Les bombes de calor tenen un bon rendiment perquè només han de passar un fluid que ja es troba “a nivell” 263, fins “al nivell” 303. Si la temperatura fos una muntanya, podríem dir que les bombes de calor, per pujar fins al cim d’alçada 303, no es cansen gaire perquè comencen a una alçada de 263.

Com podeu veure en aquesta pàgina web (a l’apartat de “Heat pumps and refrigerators“), el cicle liquid-vapor de les bombes de calor és un cicle derivat del de Rankine, que es recorre en sentit invers al típic cicle de Carnot de les màquines tèrmiques perquè aquí el que cal bombejar calor. El cicle es mou quasi tota la estona amb el refrigerant en un estat de barreja entre líquid i vapor. La calor es capta de l’aire fred de fora a les fases d’evaporació i expansió, després el fluid es comprimeix mentre s’escalfa en forma de vapor, i finalment deixa anar la calor mentre es condensa.

Tres observacions finals en relació al diagrama de baix. En primer lloc, podem veure que l’eficiència de la bomba de calor compensa el comportament poc eficient de les centrals elèctriques tèrmiques, que implica que per obtenir 0,3 unitats d’energia elèctrica cal cremar al voltant de 0,9 unitats energètiques de combustible (en aquest cas, carbó). En segon lloc, el diagrama no inclou les pèrdues de la bomba de calor que fan que el seu rendiment sigui sempre inferior a l’esperat (si bombegem 0,7 unitats d’energia tèrmica de l’aire fred amb 0,3 unitats d’energia elèctrica, sempre obtindrem, dins de casa, menys de una unitat d’energia tèrmica). Finalment, val a dir que en qualsevol dels casos esmentats, podem disminuir els costos finals si usem sistemes d’emmagatzematge d’energia que permetin acumular-la durant les franges horàries en les que l’energia és menys cara o en les que podem disposar d’energia solar/eòlica distribuïda.

El real i l’imaginari

dijous, 2/03/2017

Com deia l’Anthony Gottlieb fa uns mesos al New York Times, la ciència actual s’està tornant cada cop més estranya. Einstein es neguitejava perquè, segons la mecànica quàntica, sembla que Déu estigui jugant als daus amb l’Univers. Però ara sembla, en paraules d’en Gottlieb, que hàgim passat del casino i els daus a la màgia. Perquè resulta que segons les darreres teories cosmològiques, és probable que tota la matèria de l’univers, inclosos nosaltres, vinguem del no-res.

Els físics diuen que el món és una proliferació contínua i bellugadissa d’entitats efímeres que es creen i desapareixen sense parar. Segurament és (i som) un conjunt de vibracions, una munió d’esdeveniments i de relacions, no de coses. Ens ho explica en Carlo Rovelli en un llibre que ja he comentat alguna altra vegada. En Rovelli ens parla també de la teoria dels llaços, segons la qual l’espai, que no és continu, està format per petits grans o quàntums d’espai, cent mil milions de milions de vegades més petits que el més petit dels nuclis atòmics. Aquests minúsculs grans no són enlloc, no poden ser enlloc perquè ells són l’espai. I el temps? Sabem què és el temps? La veritat és que és un concepte que tampoc acabem d’entendre, entre altres raons perquè no és únic: podem parlar del temps psicològic que experimentem quan recordem el passat, del temps termodinàmic que va passant mentre la sopa es refreda, o del temps cosmològic de l’univers en expansió. Però hi ha coses que la física sí que ens explica una mica. Gràcies a Ludwig Boltzmann i a molts físics del segle XX, ara sabem que només hi ha diferència entre passat i futur quan hi ha calor, perquè la distinció entre futur i passat es basa en que la calor va de les coses calentes a les més fredes. I, per què hi va? Per què la sopa que tenim al plat s’acaba refredant enlloc d’escalfar-se encara més? De fet, la resposta a aquesta darrera pregunta és molt sorprenent, i es troba a la base de tota la física moderna: la calor va del que és calent al que és fred per atzar. Perquè en els xocs entre molècules d’un objecte calent i molècules d’un de fred, és molt més probable que les primeres passin energia a les segones que no pas que veiem el fenomen contrari. La calor no va de les coses calentes a les fredes obligada per cap llei absoluta, sino que hi va només amb gran probabilitat, com ens deixa clar en Carlo Rovelli. Sabem que la sopa al plat es refreda, però hi ha una petita probabilitat, molt i molt petita, que algun dia veiem que s’escalfa encara més. Des de fa més d’un segle, la física ha hagut d’abandonar les certeses i acceptar que l’únic que podem saber de molts fenòmens del món super microscòpic és si són més o menys probables.

En resum: la matèria, tan real i palpable, és un conjunt de relacions i vibracions. L’espai són grans que no es troben enlloc, i el temps sorgeix de la probabilitat. Quasi res, oi?

Parlant de probabilitats, el darrer llibre que ha escrit en Sean Carroll, “The big picture”, força polèmic i que tot just he començat a llegir, és tot un viatge que va del més ínfim al món que experimentem, veiem i sentim. Un viatge, guiat per la física i les probabilitats, per aquest món d’extraordinària bellesa i diversitat que gaudim cada dia. Ara sabem, diu Carroll, que tot el que hi ha, objectes, plantes, animals i nosaltres, està fet amb molt pocs tipus de partícules elementals unides amb molts pocs tipus de forces bàsiques: el món i nosaltres mateixos som agregats amb un nombre astronòmic de molt poques peces: som quarks, gluons i electrons. Carroll defensa a més el que anomena “naturalisme poètic”, afirmant que tot el real és el que hi ha a la natura i en que no hi ha res fora de la natura. Si escalem les lleis fonamentals de la natura al món, als planetes i a nosaltres, Carroll argumenta que podem arribar fins i tot a estimar la probabilitat que existeixin Déu, l’ànima i la vida després de la mort. Segons comenta també en Michael Shermer, la conclusió de Sean Carroll és que aquestes probabilitats són molt petites.

La conclusió de Sean Carroll és contundent i a la vegada respectuosa. No parla categòricament, només ens explica el que és probable i el que no ho és. I el cert és que nosaltres tampoc som gaire probables. En Tim Radford diu que és clar que els àtoms no tenen vida, però que poden formar agregats molt i molt especials que anomenem “tu i jo”. La vida és un petit i efímer episodi que capgira temporalment aquest viatge inexorable de l’univers cap l’increment constant de la seva entropia, imposat pel segon principi de la termodinàmica. La vida és el fruit quasi màgic de la tendència metabòlica (hereva de la química) a construir, crear i complicar-se. Tot, gràcies a les lleis de la física.

El cert és que no sabem què som. Sabem que som éssers conscients perquè podem llegir aquest i altres textos, però curiosament ningú sap què és la consciència ni la pot definir, com bé ens recorda en Tim Radford. Ara bé, el que sí sabem és quins són els nostres components, i hem pogut descobrir algunes de les lleis d’aquesta natura de la que som part inseparable.

Aristòtil pensava que la Terra era al centre de l’univers i que estava formada de només quatre elements: terra, aigua, aire i foc. També creia que el Sol, la Lluna i els estels eren divins i perfectes, fets de matèria no terrenal: la quinta essència o èter. En vint segles hem avançat una mica, i ara hem vist que tot és fet de quarks, electrons i gluons amb un bany energètic de fotons. Vam començar amb quatre elements i al cap de 23 segles en tenim uns altres quatre. Això sí, amb una diferència: sabem que no hi ha quinta essència i que tot, Cel i Terra, són fets de les mateixes partícules elementals.

L’important, ens diuen els físics, és separar bé el que hem arribat a saber i que hem pogut comprovar i constatar, del que imaginem i suposem. La humanitat, quan era jove, creia en la quinta essència, i nosaltres quan érem petits creiem en els reis mags d’orient. Després hem vist que els reis no són tan mags, que tot l’Univers és fet del mateix tipus de matèria, i que no hi ha fantasmes ni bruixes. I és que les coses són molt més senzilles quan les sabem veure sense prejudicis. És clar que tothom té dret a pensar en mites imaginaris, però és bo saber que la ciència i els físics ens ajuden a desgranar el real d’allò que és, amb molt alta probabilitat, imaginari.

———

Per cert, en Bru Rovira diu que el que s’hauria de debatre a la ONU i a les cimeres internacionals és si primer és la indústria i després la política, o bé si la política decideix sobre la indústria. És a dir, cal debatre qui mana en els assumptes de la pau i l’ordre.

El Sol, aquest desconegut

dijous, 26/01/2017

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

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

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

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

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

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

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

———

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

———

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

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

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

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

La ciència i els camins

dijous, 19/01/2017

Fa poc vaig llegir una anàlisi que comparava els articles científics més rellevants de l’any 2015 amb els que van tenir més difusió als mitjans i a les xarxes. És d’aquesta pàgina web, que malauradament només és accessible als subscriptors, i que va ser dissenyada per Jen Christiansen. La web mostra les 25 institucions més productives del món segons l’index Nature 2015, que és un indicador que es basa en el nombre d’articles publicats en 68 revistes de la màxima qualitat científica. Les set institucions amb més articles de qualitat segons aquest índex són l’Acadèmia Xinesa de ciències, la Universitat de Harward, el CRNS Francès, l’institut alemany Max Planck, Stanford, el MIT i la Universitat de Tokyo (la llista de les 25 no inclou cap centre ni cap Universitat espanyola ni catalana). En una segona columna, podem veure els 25 estudis més citats per la premsa durant el mateix any 2015. Aquesta segona llista es basa en l’index Altmetric, que mesura el nombre ponderat de vegades que un determinat estudi científic ha sortit als mitjans de comunicació i a les xarxes socials. L’interessant és que d’entre aquests 25 estudis altament citats pels mitjans i xarxes socials i que inclouen bàsicament medicina i salut, biologia, pol·lució i canvi climàtic, només 8 d’ells venen d’institucions de la primera llista. Sembla que el que és socialment rellevant no acaba de coincidir amb allò que es considera punter en el món científic.

Cal dir que en Jan Christiansen ha creat també molts altres diagrames de “ciència gràfica”, com ell els anomena. Alguns els podeu veure a la seva pàgina web. Un dels que m’ha agradat és aquest, que mostra l’evolució del tipus de temes que han estat portada de la revista Scientific American des de 1920 fins 2014. En ell es veu clarament que han anat desapareixent els temes d’enginyeria més clàssica, deixant pas a la biologia i als nous descobriments en neurociència i evolució (a més de les constants troballes en física de partícules i astronomia). Tot va evolucionant. Però evoluciona lentament, poc a poc. Més pausadament que el que molts voldrien, en aquesta cultura actual de la velocitat i de la immediatesa.

La divulgació no és fàcil, justament perquè la gestió del temps en el món científic és molt diferent a la que podem veure en el món de la premsa, ràdio i televisió. Els mitjans demanen grans titulars, i els científics en tenen ben pocs. Els mitjans necessiten impactar amb l’anunci de grans resultats mentre el món de la ciència va fent camí, poc a poc i sense pressa, per senders que no tenen final. La gent demana conclusions i punts d’arribada, però els científics avancen pas a pas, i malauradament aquests passos no són noticia. En ciència, els moments singulars de les grans troballes són molt escassos. Einstein comentava que després de pensar durant mesos i anys, el 99% de les vegades el seu resultat era inútil i les conclusions falses. I Edison, en una frase que resumeix l’essència de la recerca, deia: “no he fallat, només he trobat deu mil camins que no funcionen”. Per què llegim una i altra vegada que s’ha trobat el remei contra el càncer, i per què ens agrada que ens ho diguin? Anem millorant, això sí, però lentament i gràcies a molts i molts investigadors que mai arribarem a conèixer i que ens van preparant el llarg camí dels descobriments. De tant en tant, tal vegada els articles de divulgació podrien parlar del camí, més que el de les suposades arribades. Perquè la recerca és més semblant a l’Angya i a una caminada de 20 o 30 quilòmetres que a una cursa de 100 metres lliures.

I la divulgació no és fàcil perquè és un joc d’equilibris que hem de fer tot caminant. Alguns amics físics em comenten que la teoria de la relativitat pot explicar-se de tres maneres: amb un llenguatge rigorós que només entenen els físics, amb un llenguatge intermedi que requereix un petit esforç per part del lector (no superior al que cal per llegir poesia, per exemple) o amb un llenguatge entenedor per tot el món; el que passa, diuen, és que en aquest últim cas ja no s’està explicant res de la teoria de la relativitat. La divulgació ha de nedar entre dues aigües, i en això rau la seva dificultat. No hem de suposar que els lectors ho saben tot, però tampoc cal tractar-los com a nens, perquè si llegim és per descobrir, entendre i acabar comprenent. I això sempre comporta un esforç. El científic fa camí, però el lector d’articles de divulgació, també.

———

Per cert, en José Ramón Alonso s’oposa a l’arrogància occidental i en concret a l’interès d’alguns per confirmar que el cervell de l’home blanc és més gran que els altres. Diu a més que tenim l’obligació de deixar el món als nostres fills millor de com l’hem trobat, i pensa que no ho fem.

Placebos que curen

dijous, 12/01/2017

L’altre dia vaig llegir un article de la revista National Geographic que em va sorprendre. Tractava dels nous descobriments en relació als efectes placebo i nocebo. L’efecte placebo és la possibilitat de millora i fins i tot curació a partir de l’administració d’un cert placebo. En tot cas, com que els placebos no provoquen efectes fisiològics, caldria pensar que tot és degut a mecanismes psicològics. D’altra banda, es parla d’efecte nocebo quan un pacient anticipa una determinada experiència negativa i empitjora encara que objectivament no li hagi passat encara res.

Doncs bé, un estudi científic de Ted Kaptchuk i el seu grup, de la facultat de medicina de Harward, mostra que els placebos poden desencadenar autèntics esdeveniments psicobiològics i terapèutics. En certes persones, els placebos provoquen que el cervell cerqui mecanismes curatius “a la seva farmàcia” i que inundi el sistema nerviós amb neurotransmissors, neuromoduladors i hormones curatives. El més interessant de tot plegat, explica Kaptchuk, és que els placebos poden guarir encara que la persona sàpiga que ho són. Després de 21 dies de prendre un placebo, un grup de pacients amb el síndrome de colon irritable es van sentir molt millor que els d’un altre grup que no havien pres res, tot i que als primers se’ls anava recordant periòdicament de que el que estaven prenent era només això, un placebo. Això sí, als pacients se’ls havia explicat la importància dels placebos quan hi havia una actitud positiva i se’ls havia dit (cosa certa, com havia descobert el mateix Kaptchuk) que, en base a tests clínics molt rigorosos, les pastilles de placebo podien induir processos significatius d’auto-curació.

L’article de la revista National Geographic fa algunes consideracions divertides. S’ha vist que l’efecte és més clar si els pacients saben que s’han de prendre el placebo de manera rigorosa, sense saltar-se cap dosi. Els placebos cars tenen més efecte que els barats, com ja era d’esperar. Els que venen en embolcalls estètics i de disseny funcionen millor que els que trobem etiquetats com a medicaments genèrics, i les injeccions de placebo són més efectives que les pastilles. A França, el que millor funciona són els placebos en supositori mentre que els anglesos prefereixen les pastilles. Però en tot cas, el més eficient són sempre les falses cirurgies. L’article parla del cas de Mike Pauletich, que va ser falsament operat a la Universitat d’Stanford per curar-li el seu Parkinson prematur. Després d’una operació simulada, la seva millora va ser tan espectacular que ja ni recorda els seus símptomes. Ara que sap que l’operació va ser falsa, diu que no li importa perquè l’important és que s’ha curat.

Ja es veu que tot plegat no és fàcil, i queda molt camí per fer. Com diu en Ted Kaptchuk, treballar amb expectatives és molt complicat, perquè cal implicar estudiar un fenomen imprecís que només sabem mesurar de manera molt imprecisa i que a més és fortament inconscient… Però el tema és ben interessant, oi?

———

Per cert, en Josep Ramoneda cita el desaparegut Zygmunt Bauman i diu que l’escenari compost per una “política local sense poder” i per un “poder global sense política” porta al triplet angoixant de la incertesa, la inseguretat i la perillositat.