Entrades amb l'etiqueta ‘física’

Atiyah i Pugwash

dissabte, 26/01/2019

Fa dues setmanes, en Michael Atiyah ens va deixar. Molts diaris se’n han fet ressò. La Julie Rehmeyer, del New York Times, deia que Atiyah va ser un matemàtic britànic que va unir matemàtiques i física d’una manera mai vista des dels temps d’Isaac Newton. Quasi res. Ho va fer durant la dècada dels 1960. I el cert és que el seu treball amb el professor Singer del MITM va conduir, per exemple, al neixement de la teoria de les cordes com a possible manera d’entendre l’estructura i la dinàmica de l’univers, i va proporcionar poderoses eines tant per als matemàtics com per als físics teòrics. Michael Atiyah va ser investit doctor honoris causa per la UPC fa poc més de 10 anys, sent apadrinat pel llavors degà de la facultat de matemàtiques i estadística, Sebastià Xambó.

El teorema de l’índex que van desenvolupar Michael Atiyah i Isadore Singer va ser com un miracle per entendre les equacions diferencials (que són les que ens permeten modelitzar fenòmens del món físic com el comportament dels gasos i líquids, la deformació dels materials i molts altres). Atès que moltes vegades aquestes equacions no es poden resoldre, Atiyah i Singer van descobrir que al menys, el que sí es podia arribar a saber és quantes solucions diferents té una equació diferencial. Singer i Atiyah van construir un pont entre l’anàlisi i la topologia que va resultar molt fructífer: Per a qualsevol conjunt C d’equacions diferencials, van explicar que existia un objecte geomètric O que es podia formar a partir de C. A continuació, van utilitzar la teoria K (la teoria topològica que Atiyah havia construït amb Hirzebruch) per caracteritzar aquest objecte O, i van obtenir un valor enter (índex). La troballa va ser el fet de descobrir que, a partir d’aquest índex que mostra el nombre de forats de O (genus), es pot saber el nombre de solucions del conjunt inicial C d’equacions diferencials. Van passar de les equacions diferencials a la geometria (O), de la geometria a la topologia, i finalment van veure que la topologia explicava C.

En aquesta entrevista de l’any 2004, Michael Atiyah deia que si fóssim ordinadors, aquestes màquines que poden tabular grans quantitats de tot tipus d’informació, mai no desenvoluparíem cap teoria. Només caldria prémer un botó per obtenir la resposta (concreta, mai abstracte). Deia que la matemàtica és una evolució del cervell humà, que quan respon a les influències externes, crea una maquinària amb la qual pot atacar el món exterior. La matemàtica és la nostra manera d’intentar reduir la complexitat en simplicitat, bellesa i elegància.

En Michael Atiyah, però, també es va destacar pel seu rebuig a la guerra i per la seva defensa aferrissada de la Pau al món. Entre els anys 1997 i 2002 va ser president de la societat Pugwash i va coordinar les conferències Pugwash durant aquells anys. L’associació de científics Pugwash vol un món lliure d’armes nuclears i altres armes de destrucció massiva, i té com a objectiu desenvolupar i donar suport a l’ús de polítiques basades en l’evidència científica, centrades en àrees on hi ha riscos nuclears i d’armes de destrucció massiva. Pugwash vol fomentar discussions creatives sobre la manera d’augmentar la seguretat de totes les persones, promovent el desenvolupament de polítiques que siguin cooperatives i futuristes. Doncs bé, l’any 1998, i com a president de Pugwash, Atiyah va fer el discurs inaugural de la conferència que es va celebrar a Jurica (Queretaro, Mèxic) sota el lema “El llarg camí cap a la Pau”. El podeu trobar, per exemple, a “Books.Google” si cerqueu “Michael Atiyah address The Long Roads to Peace“. Després de citar els problemes concrets que tenia el món fa una mica més de vint anys (no massa diferents als d’ara), va dir això: “la imatge a llarg termini es centra en diferents aspectes: explosió de població, degradació ambiental, pressió sobre recursos del planeta, mega-ciutats, noves malalties, desigualtats. Aquests són els problemes fonamentals que dominaran el segle vinent. Però, més enllà de tots aquests problemes … tenim les possibles catàstrofes que poden engolir el món: actualment tenim armes nuclears, químiques i biològiques … Hi ha un perill inherent per la mera existència (i estat de preparació) d’aquestes armes … l’enorme càrrega econòmica imposada per la constant recerca d’armes millors i millors, dificulta el poder fer front a les necessitats reals del món a llarg termini”. Atiyah acabava dient que malauradament, el món en general prefereix les armes més que la mantega. Gran paradoxa en unes frases que avui mateix continuen sent totalment vàlides.

Si teniu una mica de temps, podeu gaudir-lo en directe en aquesta gravació de quan va donar la conferencia Gibbs l’any 1991 (força jove) o en aquesta altra de la seva xerrada als Laboratoris Cavendish l’any 2002 (ja no tan jove). A totes dues, per cert, es recolza en les famoses transparències d’acetat que tant havíem usat a xerrades i congressos. I una curiositat: les dues dates són anys palíndroms consecutius.

Les dues facetes de Michael Atiyah, la de matemàtic i la d’activista de la Pau, són ben properes, encara que a primera vista no ho sembli. Perquè la matemàtica es basa en l’abstracció, i la ciència arriba al convenciment dels nostres límits pel camí de la mesura i el pensament. Eines, totes dues, que ens ajuden a allunyar-nos de l’interès pel “bentenir” i del desig de violència. Perquè de fet, com molt bé explica l’Emilio Lledó, al principi de la cultura grega, felicitat i “benestar” eren sinònims de “bentenir: de tenir més, tenir terres, cases, esclaus, vestits. I per tenir més, moltes vegades cal manllevar-ho dels altres, amb violència. Més tard, en canvi, els mateixos filòsofs grecs van evolucionar cap al concepte del “benser”. Lledó diu que la pau interior del “benser” és conscient dels límits i es conforma amb ben poc, perquè la felicitat del “bentenir” no sols és impossible en un entorn de misèria, crueltat i violència, sino que les acaba incrementant. I he de dir que a mi, l’experiència em diu que els matemàtics i científics són molt més a la banda dels límits i del “benser” que a la del “bentenir“. Deu ser per això que, com va fer en Michael Atiyah, a molts els agrada treballar contra la violència i les armes i en pro de la pau mundial. Perquè el teorema d’Atiyah i Singer és perpetu, etern i global. I quan has descobert que la ment humana pot descobrir i crear veritats matemàtiques universals, difícilment pots acabar pensant que cal defensar “els Nostres” en contra “dels Altres”.

La imatge de dalt, que podeu trobar a aquesta web, mostra una de les escultures encisadores d’en Carlo Sequin. És una superfície d’una sola cara amb 4 vores i genus 10. En Carlo Sequin, professor de la Universitat de Califòrnia a Berkeley, va ser un dels pioners en el camp dels models geomètrics digitals.

——

Per cert, la Esther Giménez-Salinas explica que, al món, hi ha una proporció mitjana de només 10 dones per cada 100 delinqüents (la proporció de dones empresonades a Catalunya és un 7,61% del total). Diu que cal que analitzem en positiu aquesta resistència de la dona a la violència i al delicte.

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.

La taula periòdica d’Oliver Sacks

dimarts , 28/07/2015

El darrer article d’Oliver Sacks al New York Times m’ha impactat. El podeu llegir aquí.  Malauradament, no n’he trobat cap traducció. Parla de la meravella que és contemplar el cel de nit, i de la seva passió per la taula periòdica dels elements. L’any passat, quan va fer 81 anys, li van regalar una mica de tal·li. Aquest any, ha estat un trosset de plom…

L’Oliver Sacks diu que ara que veu la mort propera, sent la necessitat de tornar a gaudir de les ciències físiques, un món on no hi ha vida però tampoc mort. Quan fa poc va observar el cel de nit sembrat d’estrelles, se li va barrejar la sensació d’eternitat del cel amb la de trànsit i de mort.

 

 

El disseny dels ponts i les lleis de la física

dimecres, 28/11/2012

Golden_Gate_Bridge.jpg Alguns ponts, es fan mirar. El Golden Gate Bridge a San Francisco n’és un cas clar. Fixeu-vos en l’esveltesa del resultat. Compleix perfectament la seva missió sense cap necessitat de reforçar més les seves estructures. És prim i eficaç. El seu disseny és un exemple d’enginyeria sostenible que té en compte factors tan diversos com la càrrega dels vehicles que hi passen, el vent o els terratrèmols.

El dissenyador André Ricard diu que els bons dissenys afegeixen millores que semblen obvies, solucions de sentit comú. És la discreció del que és eficaç. Els bons dissenys han de ser útils i funcionals. Els bons dissenys no caduquen, no canvien amb les modes. No és fàcil millorar el disseny de les tisores, dels clips o de les bicicletes.

Els bons dissenys també són respectuosos amb la natura i amb les lleis de la física. Són funcionals, i alhora estalvien materials i energia. Tenen la bellesa de la simplicitat. Són una prova perdurable de que hem entès les lleis de la Natura i de l’Univers i de que ens hi hem adaptat. En molts cassos, un dels objectius del disseny és aconseguir que la Natura treballi per a nosaltres. I cada cop anem aprenent i ho sabem fer millor, això de que treballi per a nosaltres.

El Golden Gate és un pont penjant. Els dos cables principals que van d’una torre a l’altra serveixen per aguantar tota la part del pont que veiem entre les torres. Ho fan amb els cables verticals que també veieu a la foto. Si suposem que la càrrega de camions i altres vehicles al llarg del pont és uniforme, els dos cables principals adopten la forma d’una catenària. És la forma dels cables de les catenàries dels trens. Catenària deriva de la paraula llatina catenarius (cadena) perquè és la forma que adoptaria una cadena de la mateixa llargada. Tots els cables treballen a tracció, com cal i com ens diuen les lleis de l’estàtica (el pes del pont i de tots els vehicles que hi passen tendeix a estirar tots i cada un dels cables). Però si proveu de fer una maqueta de pont penjant amb dues torres (per exemple, de Lego) i una cadena, veureu que molts cops la cadena fa caure les torres cap al centre. Per això, al Golden Gate i als altres ponts penjants, els cables principals continuen a banda i banda de les torres fins quedar ben ancorats a terra ferma a cada un dels dos extrems del pont. El disseny aconsegueix que tot quedi en equilibri, perquè les forces horitzontals que estiren cada torre cap als seus dos costats s’equilibren entre elles. Les torres acaben només rebent una força resultant vertical que transmeten als seus fonaments (i han de ser prou rígides per evitar possibles efectes de vinclament). Tot plegat és senzill i clar. La mateixa imatge del pont ens explica com treballen i com es transmeten les forces. Si cerqueu imatges d’altres ponts penjants com el de Brooklyn, veureu que les regles de disseny són molt similars. No hi ha dubte que els ponts penjants són bons dissenys, no?. En tot cas, val a dir que el procés real de disseny és més complex, perquè inclou simulacions dinàmiques a més dels càlculs estàtics que hem mencionat. Els ponts han de poder resistir forts vents i fins i tot terratrèmols, i ho aconsegueixen amb flexibilitat, movent-se i adaptant-se a les forces de la natura. Les simulacions per ordinador permeten garantir a priori que el pont podrà assolir aquestes deformacions (i vibracions gegants) sense arribar a un risc de trencament. En els ponts (i en d’altres cassos), cal flexibilitat i capacitat de deformació per poder fer front a les catàstrofes. La rigidesa condueix al trencament.

Els grecs ens van deixar el llegat de la Filosofia i la Ciència. Els romans, després, ens van deixar el Dret i ens van mostrar com ser uns bons enginyers. Van fer magnifiques vies i ponts meravellosos. Molts dels ponts romans han arribat fins als nostres dies. A Salamanca hi ha dos ponts: el pont modernista d’Enric Estevan i el pont romà. Fins fa poc, un senyal a l’entrada del pont obligava els vehicles pesats a passar pel pont romà.

Però no tot són bons dissenys. Segur que recordem molts objectes que han acabat desapareixent del mercat. En el cas dels ponts, passa el mateix. Molts d’ells acaben tenint una vida més aviat curta. El pont de Bushbuckridge a Sud-àfrica va caure en el decurs d’una inspecció, l’any 1989. Un cartell al costat del pont sobre el riu Aragó a Santa Cilia de Jaca explica que les crescudes del riu han afectat molt els pilars de l’antic pont medieval i que l’actual passarel·la és només per a vianants. Però la veritat és que quan hi vaig ser, al juliol de 2011, no hi havia cap passarel·la: una crescuda del riu havia enfonsat el pont.

L’altre dia, un amic expert va ser molt critic amb el pont de l’exposició o de la peineta, dissenyat per Santiago Calatrava i construït a València. Compareu l’esveltesa del pont de la foto del principi d’aquest article amb la que teniu a sota. El disseny del pont de la peineta vol reptar les lleis de la física, amb una estructura de suport lateral i inclinada en forma d’arc, que fa que tota l’amplada del pont quedi en volada. El dissenyador no va voler connectar amb les lleis de la natura. El repte es va traduir en tones de ferro i d’estructures de reforç sota del pont, com es veu a la foto. És massís i contundent, tot i que només ha de salvar una distància de 131 metres, enfront dels 1280 metres del Golden Gate. El pont de la peineta es va pressupostar en 12.6 milions d’euros però va acabar costant 36 milions d’euros. Els dissenys que repten la física acaben pesant més i són molt més cars. En aquest cas, podríem fer la mateixa pregunta que Buckminster Fuller va fer a Norman Foster: Quan pesa el seu edifici, Sr. Foster?

Quan veiem un nou disseny val la pena repetir-nos la pregunta de Buckminster Fuller, no creieu?

Calatrava2.jpg

 

Per què els atletes salten d’esquena?

dimecres, 8/08/2012
High_Jump.jpg

Salt de Yaroslav Rybakov (de www.lasprovincias.es)

 

Fa cent anys, els atletes feien el salt d’alçada sense perdre la seva verticalitat i fent un moviment de tisora amb les seves cames. Per què ho fan tant complicat, ara?

L’explicació ens la donen les lleis de la dinàmica, formulades fa 325 anys per Isaac Newton. Newton ens va explicar que quan saltem, des d’el moment que perdem contacte amb el terra, el moviment és conegut i previsible. Si no considerem la fricció amb l’aire (que podem considerar menyspreable), les lleis de la dinàmica ens diuen que el centre de gravetat de l’atleta descriu un moviment parabòlic, i que a més, l’anomenat moment angular es manté constant durant tot el salt.

Centrem-nos primer en el moviment parabòlic. La corba que descriu qualsevol objecte que llencem o qualsevol persona o animal que salta, és una paràbola. L’aigua que surt de les mànegues quan reguem, el moviment d’una pedra que tirem, els salts de les granotes… tot són paràboles. Sabem, per la física, que l’alçada màxima a que arribarà la paràbola només depèn de la velocitat vertical en el moment de deixar el terra(*). Com més alçada demanem en el punt àlgid de la paràbola, més velocitat vertical necessitarem i per tant, ens caldrà més energia.

En saltar d’esquena, els atletes aconsegueixen una cosa realment sorprenent: passen per damunt del bastó mentre que el seu centre de gravetat (i la paràbola que descriu) passa per sota. Ens ho explica John Barrow al seu llibre “Mathletics”, citat per Rose Eveleth a la revista “Scientific American” d’aquest mes d’agost. L’atleta passa per damunt del bastó, però només ha d’esmerçar l’energia necessària per a fer que el seu “punt central” passi, en trajectòria parabòlica, per sota del bastó.

El centre de gravetat, el punt central d’un objecte, d’un animal o d’una persona, és un punt essencial a la física i a la dinàmica Newtoniana. Qualsevol objecte o persona, per mantenir-se en equilibri en repòs i sense caure, ha de mantenir el centre de gravetat damunt la seva base de sustentació. I tot objecte penjat d’un fil o d’una corda, queda en repòs de tal manera que el seu centre de gravetat és en un punt de la continuació imaginària del fil. Observeu per exemple la peça triangular en el mòbil de Alexander Calder de la imatge. Calder.jpg Si la pengem del fil primer per un punt i deprés per un altre, podem localitzar el seu centre de gravetat: pintem la continuació del fil en cada un dels dos cassos, i marquem el punt d’intersecció entre les línies que hem pintat. El centre de gravetat d’una pilota és sempre el seu centre geomètric, però en una poma o en un secador de cabell, la seva posició depèn de la forma concreta de l’objecte. Mireu ara la foto d’en Yaroslav Rybakov al principi d’aquest article. Si agafeu un ninot, li doneu la mateixa forma que veieu a la foto, i el pengeu d’un fil des de diferents punts, podreu comprovar que el seu centre de gravetat és un punt a l’aire, just per sota del bastó horitzontal.

Els humans ens podem doblegar, fent que el nostre centre de gravetat, el nostre “punt central”, quedi situat fora del nostre cos. Els insectes (per exemple, les llagostes i els grills) quan salten no ho poden fer. La rigidesa del seu exo-esquelet els ho impedeix. El seu centre de gravetat, el seu punt central, el que descriu una paràbola, és dins del seu cos. Si una llagosta gegant tingués la mateixa massa que un dels nostres atletes, hauria d’emprar més energia que l’atleta, per a fer el mateix salt: la seva trajectòria parabòlica hauria de passar per damunt del bastó i no per sota.

I què significa que el moment angular es conserva? Vol dir que el moviment de gir de l’atleta al voltant del seu centre de gravetat, durant el salt, també es troba predeterminat. És conseqüència directa de l’impuls en el moment de deixar el terra. Però en aquest cas, l’atleta té més marge de maniobra durant el salt. De manera semblant als que fan patinatge artístic sobre gel, si s’encongeix o s’estira podrà variar i regular la seva velocitat de gir. Amb molt d’entrenament, pot ajustar que l’esquena quedi horitzontal en el moment àlgid, i pot aconseguir una bona caiguda.

(*)  Nota: l’alçada màxima és proporcional a l’arrel quadrada del component vertical de la velocitat inicial.