Els cotxes híbrids endollables i l’energia local

dimecres, 10/04/2013

plugin_hybrid_car.jpg Cada cop es parla més dels cotxes híbrids endollables. Ja existeixen, i d’altres models sortiran ben aviat al mercat. Porten un motor de gasolina i un altre d’elèctric (amb una potència que ja pot ser de 100 CV). Per recorreguts de fins 50 quilòmetres no gasten gens de gasolina perquè utilitzen l’energia elèctrica de les seves bateries. En els cotxes híbrids endollables, el motor de gasolina és per seguretat i per a recorreguts més llargs. És ben segur que aquests cotxes aniran essent més i més atractius a mesura que creixi l’eficiència del seu sistema d’emmagatzematge elèctric. Els cotxes híbrids endollables poden quasi doblar el rendiment dels actuals cotxes de gasolina tot utilitzant una energia, l’elèctrica, que cada cop és més neta i renovable: com sabem, el valor de l’índex EROI per a l’energia elèctrica hidràulica i eòlica ara ja és més elevat que el de la gasolina. D’aquí a uns anys, l’energia per circular per les carreteres sortirà dels endolls i de la xarxa elèctrica.

Les xarxes elèctriques, quan es van començar a instal·lar a finals del segle XIX, eren unidireccionals, enviaven energia de les centrals als usuaris. De fet eren línies elèctriques de transport d’energia. Durant la primera meitat del segle XX van néixer les xarxes elèctriques modernes com a resultat de molts processos d’interconnexió que garantien seguretat i estalviaven costos. Però el creixement va ser lent. Fins el 1960 no es va aconseguir portar l’electricitat a casa de la majoria de gent dels països desenvolupats. I als anys 70 van venir els problemes. El consum es va disparar i es va fer molt més irregular. Van sorgir els anomenats pics de demanda: moments en els que molta gent, de cop, vol consumir més energia (la televisió causava molts d’aquests pics perquè, quan hi havia pocs canals i feien anuncis, tothom encenia la llum o es posava a fer coses). Els pics van ser el gran mal de cap dels gestors de xarxes elèctriques perquè, de la mateixa manera que un cotxe es cala si li demanem més potència de la que ens pot donar, quan les centrals elèctriques no poden aportar l’energia que demanen els usuaris en els moments de pic és quan apareixen els talls de llum. Es van estudiar aquests fenòmens dels pics, van sorgir els primers models teòrics (estocàstics) i les xarxes van incorporar generadors en ralentí, preparats per a actuar immediatament en els moments de pics de demanda: turbines de gas, centrals hidroelèctriques i altres. Les xarxes elèctriques són ara molt més sofisticades. El segle XXI és i serà el segle de la barreja d’energies, de les xarxes inteligents i de les energies alternatives. Les fonts d’energia són i seràn múltiples i diverses, perquè totes tenen avantatges i inconvenients. Les centrals tèrmiques convencionals (gasoil o carbó) són lentes i tenen una gran inèrcia perquè han d’escalfar la caldera i fer vapor. Les hidràuliques són de resposta ràpida, però cal que no tinguem un any de sequera. Els generadors eòlics i solars no contaminen, però no generen energía quan la necessitem, sinó quan fa vent o fa sol. Res és perfecte.

Els cotxes s’acosten a l’electricitat, i l’electricitat s’acosta a les renovables. L’energia elèctrica que se’ns ha fet imprescindible, actualment prové de moltes fonts. És una barreja anomenada combinació energètica. Totes les previsions diuen que, amb el progrés tecnològic i l’esgotament dels combustibles fòssils, les energies renovables (bàsicament eòlica i solar) tindran un paper fonamental en la barreja energètica d’aquí a unes dècades. Però a més dels problemes actuals relacionats amb la gestió de la xarxa elèctrica, les energies renovables comporten un nou problema i un nou repte: el de guardar energia. Guardem aliments, minerals, metalls i molts altres béns de consum perquè els ritmes de producció i consum no són coincidents. Per això construïm i gestionem magatzems. Amb el consum massiu d’electricitat i amb les fonts d’energies renovables, aquest problema ha arribat a les xarxes elèctriques. L’energia ja no es pot generar en el mateix moment en que es consumeix. Hem de dissenyar i gestionar magatzems d’energia. De fet, el concepte no és nou: les centrals hidroelèctriques de bombeig ja fan aquesta funció. Però en necessitem molts més, de magatzems d’energia elèctrica.

Sabeu què són les sigles V2G i V2H? Les tecnologies V2G (V2G vol dir “dels vehicles a la xarxa”, o “vehicle to grid” en anglès) permeten que les bateries dels cotxes híbrids, quan aquests estan endollats, serveixin de magatzems d’energia elèctrica. V2G és una proposta innovadora per a la gestió de les xarxes elèctriques del futur. És una proposta que suma i aprofita el que tindrem: les bateries dels nostres cotxes. La capacitat d’una bateria és insignificant, però la suma de capacitats de totes les bateries dels cotxes que en un cert moment estiguin endollats pot arribar a ser molt gran. Una abella pot guardar i transportar molt poc pol·len, però totes juntes fan la mel que trobem a les botigues i supermercats de tot el món. La proposta V2G ens diu que és millor aprofitar la suma dels petits magatzems ja existents, abans que pensar en fer-ne de nous. En l’esquema V2G, cada cotxe endollat és com l’abella que guarda un granet d’energia i que quan cal, la retorna a la xarxa. I a més del sistema V2G també tenim el sistema V2H. Els projectes V2H (“vehicle to home”) fan un èmfasi addicional en la localitat. Si aconseguim que l’energia s’utilitzi en domicilis i indústries propers als cotxes endollats que l’alliberen, podrem “aprimar” les xarxes, fer-les més sostenibles i transportar menys anergia.

Els projectes V2G i V2G són possibles gràcies als algorismes de control de xarxes. Aquests algorismes reben dades de múltiples sensors que van detectant les variacions de demanda i defineixen una estratègia de control en base a models predictius. Les xarxes elèctriques actuals i sobretot les del futur estaran comandades per ordinadors que recullen informació i que apliquen algorismes d’optimització amb restriccions (en molts cassos, de programació lineal) en temps real. Aquests algorismes són els que també hauran de decidir, en cada pic de demanda, quines són les bateries de cotxe candidates a aportar l’energia extra requerida, tot tenint en compte els límits i requeriments fixats per cada usuari individual i tot retribuint aquells que hagin guardat i fet donació de part de l’energia dels seus cotxes. Això, abans era impensable. Però ara, gràcies als ordinadors, als algorismes d’optimització i a internet, es pot fer. A la factura elèctrica del futur veurem tot un seguit d’abonaments perquè el nostre cotxe, tot estant endollat i carregant-se, haurà actuat i servit (amb el nostre permís) com a magatzem temporal d’energia de la xarxa elèctrica.

Els híbrids endollables i els projectes V2G i V2H estan arribant, encara que podríem dir que venen poc a poc. Malauradament, els esforços de les petrolieres i dels poders econòmics per mantenir el negoci i l’estat actual de les coses són ben palpables. I alguns països que podríem ser punters no ho som. El govern dels Estats Units té una web informativa sobre cotxes híbrids endollables, en anglès i en castellà. Fa una mica d’enveja, oi?

Nota: En aquesta web teniu una informació força exhaustiva sobre les xarxes elèctriques intel·ligents. I si us interessa i voleu profunditzar, aquí podeu llegir un article danès que compara tres projectes: el projecte V2G de la Universitat de Delaware als EUA, el projecte e-mobility de Berlín i el projecte danès Edison.

L’energia com a eina per a calcular costos

dimecres, 3/04/2013

Eolica2.jpg Sabeu què és l’EROI? EROI, en anglès, vol dir “Energy Return On Investment“. És el retorn energètic en base al que ens hi hem gastat. És una manera interessant de calcular el cost i el valor de l’energia. L’EROI es basa en l’economia de l’energia i no pas en la dels diners. Veiem-ho amb un exemple: l’EROI de l’energia eòlica té actualment un valor de 20 (vegeu nota al final). En d’altres paraules, aquest valor ens diu que l’energia que obtenim amb els actuals generadors eòlics és 20 vegades l’energia que hem necessitat per poder arribar-la a obtenir (construcció dels molins de vent, transport, muntatge, manteniment, etc.). En el cas de la gasolina i el gasoil, l’EROI ha anat baixant al llarg dels anys. Fa dècades era de 100, mentre que ara és de 16 perquè cada cop hem de gastar més i més energia per tal d’obtenir un litre de gasolina. Es diu que les fonts d’energia deixen de tenir sentit quan l’EROI arriba a valors propers a 5 o passa a ser més baix que 5. Per això, ben aviat l’extracció de petroli deixarà de ser rentable. L’EROI del petroli i dels seus derivats baixa constantment, mentre que el de les energies alternatives va pujant com a resultat dels resultats de les investigacions en aquest camp i dels nous processos productius. D’altra banda, és interessant veure que l’EROI del biodièsel de la soja, de l’energia nuclear i del petroli obtingut a partir de sorres bituminoses, a més d’altres (vegeu nota al final) és molt baix. Són energies poc rentables, tot parlant en termes energètics. En el cas de l’energia nuclear això és degut sobretot als costos d’enriquiment de l’urani i als de la gestió dels residus.

Una observació addicional: l’EROI no inclou els costos ambientals. En el cas de l’energia nuclear es té en compte el cost del tractament dels residus, però en els cas dels combustibles fòssils no es té en compte el cost associat a les emissions d’efecte hivernacle. Si es tingués en compte, és ben segur que l’EROI del petroli, gasolina, gasoil i carbó baixaria i que quedarien més mal situats.

El mateix article de la revista Scientific American explica de manera molt clara el rendiment que donen les diverses fonts d’energia. Imaginem que disposem d’un Gigajoule d’energia (un Gigajoule són mil milions de joules, o bé, en d’altres paraules, 277 kilowatts hora. És l’energia elèctrica que gastem a casa en uns quants mesos). Si aquest Gigajoule l’emprem en obtenir petroli, refinar-lo i convertir-lo en gasolina per usar-lo en el nostre cotxe, podrem recórrer 5792 quilòmetres i arribar fins Sibèria. Però si l’emprem en generar electricitat i utilitzem un cotxe elèctric, podrem recórrer quasi el doble: 10458 quilòmetres (són dades dels EUA; aquí, la comparació seria encara més favorable als cotxes elèctrics).

L’anàlisi és clarificador, oi? L’anàlisi de rendiment ens diu que val la pena anar cap als cotxes elèctrics i els híbrids endollables. L’energia elèctrica dóna un millor rendiment, a més de ser més neta i a més d’altres consideracions ambientals que també van al seu favor. I actualment, la millor energia elèctrica pel que fa a l’EROI és la que generem amb energies renovables: eòlica i hidroelèctrica. El rendiment de les nuclears i dels combustibles obtinguts per fracking és massa baix. D’altra banda, el futur del fracking i de les sorres bituminoses és dubtós. No és clar que siguin rendibles, i comporten importants perills mediambientals. La fotovoltaica té un EROI baix, però en un proper futur ben segur que quedarà més ben posicionada. Per què costa tant moure’ns cap a les renovables i cap als vehicles elèctrics i hibrids endollables?  Quins interessos hi ha darrera d’aquesta actual lentitud?

Malauradament, la política energètica Europea és molt deficient. De fet, la paraula “energia” ni tan sols apareix en els tractats de Roma. Alguns experts diuen que el sistema energètic Europeu és incoherent mentre que d’altres ja diuen directament que és inexistent. Aquí podeu llegir la carta que fa quatre mesos, el Consorci Europeu d’Acadèmies de Ciències, Tecnologia i Enginyeria va trametre al comissari Europeu d’energia. A Europa es fa molta recerca en energies renovables però de fet les polítiques energètiques són competència exclusiva dels Estats membres i, lògicament, acaben essent incoherents i fins i tot contradictòries. Per què, a Europa, no apostem més i de manera més coordinada per les renovables i pels cotxes elèctrics i híbrids endollables? Els nostres polítics, saben què és l’EROI?  Quins interessos hi ha, darrera del petroli? Per què Europa no té una política energètica més cohesionada i avançada i basada en vehicles elèctrics i híbrids endollables? Per què no fa una aposta ferma i sense escletxes per les renovables?

Nota: Aquestes dades han estat publicades al número d’abril del 2013 de la revista Scientific American. L’autor explica aquí d’on surten les dades, i aquí podeu trobar els articles més tècnics de la revista “Sostenibilitat”. En concret, els valors actuals de l’EROI per diferents tipus de fonts d’energia són:

  • Hidroelèctrica: més de 40
  • Eòlica: 20
  • Carbó: 18
  • Gasolina i gasoil: 16
  • Gas natural: 7
  • Solar fotovoltaica: 6
  • Biodièsel de la soja: 5.5
  • Petroli de sorres bituminoses: 5
  • Processos de fracking: entre 5 i 16, segons les fonts
  • Nuclear: 5

 

Els drets i els drons

dimecres, 27/03/2013

DretsHumans.jpg Hem aprés a construir ginys teledirigits i autodirigits. Les naus que enviem a Mart i a d’altres planetes són mostres evidents que sabem fer artefactes no tripulats que van on desitgem i que ho fan amb gran precisió. Els satèl·lits meteorològics són bons exemples de que tota aquesta tecnologia (barreja de sistemes de control i navegació, algorismes, sistemes energètics i de comunicacions) ens pot ser realment útil.

Els drons també són ginys teledirigits. Però els seus usos poden ser èticament molt més discutibles. Fa pocs dies, l’Antoni Bassas comentava que el senador del Tea Party Rand Paul va parlar durant quasi tretze hores al ple del Senat dels EUA que havia de votar la confirmació del nomenament del nou director de la CIA, John Brennan. El discurs de Paul es podia resumir en una pregunta que, en opinió de Bassas, captura tota una època de drets, tecnologia i por: ¿el president pot matar un americà sense judici? No deixa de ser sorprenent que al final, qui ho va dir va ser un republicà. El discurs de Rand Paul va ser ovacionat pels grups de drets civils, condemnat pels seus companys de la dreta republicana, contestat per la Casa Blanca i amplificat pels mitjans fins a convertir-lo en un “Houston, tenim un problema” per a Obama, diu Bassas.

Hem tardat molts segles en construir els fonaments del Dret i en establir les bases dels Estats de Dret. Als Estats moderns, els ciutadans deleguen la venjança en els jutges i tothom es sotmet als seus veredictes. La resposta a la pregunta de si el president d’un Estat pot matar un ciutadà sense judici, la podem llegir a la Declaració Universal dels Drets Humans. I la resposta és que no. No es pot matar sense judici previ. I tampoc amb judici, en els països en els que per sort hem abolit la pena de mort. La Declaració Universal dels Drets Humans, en els seus articles 3, 10 i 11-1 diu que tot individu té dret a la vida, a la llibertat i a la seguretat de la seva persona. Diu que tota persona té dret a ser escoltada públicament i amb justícia per un tribunal independent i imparcial. Diu també que té dret a la presumpció d’innocència mentre no es provi la seva culpabilitat en judici públic i amb totes les garanties per a la seva defensa.

Bucky Fuller va inventar el terme viviment (“livingry” en anglès) en contraposició a armament, o “weaponry”. Deia que cal reconvertir les actuals capacitats tecnològiques de l’home, traspassant-les des de l’armament cap un viviment avançat, cap a una tecnologia que reverteixi en tota la humanitat. L’Estat de dret es reserva el dret de la violència, però això, com tot, té els seus límits. I el limit el dóna el dret que tothom té a la vida i el dret que té a un judici just. No es pot parlar de que unes execucions siguin pitjors que altres. Totes són horribles. I també ho són tots els crims d’estat, les morts extrajudicials, les guerres secretes i totes les guerres. Preservar la vida i la dignitat humana és essencial. Cal combatre la hipocresia dels governs, que guanyen diners amb el comerç d’armes.

El poeta Luis Cernuda va oposar la dignitat de les víctimes al fragor de les armes. En el seu llibre “Las nubes” diu que les causes humanes, per dignes que siguin, mai poden prevaldre sobre els drets humans. Per Cernuda, la destrucció i la mort no es poden cantar ni glorificar sota cap pretext. Rafael Sánchez Ferlosio també ens parla dels drons i ens diu que poden portar-nos una inquietant mutació del mateix concepte de gratuïtat amb l’excusa que els bons “són els nostres”.

No hi ha drons bons i drons dolents. Els drons són simples màquines. El que sí hi ha és responsabilitat per part dels que en fan ús. Segurament caldria adaptar les normes del Dret a aquests nous ginys, tot establint regulacions que siguin compatibles amb els drets humans. És èticament correcte tenir drons que puguin matar selectivament? En quins cassos és correcte usar drons per observar, tot violant el dret a la intimitat? Cal detenir i jutjar, o podem matar directament? Com és que mentre que en alguns cassos l’Estat de Dret persegueix judicialment els responsables (cas GAL), estem veient molts altres cassos d’assassinats selectius que queden impunes? Perquè alguns governants poden fer el que volen?

Les postes de Sol i els equinoccis

dimecres, 20/03/2013

PostaSol.jpg Hem sortit al camp i estem gaudint d’una posta de Sol com la de Menorca que teniu a la foto d’aquí al costat. Voldríem compartir l’experiència. Us heu preguntat alguna vegada en quins altres llocs de la Terra estan també gaudint en aquest mateix moment d’una posta de Sol?

Hi ha dos dies a l’any en que és fàcil contestar aquesta pregunta: el de l’equinocci de primavera i el de l’equinocci de tardor. Per això és una pregunta d’actualitat. Justament avui, 20 de març, és l’equinocci de primavera. En els equinoccis, la posta de Sol és simultània en tots els punts de la Terra que són al mateix meridià. En d’altres paraules, avui la posta de Sol és simultània en tots aquells llocs que tenen la mateixa longitud geogràfica. Quan el Sol es pongui aquí, també ho farà a la ciutat de Lomé, a Togo. Però això no passa cap altre dia de l’any.

La línia de crepuscle és la línia de separació entre la part del nostre planeta que està il·luminada pel Sol i la part fosca. Va variant al llarg del dia a causa del gir de la terra. En els mapamundis la veiem com una projecció, que només és vertical els dies dels equinoccis. La seva forma canvia al llarg de l’any i ens explica coses sobre la durada dels dies i les nits i sobre les quatre estacions.

Aquesta aplicació interactiva de l’Agència Europea de l’Espai (ESA) ens mostra l’estat present de la línia de crepuscle (si no la veieu bé, aneu a aquesta web i feu clic al petit mapa que veureu a la dreta). És la imatge que ens mostren els avions de llarg recorregut, però en aquesta web la podem veure sempre i des de qualsevol lloc. Veiem on és de dia i de nit i qui està veient una posta de Sol. També ens mostra (en blau) la trajectòria de l’estació espacial internacional, la seva posició i els punts de la terra des d’on la podem veure al cel (són els de dins de l’el·lipse groga). Amb els botons vermells podreu modificar el temps per fer-lo anar més ràpid, i després tornar a la situació actual. Podeu provar d’entrar-hi diverses vegades al llarg de l’any i veureu que la línia de crepuscle va canviant lentament la seva forma. De fet, el canvi serà força evident les properes setmanes perquè és més ràpid prop dels equinoccis.

La imatge de sota mostra la línia de crepuscle el dia del solstici d’estiu. Fixeu-vos que, a les nostres latituds, el dia és molt més llarg que la nit. A més, es veu clarament que més amunt del cercle polar àrtic de l’hemisferi nord, sempre és de dia. En el moment que representa la imatge, el Sol s’està ponent a la vegada a Alaska, a Xile i a la costa atlàntica d’Argentina. No és una mica sorprenent, que les postes de Sol a les costes americanes del Pacífic i de l’Atlàntic siguin simultànies? D’altra banda, i com també veiem a la imatge, a la Xina està sortint el Sol. Si voleu entendre com evoluciona la línia de crepuscle, imprimiu dues còpies d’aquesta imatge. Feu servir una de les dues còpies de mapa i retalleu l’altra de manera que només us quedi la part fosca, la part que queda per sota de la línia de crepuscle. Si ara poseu la plantilla damunt el mapa i la moveu de dreta a esquerra (fent que la base de la plantilla coincideixi sempre amb la del mapa), veureu en quines zones es va fent de dia i de nit. Recordeu que els punts de la meitat dreta de la plantilla són els punts de la Terra on està sortint el Sol i que els punts de la seva meitat esquerra són els punts de la Terra on s’està ponent. En el solstici d’estiu, el Sol es pon alhora aquí i a la costa oriental de Sud-Àfrica. Si ara capgireu la plantilla i feu coincidir-ne la base amb la part superior del mapa, podreu experimentar el que passa el dia del solstici d’hivern perquè els solsticis són simètrics. A l’hivern i a les nostres latituds, la nit és molt més llarga que el dia.

Podeu trobar més informació i més dades sobre les estacions, els solsticis i els equinoccis en aquesta web, i també en aquesta (i en moltes d’altres). Tant aquesta pàgina com aquesta altra mostren imatges del nostre planeta.

A la realitat tot és més senzill que als mapes perquè no tenim les distorsions pròpies de les projeccions cartogràfiques. Com que el Sol és molt lluny i els seus raigs es poden considerar paral·lels, la Terra sempre té una meitat a les fosques (nit) i una meitat il·luminada (dia). En el globus terraqüi, la separació dia/nit (línia de crepuscle) és un cercle. El pla que conté aquest cercle (pla de crepuscle) talla la terra en dues meitats iguals, i és perpendicular al pla eclíptic perquè aquest pla de l’eclíptica conté tant la trajectòria de la Terra com el Sol. Què passa als equinoccis?  Doncs que els equinoccis són els únics dos instants de l’any en què el pla de crepuscle conté l’eix de la Terra. Sabríeu imaginar quina és la posició relativa entre aquest pla de crepuscle i l’eix de la terra al març, al juny, al setembre i al desembre?

Tal vegada us preguntareu quin sentit té parlar dels equinoccis i de la línia de crepuscle quan estem inundats de problemes i males noticies en aquest món de bogeria. La meva resposta personal (i no sempre transferible) és que la ciència pot ser un bon refugi per descansar i gaudir de la bellesa tot fugint del descontrol, de les injustícies, de la intolerància, de la violència i de la corrupció. La ciència, igual que l’hàbit de llegir, l’art o els esports, és un refugi (temporal, això sí, perquè no hauria de ser un mecanisme per escapar de la realitat). Tant en els solsticis com en els equinoccis, pot ser molt sa observar el cel, deixar anar la ment i pensar-hi tal com feien els nostres avantpassats fa més de dos mil anys, oi?

SolsticiEstiu.jpg

La finitud de les teories i l’actitud científica

dimecres, 13/03/2013

RellotgePraga.jpg Fa uns dies, em va sorprendre una opinió que vaig llegir al diari Ara del passat 16 de febrer. Deia així: “hi ha gent que manté una misteriosa fe que la ciència un dia arribarà a explicar el sentit i l’origen de tot. La majoria de mortals, però, necessitem buscar alguna explicació per allò que no té explicació racional: la vida i la mort”.

Sí que hi havia gent que pensava això ara fa més d’un segle, però no crec pas que trobem gaires científics actuals que pensin que un dia la ciència arribarà a explicar el sentit i l’origen de tot. Pel que fa a cercar explicacions sobre el perquè de la vida i de la mort, jo em quedo amb aquestes frases del filòsof Javier Gomá en el seu llibre “Todo a Mil”: “El món humà, tal com el coneixem, amb el seu amor, desig, plaer, virtut, filosofia, ciència i art, és totalment amarat de les meravelles que genera la nostra mortalitat i el nostre estat transeünt. Què és la filosofia sinó aprendre a morir? Què és la ciència sinó una lluita contra la imperfecció del món [que percebem]? Què és l’art sinó la promesa d’una felicitat que se’ns escapa?”.

Si alguna cosa sabem de segur, és que la ciència no arribarà a explicar el sentit i l’origen de tot. Fa més de vuitanta anys, Einstein ja ens ho deia: “en ciència, no existeixen les teories eternes. Al final, l’experiència sempre acabarà contradient algunes de les prediccions de les teories anteriors. Cada teoria té el seu període de desenvolupament gradual i triomf, passat el qual pot experimentar una ràpida davallada”. Einstein ens ho va explicar en un meravellós llibre de divulgació, “The evolution of physics, que va escriure junt amb Leopold Infeld l’any 1939 (el tenim en versió castellana de l’editorial Losada; la cita és de la pàgina 68). Les teories científiques són com tot en aquest Univers: neixen, creixen, donen lloc a d’altres teories, i al final moren.

Més endavant, en el mateix llibre, Einstein ens prevé contra la vanitat científica. Diu: “els conceptes físics són creacions lliures de l’esperit humà i, encara que ho sembli, no estan únicament determinats pel món exterior. En el nostre desig de descriure la realitat, ens assemblem a algú que volgués entendre i descriure el mecanisme invisible d’un rellotge del què no pot obrir la caixa i del què només veu el moviment de les agulles i sent el tic-tac. Si és una persona enginyosa i intel·ligent podrà imaginar un mecanisme que sigui capaç de generar tots els efectes que observa. Però mai no podrà estar segur que la seva imatge és l’única que els pot explicar. Mai no podrà comparar les seves teories amb el mecanisme real i ni tan sols no podrà concebre el significat d’una comparació que li està prohibida”.

La ciència no és pas tan lluny de la filosofia. Se’n va allunyar amb la Il·lustració i al segle XIX, però ara torna a ser-ne molt més propera. El científic sap que les teories actuals són finites, igual que ho van ser la teoria de les esferes de Ptolomeu i moltes d’altres. El científic, com el filòsof, es pregunta per tot i no es conforma amb les explicacions habituals. Es pregunta, llegeix els clàssics i les teories existents, pensa, relaciona, experimenta, fa abstracció i crea coneixement.

L’actitud científica comença amb l’admiració, com la filosòfica. Segons Aristòtil, cal sorprendre’s i sentir admiració. Qui es planteja un problema o s’admira d’alguna cosa reconeix la seva ignorància. L’actitud científica segons Einstein implica experimentar, voler entendre, posar en dubte les teories existents i saber que les noves teories tampoc no seran definitives. És l’actitud que, segons Jordi Wagensberg, ens cal per poder sobreviure i tenir pensament crític en aquest món. Wagensberg s’interroga sobre la impossibilitat de tenir judici crític en l’actual entorn científico-tècnic, si l’ignorem. Abans, els humans es preguntaven sobre l’Univers. Ara, a més, ens hem de preguntar sobre els perquès dels nostres propis invents i ginys: les telecomunicacions, internet, el transport, les energies, l’armament i molts d’altres. Freeman Dyson diu que en el món d’avui hauríem d’iniciar els nostres nens en la ciència, si el que volem és que siguin crítics i que es rebel·lin contra la pobresa, la lletjor, el militarisme i les injustícies econòmiques. Aquesta web inclou d’altres opinions de Freeman Dyson sobre l’actitud científica.

Dyson ens ho diu molt bé. L’actitud científica no és patrimoni dels ambients tancats dels laboratoris de recerca. Ens cal a tots, per a poder sobreviure i tenir pensament crític en el món actual. I ens cal saber transmetre-la als nens i als joves.

 

L’arc de Sant Martí, Newton, Goethe i Schopenhauer

dijous, 7/03/2013

ArcSantMarti.jpg Abans de Newton, ningú no havia estudiat a fons l’arc de Sant Martí ni s’havia demanat perquè les pomes dels arbres cauen justament cap al terra. La gent gaudia dels colors al cel però no es feia preguntes sobre aquests fenòmens. El món i l’Univers eren simplement màgics. Però amb el seu esperit científic i renaixentista, Newton no es va conformar amb només mirar. Newton tenia l’actitud aristotèlica de sorpresa i admiració. L’admiració i la perplexitat pel que estava veient el van empènyer a cercar explicacions per interpretar els fenòmens que tothom trobava naturals i habituals. Isaac Newton es va poder adonar del substrat que hi havia en els fenòmens quotidians, els va comprendre i va acabar formulant lleis físiques que els explicaven. Ens va obrir la primera capa de la capsa màgica.

Newton va escriure la seva teoria sobre la llum i els colors i la va enviar a la Royal Society l’any 1672. Aquí teniu i podeu llegir l’escrit original de Newton (les “Philosophical Transactions” de la Royal Society són accessibles i públiques a la web). Isaac Newton va investigar la refracció de la llum i va poder crear arcs de Sant Martí de laboratori. Amb els seus experiments va demostrar que un prisma triangular podia descompondre la llum blanca en tots els colors de l’espectre. A continuació, amb una lent i un segon prisma va saber tornar a agrupar l’espectre multicolor, tot reproduint la llum blanca inicial. Ho va explicar en la seva teoria del color. En ella, Newton també explicava que el color dels objectes és el resultat de la seva interacció amb la llum (que ja té un color determinat). En d’altres paraules: la llum blanca ja conté tots els colors, i els colors no són una propietat dels objectes sinó que són una propietat de la llum. El color dels objectes és conseqüència de la interacció entre el seu material i la llum.

Un segle i mig més tard, el 1810, Goethe va publicar una nova teoria dels colors. Goethe va ampliar el concepte de colors fonamentals (que segons Newton eren només els de l’arc de Sant Martí), tot afegint els colors complementaris: el del vermell, que és el turquesa (“cyan“), el del verd, que és el porpra (“magenta“) i el del blau, el groc. El cercle de colors de Goethe incloïa els colors considerats per Newton juntament amb els seus complementaris.

Schopenhauer, en un gest d’apropament a Goethe (el seu mestre), es va interessar pels colors i finalment va decidir escriure el seu propi llibre.  Schopenhauer va escriure un llibre sobre la visió i els colors en dos mesos. Però el gest no li va sortir gens bé. Podríem dir que en unes poques setmanes va passar de l’admiració pel seu mestre a l’auto-admiració. En el seu llibre, Schopenhauer no sols corregia i esmenava la teoria de Newton sinó que fins i tot s’atrevia a criticar la teoria dels colors del seu mestre Goethe amb frases arrogants i poc meditades. Va dir que ell i només ell havia entès la “veritat” de la teoria dels colors, i que algun dia la seva teoria s’estudiaria a les escoles. Goethe, que havia escrit la seva teoria dels colors en base a vint anys d’experiments, no va poder entendre cóm era que el seu deixeble s’atrevia a esmenar-li la plana sense fer experiments i en dos mesos. Goethe es va sentir ferit i va menysprear Schopenhauer. Però l’experimentador Goethe i el pensador Schopenhauer no eren tan lluny l’un de l’altre: tots dos van concloure que la nostra percepció dels colors és subjectiva. Segons Schopenhauer (i Plató) el món és la nostra representació, és la representació de cada persona que el percep.

Qui tenia raó? Doncs tots ells, perquè el color és un concepte polifacètic. Físicament, tots els colors que veiem són barreges dels colors de l’arc de Sant Martí, com deia Newton. Cada color de l’arc de Sant Martí és un color pur, format per fotons tots iguals i de la mateixa freqüència. No hi ha més fotons visibles que els que veiem en l’arc de Sant Martí. En la llum blanca hi són tots barrejats, però els prismes i l’arc de Sant Martí els separen. Canviant les proporcions en què barregem fotons de l’arc de Sant Martí, obtenim tots els colors de la nostra vida. Mireu la imatge del final d’aquest article. Hi podeu veure la potència espectral de dues bombetes LED: una de color blanc fred (dalt) i una de color blanc càlid (a sota). L’eix de les abscisses ens mostra la longitud d’ona dels fotons dels colors purs de l’arc de Sant Martí, en nanòmetres. Les dues gràfiques ens indiquen les proporcions en què hem de barrejar els fotons per tal d’obtenir cada un dels dos colors. Qualsevol color que vegem, sigui natural o artificial, es defineix amb una gràfica com aquestes que n’indica la seva potència espectral: les proporcions en què cal barrejar els colors de l’arc de Sant Martí.

Però segons les teories perceptives, el color és la sensació causada per la llum quan aquesta interactua amb l’ull, el cervell i la nostra experiència. I aquí ens apropem més a Goethe i Schopenhauer. Els humans percebem el color gràcies a unes cèl·lules de la retina anomenades cons. A més dels bastons que només són sensibles a la claror, tenim tres tipus de cons que detecten zones diferents de l’espectre. Uns tenen màxima sensibilitat en la zona dels vermells, uns altres en la dels verds i uns darrers en la zona dels blaus. En el seu funcionament, la nostra retina no és massa diferent dels sensors de les càmeres de fotos digitals, que també capten per separat el vermell, el verd i el blau. En tot cas, després el cervell agrupa i processa la informació visual en tres canals: el canal verd-vermell, el canal blau-groc i el canal blanc-negre que ens indica el grau de claror o de foscor. Finalment, tot el que recordem es basa en els valors d’aquests tres canals. El nostre sistema perceptiu ha anat evolucionant durant milions d’anys i ha acabat en un sistema que filtra i processa només aquests tres canals, aquest destil·lat de l’espectre de color. És poc però ens és suficient per viure.

És per això que, per explicar els colors, habitualment no usem les corbes de potència espectral que teniu al final. Si el nostre cervell només percep tres canals, no cal pas matar mosques a canonades. No té sentit explicar els colors en base a tot el seu espectre. És per això que la majoria de models de color és descriuen amb tres valors o components. Tenim el model additiu RGB, els models subtractius CMY i CMYK, el model CIE i models perceptius com l’HSV. En cada un d’aquests models (excepte el CMYK) els colors es representen amb una terna de valors. Per exemple, en el model RGB, el color groc pur és el (1,1,0). El model RGB és útil quan generem colors barrejant fotons, com a les pantalles dels ordinadors i telèfons mòbils, mentre que els models CMY i CMYK s’utilitzen en casos en que el que veiem és la reacció d’un material sota l’efecte de la llum (arts gràfiques, llibres, diaris, aquarel·les, papers pintats, llibres de tinta electrònica). El model HSV és perceptiu i probablement més intuïtiu: en aquest cas, el valor H indica el punt més proper en l’espectre (color més vermellós o més verdós) mentre que el valor S de saturació indica si el color és pur o més tirant a pastel, i el valor V indica si el color és clar o fosc. Tot plegat, però, és un tema de convenció perquè disposem de formules per passar de qualsevol model a qualsevol altre.

Amb Maxwell, Einstein i Planck, hem entès que la llum és radiació electromagnètica i que el color és una barreja de radiacions de diferents freqüències de la mateixa manera que la música és una barreja de sons de freqüències també diferents. Hem après a generar radiacions electromagnètiques no visibles, i per això tenim forns de micro-ones, ràdios, televisors i telèfons mòbils. Hem creat sensors que poden veure en canals i freqüències més enllà de la nostra percepció. I tenim càmeres que capten colors no visibles: des de les càmeres d’infrarojos als radiotelescopis. En definitiva, hem construït ginys per veure l’invisible. Aquí podeu llegir una aplicació ben actual: els arqueòlegs estan trobant restes i runes enterrades a la sorra del desert de Líbia en base a les petites diferències de temperatures que capten les càmeres d’infrarojos dels satèl·lits.

Tot això venia al cas de l’arc de Sant Martí. Però, a més dels colors, l’arc de Sant Martí amaga moltes més preguntes. Us heu preguntat alguna vegada per què té forma d’arc? Sabeu quin gruix té? El veiem sempre igual de gran, al cel? Quan el veiem, és molt lluny de nosaltres? Apareix en qualsevol direcció (nord, sud, est, oest) o bé alguna d’aquestes orientacions és més probable que les altres? Si sentiu curiositat, vegeu la nota aquí al final.

Nota: L’explicació física de l’arc de Sant Martí és ben coneguda. L’arc es forma quan la llum del Sol incideix sobre petites gotetes d’aigua de pluja o que es troben en suspensió en l’atmosfera. Cada goteta fa de prisma, i produeix la refracció (canvi de direcció) del raig de llum. El que passa és que l’index de refracció de l’aigua és diferent per a cada una de les freqüències (colors) de l’espectre visible: aquest índex és de 1,3314 per als fotons de color vermell i de 1,3445 per als de color violat. Els raigs de llum del sol que arriben a les gotes d’aigua ja hem vist que contenen fotons de tots els colors de l’espectre. Però cada fotó es desvia amb un angle que depèn de l’índex de refracció i que com hem vist, és diferent per a cada color. Les gotes d’aigua fan desviar els fotons més o menys en funció del seu color. Suposant que les gotes d’aigua siguin esfèriques (cosa que és certa per mides menors que un mil·límetre), els fotons de color vermell surten desviats amb un angle de 42 graus, mentre que els blaus hi surten amb un angle de 40 graus (aquests angles són aguts i de fet les gotes d’aigua actuen quasi com a miralls, perquè dins seu es produeix una doble reflexió a més de dues refraccions). En d’altres paraules, i pel color vermell, l’angle SGP (amb vèrtex a la gota G, on S és el Sol i P és la persona que observa l’arc) és sempre de 42 graus. Com que el Sol és molt lluny, l’angle SPG amb vèrtex a la persona que observa és el seu suplementari i val 138 graus. El color vermell de l’arc de Sant Martí el veiem a tots els punts del cel que formen un angle de 138 graus amb la direcció del Sol. Això vol dir que mai veurem un arc de Sant Martí en direcció al Nord, perquè el Sol sempre serà a la nostra esquena. Si és el migdia, el veurem en direcció Sud mentre que si el veiem al capvespre, el trobarem en direcció Est. Una altra manera de pensar-hi (si fa Sol mentre l’estem mirant) és fixar-nos en l’ombra del nostre cap sobre el terra. La direcció (li direm d) que va dels nostres ulls a l’ombra és la contrària de la direcció del Sol. Veureu que l’arc de Sant Martí descriu exactament un con, al cel. És el con de tots els punts del cel que formen un angle de 42 graus amb la direcció d (pel color vermell) i de 40 graus (pel color blau) amb la mateixa direcció d. Justament per això, l’arc de Sant Martí no el veiem sempre igual de gran, al cel. Quan el Sol és baix, al capvespre, és clar que veiem un tros molt més gran de con (només en veiem la part de damunt de l’horitzó, és clar). Els migdies, els arcs són molts més petits. I el seu “gruix” aparent és sempre de 42-40 = 2 graus d’arc. El gruix de l’arc de Sant Martí és unes quatre vegades més gran que la mida aparent de la lluna plena. I quan el veiem, no podem saber si és molt lluny de nosaltres. De fet, el color de cada punt del vermell (o de qualsevol altre color) de l’arc de Sant Martí és la superposició de raigs que venen de moltes gotetes. Totes les gotetes que veiem justament en la direcció que estem mirant (tant si estan lluny com a prop) ens envien fotons exactament del mateix color perquè totes elles es troben en el con i en el mateix angle.

Espectre_LEDs.jpgImatge de: http://www.blue-room.org.uk/index.php?showtopic=39052

Flors enmig de la crisi

dissabte, 2/03/2013

El diari d’ahir ens va obsequiar amb una d’aquestes rares noticies que són com una flor enmig de la grisor i del desencant. Va ser tema del dia del diari Ara: Matemàtics de la UB, la UAB, la UPC i el Centre de Recerca han signat un conveni i han creat la Barcelona Graduate School of Mathematics, la BGSMath.

La creació de la BGSMath ha aconseguit unir tota la massa critica que té Catalunya en l’àrea de les matemàtiques. Quan veiem una cosa que es fa bé, quedem sorpresos. És simptomàtic que ens sorprengui, no? En el món universitari, estem més aviat acostumats a la bogeria de voler fer-ho tot a tot arreu. L’habitual és voler tenir el màxim de titulacions, de grau i de màster, a totes i cada una de les Universitats (i si pot ser a la nostra ciutat, millor que millor). Encara que al final acabem tenint molts pocs estudiants a moltes d’elles.

Un dels objectius de la BGSMath és el d’unir recursos per captar bons estudiants estrangers, oferint una oferta interuniversitària d’excel·lència, i agrupant el millor de cada universitat. Segons el director del Centre de Recerca Matemàtica (CRM) i catedràtic de la UAB Joaquim Bruna, la idea és racionalitzar millor l’oferta d’una manera coordinada, sumar esforços i sobretot guanyar visibilitat internacional.

Ara se’ns diu que els alumnes que volen especialitzar-se a través de màsters, doctorat i recerca lògicament han d’anar a fer-ho a les Universitats de referencia en la seva àrea de treball. Llegim també que es vol traslladar la formula a altres àrees de coneixement i avançar en l’especialització i en l’oferta de màsters i doctorats d’excel·lència. És clar que cal fer-ho així. Molts ho dèiem des de fa temps. En tot cas, diuen que més val tard que mai, oi?  És esperançador veure que algunes vegades ens animem a fer allò que diuen els anglosaxons: “never waste a good crisis” (no desaprofitis mai una bona crisi).

La creació de la BGSMath ens mostra que és possible anar junts, aprofitant i racionalitzant recursos i millorant la qualitat. És molt millor tenir una única “Escola de Graduats” a Barcelona que agrupi els millors professors de cada una de les Universitats, que no pas tenir màsters a cada Centre de cada Universitat (màsters que ben segur que no podrien pas tenir tan bons professors). És molt millor agrupar-se i vendre la “marca Barcelona” com a valor afegit a l’hora de captar bons estudiants que no pas malviure amb molts màsters precaris que bàsicament s’acabarien nodrint d’estudiants locals. En el món global, els nostres màsters i doctorats comencen a treure el cap i a tenir vocació global. I una de les primeres, ha estat l’àrea de les matemàtiques. Fantàstic!

Màquines per veure i percebre

dijous, 28/02/2013

InsectesRobotics.png

Insecte robòtic, de Harward

A Barcelona, aquests dies tenim el congrés internacional dels mòbils, el WMC. Mentrestant, al Laboratori de micro-robòtica de la Universitat de Harvard estan experimentant amb insectes artificials, com podeu veure en aquest vídeo (si voleu, en aquest altre vídeo podeu veure’n el disseny i procés constructiu).

El congrés internacional dels mòbils és noticia perquè els telèfons mòbils són noticia. Com que hi ha mercat, hi ha negoci. Des de fa uns anys, els mòbils han esdevingut les nostres joguines ubiqües, aquests aparells que sempre portem al damunt i dels quals probablement som massa dependents. Els insectes artificials de Harvard són notícia perquè, com diuen Radhika Nagpal i Robert Wood del Microrobotics Lab, una de les seves aplicacions futures pot ser  detectar i localitzar persones atrapades i sepultades com a conseqüència de catàstrofes naturals (o artificials). Els insectes podran volar i ficar-se per escletxes tot cercant indicis (canvis de temperatura i de concentració d’anhídrid carbònic, sorolls) que indiquin la presència de persones vives.

Què tenen en comú els telèfons mòbils i els micro-insectes robòtics de Harvard? Els sensors. Uns i altres són màquines per estendre els nostres sentits. Màquines per veure, sentir i percebre el que és més enllà de la nostra percepció directa. Els telèfons actuals porten GPS per saber on som, brúixoles per si ens volem orientar i sensors de verticalitat que fan que les fotos girin automàticament quan girem el telèfon. Ens podem descarregar aplicacions que ens informen de l’estat del cel o de la posició dels astres. De fet, els actuals telèfons són contenidors d’aplicacions amb uns quants sensors (micròfon, càmera…) i un altaveu. Fa poc, el meu telèfon va començar a anar cada cop més lent. Vaig decidir-me per la solució dràstica i coneguda d’apagar i tornar a engegar. Quan ja estava a punt de fer-ho, vaig veure aquest missatge: “Ens sap greu, l’aplicació telèfon ha deixat de funcionar”. En aquests dispositius, el telèfon tan sols és una aplicació més, una entre les moltes que contenen. Com la brúixola o el pronòstic del temps. Aplicacions que utilitzen sensors. No tan lluny, de fet, del funcionament dels micro-insectes robòtics. En aquests insectes, els seus sensors visuals, químics i acústics són els que permetran controlar-ne el comportament i el vol. Tot, sobre la base d’una limitada percepció de l’entorn i de la comunicació amb els companys de l’eixam robòtic. Una petita aplicació informàtica en el seu xip de control els ajudarà a volar, detectar, memoritzar i tornar al campament base per tal d’informar del que hauran trobat.

Els humans mai no ens hem conformat amb les nostres limitacions perceptives. Una bona part dels artefactes que hem anat inventant al llarg dels segles han estat per poder veure i sentir més enllà dels nostres sentits. Els miralls van ser molt emprats en les civilitzacions egípcia, grega, etrusca i romana. Els texts bíblics de fa 3500 anys ens expliquen que els sacerdots feien servir espills per veure els seus defectes i imperfeccions quan es rentaven. Galileo Galilei va descobrir que Júpiter tenia satèl·lits (llunes) amb el telescopi, i pocs anys després, Anton van Leeuwenhoek va construir els primers microscopis a mitjans del segle XVII. Els periscopis van permetre que els tripulants dels submarins poguessin veure-hi des de sota l’aigua. Ara podem veure moltes coses que abans, fa segles, no podíem. El fonendoscopi i els micròfons amb amplificadors ens permeten escoltar l’imperceptible. I des de fa pocs anys, amb la televisió i internet veiem a distància (la paraula tele-visió ho diu ben clar) i ens podem passejar per tot el món des del sofà de casa.

Ara, els telèfons ens porten la veu dels nostres fills i amics quan són lluny. Amb aplicacions con Skype  podem veure’ls i escoltar-los. I les càmeres de xarxa, les anomenades “web cam” són com milers d’ulls artificials que tenim al nostre abast. Podem veure allò que realment està passant ara mateix al Pirineu o a la costa. Fins i tot hem enviat ulls robòtics a observar altres planetes: en tenim a Mart. Aviat tindrem insectes robòtics que miraran per nosaltres. I tenim aplicacions per als telèfons mòbils amb sensors per a millorar els nostres hàbits i la nostra salut.

El segle XXI està essent el segle dels sensors. Assistim a una constant ampliació de la informació que podem percebre. La simbiosi entre sensors, internet, comunicacions i informàtica ha creat un gran sensor global que ara és a l’abast de tothom. Tenim màquines per veure i percebre. Però la responsabilitat del seu ús és com sempre, nostra. Tot plegat és clar que té els seus riscos. A mi m’agradaria que aquests nous sistemes servissin per poder viure millor tots plegats i també per poder comprendre i pensar críticament. El sensor global és una bona eina per comprendre, denunciar i actuar. És una eina molt potent que la societat civil comença a tenir a les seves mans.

Els retards surten cars

dijous, 21/02/2013

BicisNens2.jpg Aquesta és una de les frases que encara recordo, després de més de quaranta anys, dels meus professors de control automàtic: els retards són cars.

Però cada dia veiem situacions en que caldria actuar i ningú no hi fa res. La pràctica dels nostres dirigents sembla ser més propera al “qui dia passa, any empeny” que al “el que puguis fer avui no ho deixis per demà”.

Un exemple, del diari d’abans d’ahir: “El dèficit de tarifa elèctrica va disparar-se fins als 4.282 milions d’euros el 2012, un 16% més del previst. La diferencia entre ingressos i costos del sistema elèctric gairebé va triplicar el límit legal de 1.500 milions anuals. Aquesta xifra se suma als 24.000 milions de dèficit tarifari que s’havien acumulat fins al 2011″. I la veritable noticia és que ningúno hi fa res. Ningú no fa res encara que tenim experts que fa anys que estan proposant solucions.

La teoria de sistemes dinàmics és apassionant. L’Univers és ple de sistemes que canvien al llarg del temps. La teoria de sistemes n’estudia el comportament i evolució, la dinàmica (vegeu nota al final). Les galàxies, el nostre planeta, els ecosistemes, molts dels nostres artefactes i fins i tot les societats són sistemes que creixen, evolucionen i acaben morint. Alguns sistemes no els podem controlar, però en d’altres sí que ho podem fer. No podem controlar el moviment de la Terra al voltant del Sol (sortosament) però no ens és gaire difícil de controlar el cotxe, la bicicleta  o els esquis si abans n’hem après. Els músics controlen de manera sublim els seus instruments i els científics han après a controlar naus no tripulades que aterren suaument al planeta Mart. Ens passem la vida controlant dispositius. Però una de les coses que ens explica la teoria de sistemes és que quan actuem hem de ser molt curosos amb els retards. Els retards són cars.

De fet, si disposem de bones previsions, el millor és actuar amb antelació, tot avançant-nos als problemes. Si anem per l’autopista i veiem que els cotxes, allà lluny, es van aturant, el més adient que podem fer i el que els nostres frens agrairan, és anar frenant a poc a poc. Si veiem que ha de ploure, el millor que podem fer és endreçar la roba estesa abans que s’hi posi. I tothom sap que el millor per a la nostra salut (i el més econòmic) és el diagnòstic precoç.

En d’altres casos, la previsió no és possible i hem d’aprendre a actuar al mateix temps que el fenomen. Són situacions d’una especial bellesa. Quan conduïu en corbes, esquieu o aneu en bicicleta en un lloc amb obstacles que heu d’anar evitant, acabeu interpretant una dansa perfectament coordinada entre vosaltres i la màquina o sistema que heu de controlar. Tot va bé, domineu la situació. Controleu.

Però pensem ara en aquests mateixos tres exemples (cotxe, esquí, bicicleta)  i suposem que teniu un moment de distracció. Estem conduint i el de davant frena de cop mentre estàvem canviant l’emissora de ràdio. Es fàcil veure (i calcular) que una distracció, encara que sigui petita, pot ser fatal. I és clar que el dany és habitualment més irreparable a mesura que creix el retard en reaccionar. La raó (vegeu nota al final) és fàcil d’entendre. Molts sistemes, quan els deixem de controlar, entren en situacions inestables. En els sistemes lineals, aquests estats o situacions inestables fan que tot es vagi desviant de manera exponencial. Si en una dècima de segon la nostra bicicleta es desvia un centímetre, cada dècima següent de segon es desviarà el doble: en dues dècimes de segon, dos centímetres; en tres dècimes de segon, quatre centímetres; en quatre dècimes de segon, vuit centímetres. Si continueu multiplicant per dos, veureu que al cap de un segon, la bicicleta s’haurà desviat cinc metres. Si el nostre retard és de un segon, ho tenim malament…

Els retards poden fer entrar els sistemes en situacions inestables i en comportaments que s’anomenen de “catàstrofe“. En molts d’aquests casos passa el mateix que en l’exemple de la bicicleta. En els comportaments inestables exponencials, cada cop que doblem el retard hem d’esmerçar-hi el quàdruple d’energia i tenim un cost quatre vegades més gran.

Formem part de molts sistemes (socials, polítics, empresarials, financers). Els qui ocupen càrrecs de responsabilitat poden intervenir-hi de diverses maneres. Algunes actuacions tenen un preu baix, però d’altres, quan es tarda massa a reaccionar, surten realment cares. Moltes actuacions es fan pensant en els guanys a curt termini, siguin vots a les següents eleccions o enriquiment personal fàcil. Malauradament, moltes d’aquestes decisions acaben empobrint-nos a tots, a la majoria de la societat. Quan finalment s’hi ha de posar remei, ho hem de pagar entre tots i surt caríssim. No cal posar masses exemples. Tots en sabem. Ho veiem constantment als diaris i als mitjans de comunicació: despreocupació pel medi ambient, manca de regulació del sistema financer, desnonaments, manca de solidaritat, baixa prioritat per l’educació i pel sistema de ciència, recerca i tecnologia, etc. I no és difícil inferir, per a cada un d’aquests casos de retard en les decisions, qui és que n’està sortint beneficiat a curt termini.

Ens cal gent que sàpiga actuar amb mesura, que entengui les conseqüències dels retards i que pensi amb criteri científic. Hem inventat paraules equívoques per definir els qui, a la nostra societat, no creen ni valor ni productes. Ni l’enginyeria financera és obra dels enginyers, ni els anomenats tecnòcrates han estudiat res de tecnologia. Si haguessin estudiat teoria de sistemes sabrien que molts cops, deixar les coses per més endavant pot ajudar a guanyar diners o a no perdre’n tants a curt termini, però que al final això acaba essent pa per avui i fam per demà. De fet, probablement ja ho saben. I saben, com diu en Johnn Ralston Saul al seu llibre, que els diners no són reals. Que als anys 60, el comerç era sis vegades el valor dels béns mentre que l’any 1995 aquest factor havia pujat a cinquanta. Johnn Ralston Saul opina que hores d’ara, el moviment mundial de diners es troba al voltant de 150 vegades el valor dels béns reals, encara que també diu que les dades no es troben disponibles. Tot és fum. Com ens diu en Joan Majó, ara el debat no es pot centrar només en com es reparteix el valor creat, sinó que també ha de prendre en consideració quines activitats s’haurien de posar en qüestió, en ser generadores de grans beneficis a curt termini i no socialment útils. És clar que cal entendre els mecanismes dels sistemes si volem actuar bé sobre ells (en la mesura justa i sense retards). I això ho poden fer molt millor els científics i els enginyers que els tecnòcrates. Ens manca estudi i activitat creativa, tant de de coneixement com de nous productes. I ens sobra molta especulació i oportunisme.

Nota: Un sistema és una entitat dinàmica, que evoluciona al llarg del temps. Hi ha sistemes que segueixen les lleis de la física. El seu comportament és clar i previsible: el nostre mateix planeta Terra en el seu moviment de rotació i translació al voltant del Sol, les naus espacials que enviem a la Lluna o a Mart, les pèndols dels rellotges o les vagonetes que cauen per les muntanyes russes. Hi ha sistemes, com els cotxes o les bicicletes, que els podem controlar. També tenim sistemes com els socials, productius i financers, que son molt més complexos i no pas fàcils de controlar, perquè molta gent constantment pren decisions de manera autònoma. Però igualment son sistemes dinàmics. Segons la teoria de sistemes, tot sistema en cada moment té un estat. L’estat és el conjunt de valors que determinen el sistema i que permeten calcular com haurà variat aquest mateix estat al cap d’una petita fracció de temps. L’evolució d’un sistema al llarg del temps es pot modelar amb equacions diferencials. En alguns casos, l’estat es modela de manera senzilla: l’estat d’un cotxe es pot aproximar habitualment per la seva posició, orientació i velocitat. Però en d’altres sistemes (com els socials) l’estat és tan gegant que es fa intractable: l’estat seria la reunió dels estats de totes les persones, a més de totes les seves interaccions. En aquests cassos, hem de treballar amb estats de dimensió reduïda i variables estadístiques, i amb models estocàstics que inclouen soroll; el soroll modela tot allò que no sabem explicar. Però sempre que volem controlar un sistema, hem de ser curosos amb els retards. Com explica aquest article científic, l’estabilització de sistemes no lineals sense retards es preserva quan els retards en l’entrada son petits (però no es pot garantir quan aquests retards es fan més grans).

La bellesa de la simplicitat (2): l’ADN

divendres, 15/02/2013

ADN_Fil.jpg L’àcid desoxiribonucleic (ADN) és el fonament de la vida. L’ADN conté les instruccions genètiques necessàries per al desenvolupament de tots els éssers vius coneguts. Les molècules d’ADN codifiquen receptes per a poder fabricar les proteïnes i altres components de les cèl·lules. Podríem dir que l’ADN és un manual d’instruccions gegant, el manual del creixement i de la vida.

Vivim en un univers tridimensional. Fins i tot pot ser que tingui altres dimensions extres que no podem percebre. Podem caminar per la Terra, baixar al fons dels oceans i enviar naus que exploren l’Univers. Però la química de la vida utilitza i treu profit de les avantatges de les estructures geomètriques senzilles. Els intercanvis de nutrients, a les cèl·lules i als nostres budells, es fan a través de membranes bidimensionals. I una de les teories actuals sobre l’origen de la vida al nostre planeta ens explica que el primer ADN i els primers éssers vivents van poder aparèixer en les superficies (bidimensionals) de contacte entre l’aigua de mar i les roques en zones termals del fons dels oceans, on les molècules dissoltes en l’aigua podien reaccionar amb els materials de la superfície de les roques en unes condicions adequades de temperatura.

L’ADN té una estructura ben coneguda, de doble hèlix. Però de fet, és pràcticament unidimensional. És una molècula increïblement llarga, en comparació amb el gruix de la seva hèlix. Quan l’ADN dels cromosomes es desplega, pren la forma de filaments com el de la imatge amb longituds d’escala macroscòpica d’uns quants mil·límetres. El microscopi electrònic ens permet veure, descobrir i analitzar aquests filaments. L’hèlix de l’ADN se’ns mostra com unes vies de tren amb un gir de torsió continuat i fins i tot amb travesses. Són les vies del tren de la vida.

Perquè és unidimensional i seqüencial, el nostre codi genètic? Per què parlem de la seqüenciació del genoma humà? Per què l’ADN té aquesta estructura amb dues vies llarguíssimes i perfectament torçades en forma d’hèlix? Perquè aquesta molècula que guarda les instruccions de la vida no té forma de membrana bidimensional o d’agregat tridimensional? Per què cada un dels codis genètics individuals té un únic predecessor i un únic successor, en l’ADN? Podríem pensar que té aquesta forma perquè és la que serveix millor els seus objectius. Jo més aviat penso que és a l’inrevés: té aquesta forma perquè no en pot tenir cap altra. Si l’atzar no hagués generat aquesta increïble molècula, no existirien les reaccions bioquímiques i nosaltres no seriem aquí.

En poques paraules i simplificant, la síntesi de proteïnes a partir del codi genètic guardat a l’ADN es fa en dues etapes. En una primera fase, uns enzims anomenats polimerases d’ARN llegeixen trossos d’ADN i generen l’ARN, l’àcid ribonucleic. L’ARN (molècula d’hèlix simple que conté la transcripció d’un segment d’ADN) serà l’encarregat de la síntesi de proteïnes, en una segona fase. La meravella de tot plegat és que les polimerases d’ARN  han de cercar el tros d’ADN que cal transcriure i tot seguit anar-lo copiant sense destruir ni alterar la informació genètica de l’ADN. Ho fan molt fàcilment gràcies a l’estructura unidimensional de l’ADN: les polimerases d’ARN es mouen al llarg de les vies de l’hèlix de l’ADN de la mateixa manera que un tren viatja damunt les seves vies. Ho podeu veure a la imatge del final d’aquest article i en aquest vídeo. Si l’ADN fos bidimensional o tridimensional, seria molt fàcil perdre’s. En canvi, les vies de l’ADN porten les polimerases d’ARN al seu objectiu sense possibilitats d’error. Un camí pot ser tan llarg com vulgueu, però si no té trencalls no ens podem perdre. Això és el que contínuament està passant al nucli de les nostres cèl·lules. Però no penseu pas que polimerases d’ARN es mouen a gran velocitat al llarg de l’ADN. Processen (i avancen) uns 15 codis d’ADN per segon, la qual cosa equival a la velocitat de creixement d’un cabell humà. Aquesta és la velocitat basal del creixement i de la síntesi de proteïnes a tots els éssers vius. De fet, és encara més lenta perquè les polimerases d’ARN incorporen un sorprenent control de qualitat. De tant en tant (en mitjana, un cop cada 1000 codis genètics) s’adonen que han comés un error de transcripció. En aquest cas s’aturen, tornen enrere uns cinc o sis codis d’ADN, rectifiquen i corregeixen la transcripció. Tot seguit tornen a avançar per les vies helicoïdals de l’ADN, com si res no hagués passat. No és realment sorprenent?

De fet, també hi ha un altre detall interessant en tot això. L’hèlix de l’ADN podríem dir que gira cap a la dreta. El primer ADN que es va sintetitzar, fa milions d’anys, girava a la dreta. Es va anar reproduint sense parar, i ara resulta que tots els éssers vius tenim el codi genètic en molècules de ADN que giren a la dreta. Nosaltres, els gossos i gats, els insectes, els líquens i els bacteris, tots som descendents d’aquell primer ADN que girava a la dreta. Però la geometria ens diu que la imatge en el mirall de l’ADN és un “altre ADN” que també podria existir. Aquest altre ADN, l’ADN que giraria a l’esquerra (l’estèreo-isòmer del nostre ADN) donaria lloc a un altre tipus d’éssers vius: els animals i plantes del món de l’altra banda del mirall del conte d’Alícia. Podrem arribar a sintetitzar éssers “vius” amb molècules d’ADN diferents de les nostres? No penseu que és res de llunyà. Comencem a veure experiments que ja poden crear succedanis d’ADN com l’anomenat XNA.

L’Univers és tridimensional (com a mínim). Però molts canvis s’han fet o es faran gràcies a estructures geomètriques més simples, unidimensionals o bidimensionals. Són les anomenades varietats, en geometria. Així com el grafè (aquest gran llençol d’un àtom de gruix) és probable que acabi canviant la vida dels nostres néts, nosaltres som aquí perquè fa milions d’anys que van sorgir les primeres molècules d’ADN, amb estructura geomètrica unidimensional. És la bellesa de la simplicitat. Sense aquestes retorçades vies de l’ADN, copiar trossos del codi genètic seria pràcticament impossible i la vida no podria existir.
ADN_ARN.jpg