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Category Archives: Acontecimientos de la física y la matemática

“Historia del principio de mínima acción”

Histoire du principe du moindre action par F. Martin-Robin el subtítulo (trois siècles de principes variationnels de Fermat à Einstein) tres siglos de principios variacionales que estudia esta magnífica historiadora de la física, y física ella misma. Este trabajo es extraordinario y no lo cito aquí en vano más de una vez, requiere una lectura reposada y concienzuda, nadie se amilane si invierte más tiempo del que normalmente necesita para otras lecturas. No es un libro de divulgación popular, es un libro de historia de la física-matemática.

En estas páginas procuro no comentar trabajos de bajo perfil, y por eso en numerosas ocasiones me refiero a trabajos no estrictamente divulgativos (o quizá sería mejor decir no divulgativos en sentido de banalizadores de contenidos, o de material engañoso que sirve para hacer creer al lector que entiende cosas que en realidad no entiende), pero que considero que puede ser accesibles para personas con un cierto interés, un cierto nivel de conocimientos, y con mucha pertinacia. Es imprescindible en estas materias no ser presa fácil del desaliento.

El libro que comento aquí es un libro accesible pero precisa algunos conocimientos iniciales es una buena fuente de documentación histórica.

Consta de cuatro capítulos, un preámbulo y anexos, más las referencias bibliográficas, los índices y todos los materiales que conforman un libro. El preámbulo es prometedor y las páginas que le siguen no decepcionan. El primer tema tratado es el debate en torno a la refracción de la luz, buen comienzo aquí ya nos topamos con Descartes, Fermat y otros sujetos de primera línea, sus ideas, sus controversias y sus aportaciones. En el capítulo segundo ya se entra de pleno derecho en Maupertius, Euler y la mínima acción. El capítulo tercero Lagrange no lo comparte, lo llena, lo mismo que ocurre en el cuarto con Hamilton. Esto no significa que no haya lugar para otros protagonistas que no personajes secundarios. Me refiero a Jacobi, por ejemplo, también hay lugar para individuos que sin llegar a trascender sin embargo deben ser reconocidos con contribuyentes imprescindibles. Cito nombres, pero el libro está pleno de historias matemáticas, de logros, de explicaciones y de coherencias.

La última lección se centra en los desarrollos de los principios variacionales en el siglo XX con Schrödinger y Feynman como protagonistas, un libro más que vale la pena.

Vuibert, París, 2009

Poincaré y la teoría de la relatividad

Todavía de vez en cuando vuelve a surgir la controversia sobre el papel desempeñado por Poincaré  (1854-1912) en la construcción de la relatividad especial o relatividad restringida. Se siguen estudiando documentos suyos escritos entre 1905 y 1906, en 1905 publicó Einstein el artículo ‘fundacional’. 

Las aportaciones de Poincaré a la construcción de las matemáticas de la relatividad especial son públicas, y no creo que casi nadie se atreva a negar esos hechos. Son muchos sus trabajos de perfeccionamiento de las ecuaciones en las transformaciones de Lorentz, que articulan la relatividad. Pero resulta más controvertido el asunto sobre su aportación a las ideas como pilares básicos sustentadores de esta teoría. El andamiaje físico sobre el que se sustenta la relatividad especial.

A este propósito hay muchos trabajos y estudios hechos, pero yo me refiero en estas notas al realizado por Emily Adlam titulado “Poincaré and Special Relativity”, podría haberme detenido en algún otros de los muchos buenos que hay. Lo hago en este, porque su lectura no me parece difícil para un lector no ducho en teoría especial de la relatividad, pero que sin embargo posea una formación científica suficientemente sólida.

Desde luego es una artículo para leer despacio y con detenimiento, es la manera de sacar lo mejor de él, como suele ocurrir con todas las lecturas buenas.

La autora escribe:  […]One element which links the work of both Poincaré and Einstein is a preoccupation with the principle of relativity. But it is important to be aware that Einstein and Poincaré were not working with precisely the same principle. Compare their two formulations:

Poincaré: ‘the laws of the physical phenomena must be the same for a motionless observer and for an observer experiencing uniform motion along strainght line’ (1904)

Einstein: ‘the laws by which the states of physical systems undergo changes are not affected, where these changes of state be referred to the one or the other two systems of coordenates in uniform translatory motion’ (1905)[…]

Señala la autora que la diferencia crucial estriba en la necesidad de un observador en el caso de Poincaré, necesidad que no existe en absoluto en el trabajo de Einstein, and so on…

Animo al lector a leer y reflexionar sobre este u otro artículos referidos a la relatividad, supone un gran placer.

Divulgación sobre agujeros negros y universos nacientes

chica monet3Recientemente he leído un librito muy fácil y ameno escrito por Stephen Hawking, lo he leído en traducción francesa: Trous noirs et bébés univers. Creo que de vez en cuando estos libros que ponen sobre la mesa conceptos científicos actuales, pero difíciles son buenas noticias. No comentaré la parte de autobiografía que es largamente introductoria e interesante. Pero sí me parece oportuno para ponerse al día a quien no tenga nada que ver con la física, pero quiera estar algo informada sobre los temas científicos de actualidad.

comet_halley

De los 14 capítulos de los que consta el librito, casi la mitad son autobiográficos, en ellos narra diferentes etapas de la historia de su vida desde el enfoque profesional, aunque arranca brevemente de la infancia. Los capítulos son pequeños artículos, en realidad, que están unidos por el hilo conductor común de las características especiales del personaje y su interés por la ciencia que trata, todo ello salpicado de anécdotas vitales. En esta parte más personal, la enseñanza principal es que la perseverancia forja vidas.

A partir del capítulo 7 y hasta el final, donde narra “el sueño de Einstein” se centra en los aspectos divulgativos que pueden interesar al lector. Tras Einstein va “El origen del universo”, “La mecánica cuántica de los agujeros negros”, “El tiempo imaginario”, “Agujeros negros y bebés universo”, “¿Está determinado todo?”, “El futuro del universo”. Finaliza el trabajo con un glosario y un índice. Como la versión que manejo está en francés, no sé si de existir traducción española, habrá entera coincidencia con los títulos de los capítulos. En cualquier caso la idea está clara.

Como no se trata de un texto técnico, sino divulgativo, no creo que entrañe excesivas dificultades para lectores entrenados en esta literatura, aunque no sean expertos, sin embargo hay que tener alguna formación, porque el lenguaje conlleva conceptos que no siempre aparecen en las conversaciones cotidianas.

En cualquier caso sirve para reflexionar y aprender, que es el objeto principal de un libro así.  Y además es un bonito libro introductorio. Adelante pues

 

Encuentros entre juegos y matemáticas (bastante ingeniosos)

En el título de esta entrada estoy jugando a mi vez con un título Game. Set and Math. Enigmas and Condrums by Ian Stewart con el que el traductor al español ha jugado con respecto a esta obrita de entretenimiento, risas, pasatiempos y otras menudencias para pasar el rato en un transporte público con una sonrisa brindada a la gracia y al ingenio.

No tiene más y no tiene menos, es un libro escrito con soltura y frescura de gracietas de ambiente matemático sin más pretensiones, bueno seguramente con varias segundas pretensiones como la de enganchar a más lectores en el mundo de los divertimentos matemáticos o hacer pensar un poquito diferente a la gente y cosas de esa índole. La edición de la que dispongo es de bolsillo en quiosco y muy barata, creo que del tipo dos por uno. Las ilustraciones ayudan mucho al lector afanoso, y como siempre digo no son un añadido, sino que forman parte del cuerpo del texto con más derecho propio que muchas palabras.

El índice está formado de 12 partes más el prefacio: 1) La manta de mamá gusano. 2) El tenista ebrio. 3) El laboratorio de la infonormática. 4) El ourotoro autovoraz. 5) ¿Falacia o aicalaf? 6) Construya su propio virus. 7) Truco de paridad. 8) Encuentros cercanos de la fase Fermat. 9) El fractal de Pascal. 10) El regreso del gusano. 11) Todas las paralelas llevan a Roma. 12) Los 12 juegos de Navidad.

Los títulos, en la versión española  que manejo, buscan evocaciones amables o ingeniosas y supongo que serán fidedigna suficientemente a la versión original que desconozco. He leído distraídamente aquí y allá las que más me han llamado la atención y me ha parecido un buen ejercicio, sin trascendencia.

El autor hábilmente se ha unido a la moda de difundir matemáticas de este modo que seguramente le será lucrativa, como tiene su chispa conseguirá ha conseguido adictos y seguidores. La idea es popularizar, abrir el camino, hacer perder el miedo a esta materia que parece el coco actual de los escolares. A ver dónde nos lleva.

Colección Desafíos matemáticos RBA (Gedisa 2007)

Sobre las perturbaciones en los movimientos de los planetas

Félix Tisserand  (1845-1896) que fue director del observatorio astronómico de Toulouse escribió el artículo sobre el que esbozo algunos comentarios en este rincón, se titula Sur un point important de la théorie des perturbations planetaires, 15 páginas bien escritas, en las que explica los tipos de perturbaciones en los movimientos elípticos de los planetas, las desigualdades periódicas y las desigualdades seculares, estas últimas revisten gran importante en la estabilidad del sistema planetario. Empieza el artículo repasando las periódicas de la mano de Laplace (1773), luego presenta al lector a Lagrange de la mano de Jacobi. En la misma página llegamos a 1808 hasta Poisson en pocas palabras, no más de las que caben en una página con la tipografía habitual de su época nos pone al corriente de un interesante problema, bastante bien conocido en su tiempo, y del camino que ha seguido su desarrollo y evolución en poco más de un cuarto de siglo. A partir de este encuentro se detiene para presentar al lector un buen análisis del trabajo de Poisson y una discusión muy fructífera de las relaciones que se entablan por mor de los científicos implicados en esta trama.

El fascinante problema matemático de los tres cuerpos preside el escenario y como muchas veces antes y después adquiere el estatus de problema protagonista, la enorme cantidad de talento que se ha invertido en ese planteamiento, en esa mirada del mundo. Hay ecuaciones, numerosos sistemas de ecuaciones familiares a los mecánicos celestes, y la narración está muy bien hilvanada. Es un artículo técnico aunque a veces parece que roza el filo de lo explicativo discursivo porque está escrito de tal modo que lo pueden leer físicos y matemáticos de otras ramas sin perder el hilo. No es evitar desarrollos matemáticos es que está describiendo procesos que se asocian a fenómenos naturales y lo hace en los términos y condiciones que le son mejores.

Tisserand fue un muy buen astrónomo de quien posiblemente el inefable Henri Poincaré algo (o mucho) aprendió, no dudo que la influencia fuera mutua, siempre es así en las relaciones humanas.

Finaliza el artículo refiriéndose a Júpiter, Saturno y el Sol tres cuerpos sí, y nada desdeñables para el Sistema Solar.

Me fascina viajar en el tiempo y asistir a la lección que un hombre dio más de un siglo ha. Esta lectura no es para todos los públicos, posiblemente solo interese a quien este ‘interesado’ por el problema concreto sobre el que versa, que no es otro que el de los tres cuerpos y la estabilidad del sistema solar, hay que tener alguna formación. Está en Numdam

El debate científico de la biomatemática: Volterra & Kostitzin

La posición intelectual de Vito Volterra (1860-1940) sin haber sido descrita en su generalidad, ni mucho menos analizada con cierta finura, ha sido varias veces admirada y señalada de un modo preciso en este blog. No es el matemático más relevante de la historia -si es que cabe esa expresión-, no es el más influyente en la ciencia, ni el padre de nada.

Supo aplicar sus estudios y sus conocimientos a la biología y abrió un nueva perspectiva. La traslación de la mecánica al mundo de lo viviente se hizo de modo directo vía la física, y la biofísica cada vez está más en auge en parte gracias a la rama joven de los sistemas complejos, y en parte vía a la modelización matemática, léase ecuaciones diferenciales, sistemas dinámicos… y todos los elementos de la física matemática. Esta visión no solo abrió un nuevo campo para el desarrollo de la pura matemática que tanta complacencia generaría a muchos, sino que en paralelo con la aplicación de la modelización matemática a la economía constituye una visión del mundo orgánico muy diferente de la tenida durante los siglos anteriores al XX.

A mí me simpatiza este gran matemático que combinó ese quehacer con el naturalismo plasmándolos en unos estudios muy bonitos, seguramente también desde el punto de vista estético, porque fue una persona auténtica, una personalidad íntegra en un mundo difícil y convulso, porque a su honestidad matemática aunó su honestidad humana. Admiro mucho a otros maestros de los que siempre hay que aprender, pero sé de pocos que me interesen como personas. Intuyo que este hombre es uno de esos pocos notables matemáticos, cuya excelencia no deriva o va pareja a sus terribles deficiencias como ser humano. Claro, no es el único, sin pensar dos veces me viene a la cabeza Jürgen Moser (1928-1999) de quien el profesor  Jörg Waldvogel de Zurich me habló con entusiasmo y cariño, y hay más pero no son mayoría.

Hay un artículo muy bonito que se titula La correspondencia entre Vladimir A. Kostitzin y Vito Volterra (1933-1962) y los inicios de la biomatemática está escrito por Giorgio Israel y Ana Millán Gasca, no dispongo del enlace, pero no creo que sea difícil conseguirlo en google y es una lectura muy recomendable para estudiosos, estudiantes, lectores y personas interesadas en estos ámbitos y ambientes. Una ecuación a veces vale más que una imagen, una imagen a veces vale más que mil palabras, a veces mil palabras son más ilustrativas que una imagen. Pero si disponemos de la posibilidad de contar con todo, nuestras limitaciones parecen menores.

No gloso el artículo deliberadamente, es corto y conviene leerlo, no quiero desvelar pequeños secretos con mi interpretación, debate científico, mecanicismo, ecuaciones diferenciales, biomatemática…, son algunas de las palabras clave, pero no se agota ahí el artículo.

Fuerzas dependientes de la velocidad, un curioso y bonito problema de la mecánica

El ingenio tiene muchas caras algunas son muy bonitas, este que cuento ahora me gusta mucho. Los formalismos de Newton y Lagrange coinciden en los casos de las fuerzas que proceden de un potencial (fuerzas no disipativas), sin embargo para las fuerzas de rozamiento que se pueden escribir como función de la velocidad, la cosa es más peliaguda, bueno de hecho son tan dificilmente encajables que forman otro pequeño corpus de conocimiento. La mecánica de los medios continuos resulta, de este modo, más apropiada y de hecho muy agradable para estudiar estos procesos naturales.

Sin embargo, hay un ejemplo muy bonito en el que resulta interesante tratar sistemas disipativos simples con un pequeño truco. Fíjese bien el lector aquí en la idea de ‘sistema espejo’ para familiarizarse en cierta manera con algunas formas de la heurística propia de esta ciencia. Pero cuidado, hay que tener en cuenta que esta trampa matemática no debe hacer caer a nadie en la tentación de otorgar sentido físico a lo que no lo tiene, no hay que perder el norte. Siempre hay que tener cuidado al manipular este tipo de tratamientos y de cosas.

Supongamos que por efecto Joule, rozamiento, o cualquier proceso de este tipo, un sistema pierde energía, la astucia consiste en acoplar adecuadamente un sistema espejo ficticio que sería el encargado de absorber toda la energía que se pierde en esta disipación, de tal manera que la energía total de ambos sistemas permanezca constante en el curso del tiempo.

mx”+ Rx’ + kx = 0 Vea el lector esta ecuación (oscilador armónico amortiguado), ahora el oscilador amortiguado espejo que precisamos para atacar el problema mediante el formalismo lagrangiano tendrá como coordenada x* por ejemplo. Esto facilitará la escritura del Lagrangiano para el conjunto formado por los dos sistemas, luego de obtener los momentos conjugados y comprobar que no tienen ninguna relación con el momento del oscilador (mx’) se consiguen escribir con alguna costumbre en estas tareas las ecuaciones mx”+ Rx’ + kx = 0 y  mx*”- Rx*’+ kx* = 0, bueno aquí ya está la ecuación del oscilador que absorbe constantemente la energía que el primer oscilador pierde.

La energía se conserva en el tiempo, x* crece tan rápido como x disminuye.

Bonito ejemplo para animar al lector a retomar de su estantería el Landau, el Feynman o cualquiera de sus libros de mecánica favoritos.

Sobre los bordes del universo

Está la cosmología de nuestros días en gran actividad, nunca dejó de estarlo cuando la humanidad era joven y miraba el cielo, y ahora que está un poco más cansada, pero no ha crecido demasiado y depende del cielo sin mirarlo demasiado. La teoría de cuerdas está muy cerca de nosotros, muy en la investigación de la física matemática y de los desarrollos matemáticos asociados tanto a las ecuaciones diferenciales (como casi siempre…) y a su evolución más reciente hacia la topología que tan útil resulta para atacar problemas de la mecánica cada vez más sofisticados y refinados, cada ve mejor conocidos (más o menos).

Si un agujero negro, como explica con claridad el profesor A. Strominger, es simultáneamente el objeto más sencillo del universo (en sentido dinámico) y el más complejo (en el sentido termodinámico) es conveniente estudiar la ecuación puente que permite observar estos cuerpos en ambas facetas, así trabajar el modelo matemático que se asocia a un agujero negro posiblemente sea una fuente de estudio matemático durante el siglo xxi (al menos eso opina el profesor Strominger, y es una opinión a considerar). La contradicción es una fuente de conocimiento en la ciencia física, una fuente de comprensión de las leyes de la naturaleza, y el colorido estilo con que  presenta en sus lecciones el profesor Strominger que tanta sencillez y ‘naturalidad’ aparenta, lecciones además envueltas en un sentido del humor que no enturbia ni por un instante la dificultad conceptual que se está mostrando constantemente al encantado auditor de sus charlas o al lector de sus artículos. No hay más que seguir el hilo conductor que estos nos muestran para intentar ahondar en el futuro próximo de nuestro conocimiento y comprobar una vez más que es necesario e imprescindible estar al día o un poco por delante en los estudios matemáticos que se están realizando en el ámbito no solo de las ecuaciones diferenciales, material clásico de la física, sino en el de la topología y las nuevas geometrías en las que no dejo de insistir en que se deben adentrar los lectores que aspiren a comprender, aportar o simplemente disfrutar del conocimiento del universo. Quien sabe dónde está el siguiente eslabón…

Palabras clave: agujeros negros, horizonte de sucesos, bordes del universo, teoría de cuerdas

Recomiendo sencillamente indagar en estos temas, con buen ánimo y con afán de aprender

Jacobi y la ‘acción’

Admirador y crítico, así le describe Martin-Robine. Los que físicos teóricos que se dedican de pleno a los sistemas dinámicos o a la mecánica cuántica enlaza estos nombres como el de una pareja bendecida por la indisolubilidad. Al pasar por una facultad de física se ha pasear necesariamente por esta bonita ecuación

\frac{\part S}{\part t} = L - \sum_i p_i\dot{q}_i = -H(p_i,q_i)                (*)

Aquí reconocemos a Lagrange (1736-1813) (L), a Hamilton (1805-1865) (H), a la acción (S)… En pocas palabras vemos la ecuación de Hamilton-Jacobi. Jacobi (1804-1851) cuyos trabajos son decisivos para la comprensión de los principios variacionales y mejoran mucho la utilización de acción, versión Hamilton.

El principio de mínima acción, cuya complicada historia llena de luces y de sombras es quizá una de las más bonitas de la física (alguien quizá piense que debería decir de la matemática), en definitiva consiste en encontrar las ecuaciones del movimiento minimizando la acción que se define en función del lagrangiano y de los puntos de partida y de llegada.

Para trabajar con este principio variacional, que resulta ser el principio variacional por excelencia, hay que expresar la acción  como función de las coordenadas y del tiempo. Por ejemplo, cuando se trabaja con un grado de libertad, se concreta de modo práctico en el cálculo del conjunto de trayectorias, de otra manera f(x, t), la función en el instante final, para unas condiciones iniciales fijas. Así es posible calcular cuantas trayectorias no interesen para comprender nuestro problema. Tratando la acción como función de las coordenadas y del tiempo, se encuentra la ecuación (*).

Esta ecuación, en derivadas parciales, no lineal y de primer orden, al igual que las ecuaciones de Lagrange-Euler, o que las ecuaciones canónicas, sirven para calcular el movimiento (y como de momento no hemos salido de la Mecánica Clásica) recuerdo al lector que seguimos tratando con las leyes de Newton. ¿Cómo elegir un formalismo u otro?, es una pregunta que espero del lector, la respuesta está en la práctica y en la comodidad y en la estructura matemática del problema. Un bonito problema con gran simetría o con una buena separación de variables siempre encontrará un buen aliado en la ecuación de Hamilton-Jacobi, pienso en el problema de Kepler en coordenadas esféricas.

Cada lector escoja su autor preferido, yo sigo recomendando siempre empezar por Feymann, pero no es óbice, hay muchos.

 

Emmy Noether

Un artículo muy breve reseñando la biografía de la mujer matemático más relevante del siglo xx Emmy Noether (1882-1935), esta reseña se queja, con razón seguramente, de que reducir la figura de  esta eminente científica a la de la madre del álgebra en el siglo pasado es acortar el tamaño de esta figura femenina imponente. Noether es mucho llegó mucho más lejos, y no hay por qué ser cicateros en la apreciación de su valía, además de injusto no lleva a ninguna parte. Quienes estamos, más o menos, familiarizados con algunas ramas de la física no olvidamos nunca su nombre. Como tampoco lo olvidan, supongo, quienes no dejan de pensar en sus grupos y en sus brillante visión matemática.

El pequeño paper firmado por Renate Tobies M BV Tent en Mathematical Intelligencer. El autor de la reseña empieza diciéndonos en este sentido que la biografía de Noether no resulta comprensiva pues seguramente no aborda suficientemente bien el amplio abanico científico en el que hizo notables aportaciones ella. Parece, eso sí, que se deleita el autor en recorrer el periplo vital de esta mujer inteligente, fuerte y de gran personalidad. Y todos o la mayoría de los adjetivos de poder que se pueden considerar atributos de esta dama de la ciencia se encuentran en la mayoría de las mujeres que han hecho algo destacable en el mundo científico, en épocas no tan lejanas. Ellas y lo simbolizo en estos renglones en la Noether son heroínas en el sentido de que para poder entablar relaciones de igualdad con sus colegas varones han  tenido que demostrar a perpetuidad sus valía, y revalidarla casi en cada actuación, ya que casi nunca se les ha otorgado la presunción de ella. Claro a los hombres grandes tampoco, siempre hay que serlo, pero una vez que se ha visto que lo eran y se han situado convenientemente, más bien tenían que demostrar lo contrario para ser destronados.

Esto no es la eterna queja femenina baladí, es un cruel reflejo de la condición femenina en ciencia o en cualquier actividad intelectual hasta hace dos días, y la mayor parte de ellas viviendo situaciones equívocas cuando rocambolescas y ridículas y renunciando a muchas más cosas que los varones. Por eso reseño aquí esta reseña.

No he leído el libro que da origen al comentario, así es que no quiero hablar más por boca de otra persona. Sí quiero homenajear a Noether, una vez más que nunca sobra. El libro se titula Emmy Noether: The Mother of Modern Algebra by M. B. W. Tent (2008), he perdido la referencia del número y el año de la reseña.