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Tag Archives: reflexiones sobre matemáticas

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

La ciencia de los “big data”

Hace ya varios años que está desarrollándose la idea de la sinergia entre grupos muy diferentes de trabajo científico, una especie de interrelación forzada y forzosa por el empeño y el interés no siempre de los científicos implicados, y a la postre en ocasiones el resultado es pobre en relación con la inversión, bonita excusa para los defensores de la muerte de la ciencia.

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Este preámbulo breve, me lleva a otro tema que parece un poco afín, pero que no estoy segura que lo sea y que me interesa y es la reunión de disciplinas científicas más o menos tradicionales que conducen a la construcción de otras nuevas ciencias y en las que la matemática planea de manera indiscutible como un esqueleto que soporta el peso.

En Quanta Magazine he encontrado una colección de artículos variada e ilustrativa del tema que trata este breve, algunos tienen títulos ciertamente atractivos, otros no llaman singularmente la atención, sin embargo el contenido tiene un interés sustancial.

how the hell do you analyze that data? Me fijo en primer lugar en uno que se titula «The Mathematical Shape of Things to Come», en este artículo la  autora. How the hell do you analyze that data? que viene a ser  ¿y cómo demonios se analiza esto? La respuesta no es inmediata ni sencilla pero si se vislumbra que todavía hay mucho ruido, excesiva falta de estructura, pero bueno como superestructura es muy dinámica. Los físicos que dependiendo del tipo de datos que manejen puede saber el tipo de trabajo que se traen entre manos, en los sistemas biológicos que son más complejos y que abarcan mayor número de datos las dificultades crecen enormemente, el tratamiento de seguro habrá de tener otras características-

Otro título que ha llamado poderosamente mi atención y que presenta este resumen  es «A Digital Copy of the Universe, Encrypted»  relata el modo en que se están buscando nuevos métodos que elijan el tipo de datos directores descubrimientos en el trabajo con el Large Synoptic Survey Telescope (LSST) otro trabajo bonito y que se lee con gusto. Lo cierto es que a mí me parece que estos articúlos divulgativos son portadores de ideas y de conocimiento a la postre, lo cual tarde o temprano ayuda a formar opinión.

Quizá otro día me anime a más comentarios, me está apeteciendo

Universo cíclico

Tengo en mis manos un trabajo divulgativo sobre cosmología. Por esas cosas rocambolescas relacionadas con la cultura libresca en unos lugares y en otros por los que deambulo, lo leo en italiano, que es no es su lengua original como no lo es la mía. Endless Universe. Beyond the Big Bang by Paul J. Steinhardt and Neil Turok, la versión italiana es fidedigna en la primera parte del título al menos, a la versión original “Universo senza fine”.  Trabajo interesante este para adentrarse someramente y también superficialmente, no hay que engañarse, en la especulación cosmológica. Me gusta que se cuestiona el Big Bang, que empezaba a pensar que en la calle se tiene como el nuevo Génesis.

Está bien escrito, con gracia, mantiene el interés que desde luego capta desde la primera página al lector. No es un ensayo, parece más bien una novela de misterio o de ciencia ficción por el estilo narrativo que adopta. Sin embargo introduce algunos conceptos, aunque solo sea de nombre, que pueden hacer pensar a un lector dado a estas especulaciones muy teóricas, llenas de anhelos, sueños, mezclados con algunas dosis de conocimiento científico, especulaciones teóricas, creencias y otros elementos propios del conocimiento humano.

Quien tenga tiempo, sin embargo no pueda, ni quiera, profundizar demasiado, quien quiera leer sobre cosas distintas y algo originales acerca del universo puede aproximarse a ameno librito, muy bien cuidado en la redacción, en el estilo y en la tensión narrativa, con aportaciones interesantes.

La obra se estructura en once capítulos, y va desde las partículas hasta un modelo cíclico del universo que contrapone razonable y coherentemente con el universo inflacionario derivado del Big Bang. Pasa naturalemente y muy explicativamente por la teoría de cuerdas. El último capítulo “Regreso al futuro” tan cinematográfico y visual como el primero “2001”, cierra el ciclo de este volumen, al que no falta un rico glosario, un índice analítico y en fin los anexos finales comunes.

“La historia de nuestro cosmos se puede representar como una repetición de ciclos evolutivos. Cada ciclo comienza con una explosión, pero esta no constituye el inicio del espacio o del tiempo. Más bien es un suceso con un principio y un fin, que se puede describir con las leyes de la física” […]

(Mi traducción)

Edición il Saggiatores Tascabile Milán 2010

Algunas consideraciones sobre la dinámica y las ecuaciones en que se escribe

Un artículo histórico, donde el protagonista es la dinámica en el sentido dinámico o evolutivo del concepto, hablar de dinámica física es lo mismo que referirse a las ecuaciones en las que se elabora el discurso de esta disciplina, las ecuaciones con las que construimos o inventamos o reinventamos o cambiamos la dinámica.

Paul Apell (1855-1930), amigo de Poincaré y de Picard, escribe esta interesante reflexión, que es a la vez estudio un estudio general y trabajo profundo que titula Sur une forme général des équations de la dynamique aparecido en 1925 en la revista “Mémorial des sciences mathématiques”

Una idea alrededor de  la que gravita un poco el espíritu del artículo es que la matemática no se debe limitar a ser un buen proveedor de fórmulas a la física. Adelanta, el matemático, en las primeras páginas que algunos de los hacedores de física aplican las ecuaciones sobre las que escribirá en las siguientes páginas (algo más de 50) a diversas teorías físicas. Yo estoy casi de acuerdo con Apell en el estar de acuerdo con Mach en que no existe un solo fenómenos puramente mecánico sino que todos los fenómenos pertenecen a varias  ramas o a todas las ramas de la física. Apelle, no obstante sin solución de continuidad afirma que la idea de considerar la mecánica como la rama en la cual se basan todas las demás es un prejuicio, no obstante que nos resulte interesante explicar mecánicamente el mayor número posible de fenómenos físicos…

Otro punto de partida en el arranque de la discusión del artículo es la evolución del concepto dinámica en sí mismo desde el origen clásico del término en el que cuentan claro Galileo y Newton en el cual el concepto de inercia cuenta mucho, cómo podría considerarse la idea de inercia en la nueva dinámica, cómo encajar este concepto tan pegado a la concepción clásica de la naturaleza a una nueva dinámica con el inconveniente de velocidad de la luz (esta duda, más o menos, la expresa Poincaré en ‘El valor de la ciencia’).

Enseguida aparece el principio de mínima acción, que tras haber renacido y muerto varias veces a lo largo de la historia de la ciencia, parece gozar de una salud excelente, como suele suceder siempre a quienes o los que se retiran en el momento adecuado.

Me parece una lectura muy interesante y recomendable para quienes se empeñan en entender bien a conciencia las relaciones entre la física y la matemática. Dejo la pista, y animo a buscar en Numdam hay tanto…

Avances y conjeturas acerca de los espacios De Sitter

El universo en expansión según las predicciones de la teoría de la relatividad general de Einstein (1879-1955) recibe el nombre técnico de espacio de Sitter (1872-1934); de otra manera, unas soluciones exactas de las ecuaciones de campo einstenianas que se traducen en expansión se conocen entre los expertos con estas siglas DS.

Recientemente he tenido ocasión de leer un artículo muy interesante, que es un estudio cosmológico centrado en la teoría de cuerdas que gira alrededor de estas ideas que van y vienen desde que se formularon por vez primera, y que han madurando y creciendo desde su primera expresión con la aportación de los estudiosos del tema y el soporte inestimable de los nuevos conocimientos tecnológicos. Los autores hacen un trabajo físico matemático, y describen inicialmente el marco general de su estudio considerando un espacio-tiempo De Sitter dotado de un observatorio eterno (la idea inicial es preciosa), matemática lo formulan como un DS considerado en un futuro asintóticamente. En esta situación, la descripción clásica de la métrica asociada en la frontera conlleva la deformación asociada al flujo de la radiación gravitacional.

Para superar esta condición, los investigadores proponen un futuro no convencional, en el sentido anteriormente descrito, con una condición Dirichlet (1805-1859) en la frontera, que con otra métrica resulta violar el principio convencional de causalidad, aunque según los autores estas violaciones no se detectan en los experimentos realizados en el observatorio eterno (como metafísica sigue siendo fantástico).

Como punto de partida atrayente no tiene desperdicio, el artículo es largo y está lleno de recovecos conceptuales que no son asequibles para la mayoría de los no expertos. Para entenderlo de verdad hay que manejarse bien con tensores y métrica conforme, estar familiarizado con la métrica lorentziana, del espacio-tiempo, con la esfera de Riemann y en definitiva estar en grado de leer documentos matemáticos no   fáciles.

Las conclusiones lejos de ser cosa de poco invitan a seguir por el camino de los nuevos paradigmas cosmológicos y modelísticos que se empezaron a forjar el siglo pasado, pero que aún permanecen en mantillas deseosos de ser utilizados.

Mi idea con esta reseña es involucrar a los interesados en el acercamiento a las teorías cosmológicas en estudio en la actualidad referenciándolas con los estudios inciados en la teoría de la relatividad.

Future Boundary Conditions in De Sitter Space by Dionysios Anninos, Gim Seng Ng and Andrew Strominger

Un breve sobre computación

La revolución computacional por ponerle un nombre de cambio social similar a la revolución industrial tiene consecuencias impredecibles y muchas me gustan. Me gustan de presente y de imaginar el futuro.

mujer dibujo 11

Los sistemas físicos programados para calcular, simular y efectuar trabajos no son ‘perfectos’; de otra manera: los ordenadores cometen errores. La combinación de modelización y simulación con la inestimable ayuda, en todas las etapas del proceso, de las matemáticas producen gran cantidad de información de interés en campos muy dispersos al menos aparentemente. Los algoritmos rápidos útiles para computación son valiosísimos para calcular toda suerte de valores importantes para asuntos de interés a los humanos. Sin embargo, los resultados no son perfectos y los errores de cada paso se van acumulando hasta el final del cálculo lo cual significa que hay que tener mucho cuidado de este resultado siempre, pero dependiendo del asunto mucho más que mucho cuidado.

El asunto es fácilmente comprobable sin ser ingeniero o científico, cualquier no experto que es usuario ha notado alguna vez la discrepancia entre máquinas al leer un documento, pero claro en ocasiones estas minucias pueden encubrir problemas que es preciso solventar. Para la vida cotidiana afectan asuntos relacionados con la meteorología, sobre todo en aquellas regiones con climas más o menos extremos, todo el mundo está pendiente de las predicciones, y se molesta con los pequeños errores en su región, pero hay errores o acumulaciones de errores computacionales más llamativos como los que se han producido con misiles en la guerra del golfo o en la célebre explosión del Ariane 5.

La idea que subyace en esta breve nota es que los ordenadores en los cuales sustentamos gran parte de nuestra actividad cotidiana son sistemas físicos y conviene no cargar toda la responsabilidad de sus ‘deficiencias’  a cuestiones fortuitas, que es un error de desconocimiento. Disfrutemos de las enormes ventajas de estos más que instrumentos y herramientas, estudiémoslo con alegría y ahínco pero sin olvidarnos de dónde estamos.

Existen gran variedad de lecturas sobre ordenadores, un ejemplo “Arithmétique des ordinateurs et preuves formelles”. Invito a la reflexión.

El piano y la física

Captura de pantalla 2014-02-25 a la(s) 00.26.56El pianoforte, instrumento complicado, y la música, forma de la pasión y del conocimiento, como la física y quizá a veces las mates, al menos para mí y para algunas otras personas que me constituyen.

Un sistema mecánico para producir sonido de una capacidad excelente, protagonista en los grupos musicales casi siempre, poco acostumbrado en estos casos a ceder su papel de privilegio, pero que lo puede, lo sabe y lo hace en ocasiones sin
complejos. Un instrumento majestuoso. Cuando el pianista ataca una tecla con cualquiera de sus dedos, un martillo golpea una, dos o tres cuerdas simultáneamente, la nota, como consecuencia de ello la cuerda o las cuerdas vibran, el conjunto de todas las cuerdas es un arpa cromática que se acciona indirectamente, el tablero armónico amplifica las vibraciones, recibe la energía de las cuerdas y vibra en el mueble que contiene este mecanismo y después solo la lectura del sonido y nosotros.

Aunque esto es un esquema muy simplificado contiene en resumen el proceso principal de la producción sonora de este mecanismo. Lo que aquí quería contar es que cada una de estas etapas se puede escribir y modelizar por una ecuación que procede de las leyes de la física que intervienen en este proceso. Para obtener las soluciones de este modelo habrá que recurrir a cálculo numérico, porque los métodos del análisis no son viables.

Como estoy muy interesada en la simulación computacional me ha parecido muy divertido un pequeñísimo artículo que leí, en el que se simulaba un piano imposible, con acústica propia de un piano real. El sonido que se produce con estos instrumentos virtuales actúa sobre el cerebro causando sobre él una sensación de objeto físico. Un piano virtual e imposible en lo real que impresiona el cerebro como un piano real.

Fantástica opción para los compositores musicales y para los investigadores científicos en armonía, tal vez.

Se puede leer también el breve sobre la cuerda vibrante, modelo simple y precioso en estas páginas

Leer a Arnold

Vladimir I. Arnold (1937-2010) Para no extenderme demasiado en esta ocasión y dejar que sea él mismo quien hable adjunto un documento que es una traducción de un prólogo de un libro suyo que ya comenté aquí. Quizá  todo lo demás sobra

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Teoría de las catástrofesRH-Arnold catástrofes

Sucintos comentarios sobre entes matemáticos interesantes (IX): espacios de configuración

Los sistemas mecánicos (y otros sistemas físicos) que son especialmente interesantes se modelizan encuadrados en un marco global que supone la generalización de las coordenadas locales y que con frecuencia se reconoce como espacios curvos, que en sentido ampliado se designan con la expresión espacios de configuración.

Los matemáticos enseñan que los espacios de configuración son indisociables con la modelización de un sistema del cual nos interesan sus propiedades globales. En ese sentido, la estructura matemática de pensamiento proponen que es necesario que las coordenadas locales han de cumplir unas condiciones para resultar útiles, lo que en sentido físico más tosco podríamos enunciar como que sean adecuadas o cómodas, un problema se ve mejor si se observa desde una posición adecuada. En esta situación hay que tener en cuenta y conjugar las necesidades de espacios de dimensión infinita que se presentan en muchos problemas de la física.

Como ejemplo de herramientas interesantes que es conveniente manejar con soltura para moverse en espacios de configuración con solvencia son inevitables las aplicaciones diferenciales (entre espacios de configuración). Piense el lector en los espacios vectoriales que tratados con las herramientas propias de los espacios de configuración conducen a las coordenadas curvilíneas, así algunos problemas geométricos se ven muy bien desde esta perspectiva (esferas, toros… cuestiones de geometría proyectiva), si se consideran las coordenadas clásicas y algunos casos que pensamos como prototípicos de la mecánica en los cuales estos son los espacios de configuración. Hay bastantes ejemplos muy bonitos y muy útiles, cabe citar el de los grupos de rotación de la mecánica del sólido que se mueve en torno a un punto, los cuales conllevan una geometría muy rica asociada a un sólido alrededor de un punto fijo, la idea de spin procede de las parametrizaciones clásicas de Euler y Cayley Klein para este caso.

Matemáticamente un espacio de configuración es un espacio topológico separado, en el que cualquier punto está rodeado de una bola abierta homeomorfa a un espacio vectorial; en definitiva, simplificando cabría decir que la información que proporcionan los espacios de configuración sobre los espacios mecánicos es la de todas las posiciones posibles y la dimensión de la variedad diferenciable que llevan asociados identifican los grados de libertad.

Mi propuesta en esta nota se relaciona con la voluntad constante que me anima a señalar al lector que pierda el miedo a adentrarse por caminos no trillados, lo fácil suele cansar antes y es de una belleza que se marchita pronto, en la enjundia de los libros buenos de cálculo variacional se encuentra más emoción y hermosura que en cualquier simplificación rápida… esa es la opinión que apoyo