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11 de septiembre de 2015

La raíz cuadrada de dos: El terror de los Pitagóricos

El primer intento serio de “hacer ciencia”, o por lo menos algo que nosotros, dudosos habitantes del siglo XXI, podamos considerar como ciencia, ocurrió en Mileto, una próspera colonia griega del Asia Menor, donde vivió Tales (de Mileto, obviamente) en el siglo VI a.C., del que cuentan que, basado en viejos datos babilónicos, predijo el eclipse total del 28 de mayo de 585 a.C. Verdadero o no, a veces la fecha de ese eclipse se pone como punto de arranque de la ciencia occidental.

Tales de Mileto y su escuela introdujeron una innovación absoluta en el pensamiento griego: separar lo natural de lo sobrenatural y establecer que los fenómenos naturales deben explicarse mediante causas naturales. Es la escuela de la physis. La escuela de Mileto dejó planteado un problema difícil: ¿por qué se debe aceptar tal o cual explicación (desde ya, los milesios estaban muy lejos de la idea de experimento)? Y ¿cómo podemos basar una teoría en la observación, sabiendo lo poco fiables que son los sentidos, y la empiria en general?

Problemas que fueron enfrentados por la escuela eleática (por Parménides de Elea, 540-470 a.C.), que frente al testimonio dudoso de los sentidos, opone un Ser permanente, inmóvil, continuo, eterno y sin atributos, al que sólo se puede acceder por la vía de la razón, olvidando los fenómenos, puramente contingentes (como quiere demostrar Zenón de Elea, discípulo de Parménides con la célebre paradoja de Aquiles y la tortuga). Pero un Ser sin atributos no puede darnos demasiado; el camino de Parménides no produce ciencia sino metafísica: en realidad, la escuela eleática lleva a la incipiente ciencia griega a un callejón sin salida. ¿Cómo salir del atolladero?

Los filósofos griegos siguieron: algunos tomaron un camino radical, como los atomistas (Demócrito y Leucipo), que fracturaron el ser en pequeñas partículas indestructibles y eternas: los átomos, infinitos, “increados”, tienen distintas formas y que se mueven permanentemente en el vacío. Y hubo, si se quiere, otra solución: las matemáticas, en las que la razón no tiene que discutir ni ocuparse de fenómenos, sino de relaciones puras. Ese es el camino que suscribió una escuela muy importante que se desarrolló a partir del siglo V en el sur de Italia, la escuela pitagórica. Los pitagóricos establecieron que la fuente de la realidad son los números. A la pregunta ¿cuál es el origen de las cosas?, respondieron: los números.


Es posible que esta idea haya partido del estudio de la música: descubrieron que hay relaciones numéricas precisas entre los sonidos; y estas relaciones, para nada evidentes, pudieron impulsarlos a dar el paso audaz de generalizar y proclamar que todas las cosas consisten en números. 

Así, la escuela pitagórica opta por el pensar y resuelve el problema milesio. Y fueron tal vez un poco más lejos de lo aconsejable: identificaron a la Justicia con el número 4 por tratarse del primer número cuadrado; al matrimonio con el 5, que representaba la unión del macho (3) con la hembra (2). Además, creían que todo el cielo era una escala musical, analizaron muchas propiedades de los números, trabajaron sobre los poliedros regulares, las medias aritméticas, geométricas y armónicas, acústica y astronomía, que era algo así como geometría aplicada. Desde ellos viene esa ligazón entre aritmética, música, astronomía y geometría que constituirá el quadrivium medieval. Propusieron un sistema, integrado por un fuego central alrededor del cual giraban veinte cuerpos envueltos en niebla, y dieron numerosas demostraciones; la más famosa es, desde ya, el teorema de Pitágoras).

Pero he aquí que el teorema de Pitágoras llevó a una conclusión asombrosa, que puso en jaque todo el sistema pitagórico. Al fin y al cabo, si uno construye un cuadrado de lado 1, se puede ver fácilmente que, como el cuadrado de la diagonal es la suma de los cuadrados de los catetos, es 1 al cuadrado + 1 al cuadrado = 2. Y entonces la diagonal mide la raíz cuadrada de 2.

Resulta que los pitagóricos descubrieron también que la raíz cuadrada de 2 no es un número, que no hay ninguna fracción que la represente: la raíz de 2 es “a-logos”, es inexpresable: es irracional. Y sin embargo, la diagonal de un cuadrado de lado 1 está ahí, de manera neta y tan evidente; tiene una longitud real y extremos fijos, puede construirse una varilla de esa longitud concreta, pero esa longitud concreta no parece ser nada, no parece pertenecer a la esfera de lo posible... y sin embargo, está allí. Pero además, es imposible negar la existencia de la raíz cuadrada de 2, que no se produce en el terreno de la empiria, sino en el mundo puro de los números.

Ahora, ¡hay que imaginar el efecto que este descubrimiento tuvo que tener en algunos de los primeros pitagóricos! Ellos suponían que todo consiste en números y que el conocimiento expresa relaciones entre números (enteros o fraccionarios). Pero he aquí que una entidad, que ciertamente pertenece a la ciencia, la diagonal de un cuadrado, no puede ser expresada con números enteros, no puede existir. Es decir, tenemos algo concreto y ese segmento, que está ahí no es un número, no es nada. Y la medida de la diagonal de un cuadrado de lado 1 tampoco es nada. ¡Pero la diagonal de ese cuadrado está ahí! ¿Cómo puede ser que a un segmento no corresponda ninguna longitud?

Un ejemplo del terror que produjo ver que algo tan simple como la raíz cuadrada de 2 era un irracional es la leyenda según la cual un pitagórico, Hipaso, divulgó el secreto y pereció ahogado como castigo divino por su acción. Y es que la escuela pitagórica se había embarcado en un callejón sin salida. Construyeron todo un edificio científico, místico, que les parecía muy sólido, y de repente aparece este asunto que amenaza con precipitar toda la escuela en el abismo. Los pitagóricos se enfrentan a este dilema y no lo pueden resolver. Han fracasado en su teoría de que todo está constituido por números, aunque la influencia que ejercieron siguió resonando a través de los siglos, y la encontramos aún en Kepler.

Y es que el problema con que se enfrentaron no es fácil de resolver, la raíz de 2, como descubrieron los pitagóricos, desde ya no es una fracción: no hay número entero ni fraccionario alguno que multiplicado por sí mismo nos reproduzca exactamente al 2. Actualmente escribimos raíz cuadrada de 2 como 1,14142135624 y agregamos una serie de puntos suspensivos que significan que la fracción decimal no tiene fin, que el número de decimales (no periódicos) es infinito. Es lo que ahora llamamos (quizás en homenaje a Pitágoras) un número irracional.

El terror de los pitagóricos ante la raíz de 2 es fácil de entender, porque nosotros, hoy, en el fondo, seguimos siendo pitagóricos. No creemos, como Pitágoras, que todo es número, pero sí que las matemáticas subyacen al mundo empírico; que de un modo misterioso organizan la empiria, que aquello que es matemáticamente posible es y que aquello que no es matemáticamente posible, no es.
Tomado de:
Bonus:
La biografía de Pitágoras, y detalles curiosos de los pitagóricos, en esta presentación:

Por primera vez se fabrica el estaneno


Dibujo20150803 stanene - 2d layer tin atoms - microscope image - nature materials
El estaneno es un material bidimensional (una hoja monoatómica de estaño, Sn, con un solo átomo de grosor). Se predijo su existencia en el año 2013 y se ha logrado fabricar mediante crecimiento epitaxial sobre una superficie de telurato de bismuto (Bi2Te3). Por ahora no se han podido confirmar si sus propiedades electrónicas son las predichas por los modelos teóricos. Este primo del grafeno (C) se une al club junto al siliceno (Si), fosforeno (P) y germaneno (Ge).

El artículo es Feng-feng Zhu et al., “Epitaxial growth of two-dimensional stanene,” Nature Materials, AOP 03 Aug 2015, doi: 10.1038/nmat4384; me he enterado gracias a Chris Cesare, “Physicists announce graphene’s latest cousin: stanene,” News, Nature, 03 Aug 2015, doi: 10.1038/nature.2015.18113. Recomiendo leer “Más allá del grafeno,” LCMF, 03 May 2015.


Dibujo20150803 Atomic structure model for the 2D stanene - nature materials

Según los modelos teóricos las propiedades de conducción de la electricidad del estenato son excepcionales. Su termoelectricidad casi ideal permite que a temperatura ambiente los electrones se muevan sin disipar calor. Esto implica que este material bidimensional sería ideal para desarrollar circuitos eléctricos de bajo consumo. Por desgracia esta propiedad no se ha podido confirmar usando las muestras fabricadas hasta el momento.

Dibujo20150803 Electronic structures of stanene film - nature materials

El estaneno según los modelos teóricos es un aislante topológico excepcional. Debería presentar superconductividad topológica. Además del efecto Hall cuántico anómalo a temperatura ambiente. Lo que si se confirmara haría que fuera un material mucho más prometedor que el grafeno en muchas aplicaciones. De hecho, también sería útil en espintrónica por el papel del espín en la propagación de ondas de electrones (cuasipartículas). Pero seamos cautos, todavía no se ha podido confirmar que el estaneno fabricado sea un aislante topológico ni que posea todas estas maravillosas propiedades. Por supuesto, se está desarrollando una intensa investigación con objeto de comprobarlo.

Dibujo20150803 omparison between DFT calculations and experiments - statnene - nature materials

La resolución de los experimentos (figura a la derecha) todavía es insuficiente para verificar las propiedades predichas por los modelos teóricos basados en la teoría del funcional densidad (figura a la izquierda). Aún así, las propiedades del estaneno son asombrosas. Sin lugar a dudas el estaneno dará mucho que hablar en los próximos

Fuente:

La ciencia de la Mula Francis

9 de septiembre de 2015

Proyecto “Esfera Mágica” de Perú pasa a la final de concurso mundial de innovación tecnológica

Un total de 35 proyectos pasaron a la final del concurso Electrolux Design Lab 2015, que reunió a un total de 1,500 proyectos de todo el mundo. Así informó Gestión:
El proyecto "Esfera Mágica" es uno de los 35 proyectos finalistas del Electrolux Design Lab 2015.
El proyecto "Esfera Mágica" es uno de los 35 proyectos finalistas del Electrolux Design Lab 2015
 
La alumna de cuarto ciclo de la carrera de Diseño de Producto de Toulouse Lautrec, Sofía Calvo se encuentra en la última fase del concurso Design Lab, cuyo tema de este año es “Niños Sanos y Felices”, con el proyecto “La Esfera Mágica”. 

Durante el concurso de diseño Electrolux Design Lab 2015 participaron un total de 1,500 proyectos de 34 países, entre los cuales figuran Japón y China, líderes en innovación tecnológica

Mientras que el Perú es representado por Sofía Calvo en la categoría Purificación del Aire quedando como finalista del concurso.

“La Esfera Mágica” tiene como objetivo ayudar a determinar la salud del niño, este innovador producto se abre mediante un sensor táctil, luego se descubre la protección dando alcance al niño, que debe soplar sobre la esfera interior, la cual al soplarla censa el aliento del niño. 

Finalmente se introduce a la cúpula de protección y la esfera cambiará de color, si se torna verde significa que el niño se encuentra bien de salud, en cambio de ponerse en el color rojo significa que el niño está en riesgo de enfermar. De esta manera se podría tener un mayor control sobre la salud y el cuidado del ambiente familiar.

Sofía Calvo estudiante de la carrera de Diseño de Producto de Toulouse Lautrec es la única peruana que ha sido seleccionada en este importante concurso a nivel mundial organizado por Electrolux. La votación para elegir al proyecto ganador se realizará hasta el 14 de setiembre en la siguiente dirección web.

8 de septiembre de 2015

Harald Helfgott, el matemático peruano que resolvió un problema de 271 años de antigüedad

El académico peruano logró responder a la llamada Conjetura débil de Goldbach.

Harald nació en Lima, Perú, pero desarrolló su carrera entre Estados Unidos y Europa. Fue el primer latinoamericano y el científico más joven en ganar la Cátedra Humboldt. Foto cortesía Ministerio de Educación de Perú.
Cuando tenía ocho años, el peruano Harald Helfgott se planteaba preguntas matemáticas que el resto de sus compañeros tal vez se harían recién en la secundaria.

¿Por qué 0.99999 hasta el infinito podía ser igual a 1? ¿Cómo hallar la raíz cuadrada de -1? ¿Cómo hallar la raíz cuadrada de un número imaginario?

Harald encontraba las respuestas y se sentía maravillado: "Era un gran placer responder a mis propias preguntas en el colegio".

Lee también: ¿Por qué dan pánico las matemáticas?

El matemático Helfgott, nacido en Lima en 1977, asistió a una escuela de la capital peruana y con los años potenció su curiosidad matemática hasta tener como resultado una brillante carrera.

Estudió becado en la Universidad de Brandeis, Estados Unidos, llevó un doctorado en Princeton y un post doctorado en Yale, y se convirtió en investigador en el Centro Nacional de la Investigación Científica de Francia.

Este año, Helfgott fue el primer latinoamericano y el científico más joven en ganar la Cátedra Humboldt, que dota a sus beneficiarios con US$3,9 millones por responder a una pregunta que rompía la cabeza de los científicos hace casi 300 años: "¿Es cierto que todo número impar mayor que cinco puede expresarse como la suma de tres números primos?".
La pregunta nacía de la llamada Conjetura débil de Goldbach.

En 1742, el matemático prusiano Christian Goldbach envió una carta a su colega suizo Leonhard Euler en la que proponía que todo número par mayor que dos puede escribirse como la suma de dos números primos y que todo impar mayor que cinco puede escribirse como la suma de tres primos.
Ninguno de los dos estudiosos pudo comprobar las afirmaciones, por lo que quedaron como conjeturas.

La segunda fue conocida como "débil" porque estaba incluida en la primera, que comenzó a llamarse "fuerte".

  
Carta del científico Golbach a su colega Euler, en un intento de resolver la famosa conjetura matemática. Foto cortesía Ministerio de Educación de Perú.

"El trabajo serio para comprobar la conjetura débil comenzó a principios del siglo XX. Antes, nadie sabía ni por dónde comenzar", dice Harald Helfgott.

En 2005, este matemático comenzó a estudiar el trabajo de otros científicos que habían comprobado la conjetura débil para cierta cantidad de números.

El enunciado de Goldbach sonaba muy simple, pero probarlo para todos los números impares hasta el infinito era muy complejo.

Lee también: ¿Cuál es el resultado matemático más asombroso?
Harald comenzó a buscar una prueba el 2006.


En febrero de 2012, cuando ya estaba muy cerca de encontrarla, se levantaba muy temprano todos los días para dedicarse a esta tarea y llegaba a su oficina por las tardes.

Solo aquí revisaba su correo electrónico y buscaba información, pues había suspendido la conexión a Internet en su casa, para no distraerse.

En la noche, volvía a concentrarse en el trabajo de la conjetura hasta la hora de dormir.

En junio de 2013, por fin halló la respuesta y demostró en un trabajo de 79 páginas que la conjetura débil de Goldbach era cierta.

¿Para qué sirve demostrar la conjetura?

La demostración de la conjetura en sí misma tal vez no sirva para nada.
"Más bien las ideas o herramientas aplicadas para hallar la demostración son las que serán útiles para la teoría de números o en algunos casos fuera de ella", explica Harald.

Gracias a su trabajo, el matemático peruano ha sido invitado a dar charlas en Australia y varios países de América, Europa y Asia.

Ahora está investigando sobre teoría de números en el Instituto Nacional de Matemática Pura y Aplicada (IMPA) de Río de Janeiro, Brasil.

En unas semanas, partirá a la Universidad de Göttingen, Alemania, para dar clases y dividir los fondos de la Cátedra Humboldt en nuevas investigaciones matemáticas.
Harald también ha recibido una beca del Consejo de Investigación de Europa, que invertirá en multiplicar los conocimientos de la teoría de números.

En su tiempo libre, Harald cocinará platos peruanos para sus amigos y retomará sus clases de tango básico.

¿Intentará ahora demostrar la conjetura fuerte de Goldbach?

"Falta desarrollar herramientas, ideas para comprobarla", dice.

"No creo que esté al alcance de la comunidad matemática por el momento". 

Probarla podría tomar otros tres siglos.

Fuente:

BBC 

5 de septiembre de 2015

La ley de la selva siempre sigue las mismas reglas matemáticas

Los grandes ecosistemas del planeta repiten el mismo patrón que relaciona la biomasa de depredadores y presas.

Las matemáticas son una abstracción humana, pero gobiernan la vida salvaje del planeta. Ya sea en la sabana o en las profundidades del mar, los ecosistemas muestran siempre los mismos patrones matemáticos que relacionan la biomasa de depredadores con el de presas. Un monumental estudio con miles de especies demuestra cómo el aumento de comida disponible (presas) no lleva aparejado un aumento igual del número de depredadores. Y el patrón se reproduce casi de manera universal.

En la Tierra hay una gran variedad de ecosistemas marinos, terrestres, lacustres, de montaña, selváticos o desérticos. Unos están integrados por unas pocas especies, como en las cumbres alpinas o las fumarolas de las simas atlánticas. Otros son exuberantes, como la Amazonia brasileña o la reserva del Ngorongoro, en Tanzania. A pesar de tanta diversidad, todos pueden representarse en forma de pirámide, con una base, generalmente biomasa vegetal, y sucesivas capas que se alimentan de la precedente, como los herbívoros de aquella base y los grandes depredadores felinos de estos últimos.

La lógica y buena parte de las investigaciones en ecología dicen que a más biomasa en la base, más cantidad de energía en forma de comida para los de arriba: si hay más pasto en la sabana, habrá más gacelas y ñus, y si hay más gacelas y ñus, habrá más leones. Es decir, el tamaño de la pirámide puede aumentar, pero no cambia su forma. Sin embargo, no es así. La relación no es lineal, sigue en realidad una ley de potencia que es sublineal: a más gacelas y ñus, habrá 0,74 (o 3/4) más de leones. Y se ha comprobado en todos los ecosistemas donde ambos conviven. Desde el secarral del desierto del Kalahari hasta el rico cráter del Ngorongoro, pasando por el delta del Okavango o la reserva Kruger, siempre se repite esa ley de potencia.

"Una ley de potencia es una función matemática simple", dice el investigador de la Universidad McGill (Canadá) y principal autor del estudio, Ian Hatton. En ecología, se asumía que el exponente de esa ley de potencia era 1, lo que significa que cuando se dobla las presas [en número o densidad], también se dobla el de los depredadores. "Sin embargo, hemos comprobado un exponente cercano a los 3/4, lo que es menos que 1", añade el científico canadiense. Esto supone que si aumentan las gacelas, también lo harán los leones pero no en la misma proporción.

Lo que han descubierto Hatton y sus colegas es que esta ratio no es solo cosa de los leones. En el caso de las hienas y sus presas es de 0,74. En el de los tigres del sudeste asiático, también del 0,74. De los lobos de norteamericana, del 0,72... y así hasta una treintena de grandes depredadores y los centenares de especies de las que se alimentan. Tal y como muestran en un artículo publicado en Science, allí donde aumenta la biomasa de presas, la ratio depredador-presas disminuye.

El fenómeno, además, no es exclusivo de los grandes depredadores. Los investigadores repasaron más de 1.000 estudios sobre poblaciones ecológicas, densidad de especies, número de ejemplares, relaciones entre depredadores y presas... En total obtuvieron datos de 2.260 ecosistemas y unas 1.500 áreas geográficas. Hay estudios sobre grandes mamíferos, invertebrados, zooplancton que depreda el fitoplancton, invertebrados y plantas... En la práctica totalidad, a excepción de algunas comunidades de peces y protistas, la relación entre depredadores y presas siempre sigue esa ley de potencia elevado a 3/4.

"Estamos impresionados. Se trata de un patrón asombroso", dice en una nota el investigador de la Universidad de Guelph, Kevin McCanny, coautor del artículo. Sea el ecosistema que sea el observado, la cantidad relativa de biomasa de presas y depredadores puede ser predicha "por una simple función matemática", comenta.

Pero aquí no acaba la relación de la naturaleza con las matemáticas.
El artículo completo en:

El País 

¿¡Qué pasaría si se extinguieran todas las cucarachas?

Como ya hemos mencionado es muy común haber escuchado personas que desean fervientemente que las cucarachas se extingan de todo el planeta (hasta yo me incluyo). Esta reacción normalmente viene como consecuencia de un desagradable e inesperado encuentro con alguno de estos indeseables insectos o al comprobar que algún alimento está siendo consumido por ellos, hecho suficiente como para perder el deseo ante alimento.

Lo cierto es que sería muy deseable que en nuestro hogar jamás entraran las cucarachas que, además de su mal aspecto, son transmisoras de enfermedades, pero realmente la duda de este tema es… ¿qué ocurriría si las cucarachas desaparecieran de la Tierra?

Las cucarachas las encontrarás en muchos lugares

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Las cucarachas están entre los insectos más numerosos que existen, tanto en especies como en número. Aunque no se sabe a ciencia cierta la cantidad, se estima un número entre 5000 y 10.000 cucarachas y sus representantes se encuentran por todos lados, desde las ciudades y otros sitios donde el hombre las atrae por la alta producción de desperdicios, hasta los bosques tropicales, zonas desérticas, pantanos e incluso zonas costeras.

De todas esas especies, apenas unas pocas son las que interactúan directamente con nosotros con cierta frecuencia, en unos países predominan más unas que otras, estando entre las más extendidas por ejemplo, la llamada Periplaneta americana o cucaracha doméstica.

¿Qué pasaría si dejasen de existir?

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Las cucarachas, como el resto de los seres vivos y en particular los insectos, son una fuente de alimentos para criaturas como las aves, los mamíferos insectívoros, los anfibios y otros insectos, etc., incluso, en ciertas culturas, también son alimento para los seres humanos.

Aunque ningún animal basa su alimentación exclusivamente en ellas, por lo que de desaparecer estas no se extinguirían, sí se verían reducidas sus posibilidades de sobrevivir y disminuirían sus poblaciones de manera importante, por lo que otros insectos o plagas podrían multiplicarse al alterarse el equilibrio ecológico de los ecosistemas.

Un ejemplo concreto sería la reducción de las poblaciones de ratones y ratas, ya que una parte importante de su dieta se compone de cucarachas.

Si estos pequeños roedores perdieran esta fuente de alimento y se redujeran sus poblaciones silvestres, provocaría daños enormes en animales como las águilas y otras aves de presa, los felinos, los coyotes, los lobos, y muchos reptiles.

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Por otro lado, está su contribución inestimable en el ciclo del nitrógeno, algo vital para el funcionamiento del planeta. ¿De qué manera lo llegan a hacen? Pues la mayoría de las cucarachas se alimentan de materia orgánica en descomposición.

Este material retiene en su estructura grandes cantidades de nitrógeno, y al ser consumido constantemente por millones y millones de cucarachas, esta materia pasa por el tracto digestivo del insecto convirtiéndose en heces que al caer en la tierra, liberan más fácilmente los productos nitrogenados que luego son aprovechados por las plantas, garantizando así la salud de los bosques, las praderas y demás ecosistemas y con ello indirectamente a todos los habitantes de los mismos.

Probablemente luego de leer esto y por más de que te vuelvas a encontrar en otra situación envuelta con cucarachas, de igual manera será mejor volver a pensar si de verdad queremos que se extingan

Fuente:

Ben Viral
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