Cuernos, mentiras y matemáticas por Fernando Jiménez

En la tragedia de Shakespeare Otelo, el homónimo protagonista, general de la república de Venecia, se enamora de Desdémona, hija de un senador. Después de casarse en secreto, uno de sus alféreces, Yago, movido por el odio que siente hacia él le hace creer que su esposa es infiel con Casio, su más leal teniente. Podrido de celos, Otelo mata a Desdémona y, después de saber que todo ha sido un engaño, se suicida.

Alexander Pushkin, considerado unánimemente padre de la literatura rusa moderna, poeta consagrado, mujeriego desenfrenado, endeudado crónico, adicto al juego, odiado por la aristocracia a la que pertenecía por nacimiento pero no por ideología, contrajo matrimonio en 1831 con la bella Natalia Goncharova. Georges d’Antès, un militar francés emigrado a Rusia y casado con una cuñada de Pushkin, comenzó a asediar a Natalia, encendiendo unos irrefrenables y paradójicos celos en su libertino marido. El escritor ruso retó al oficial francés a duelo, siendo herido de muerte a las afueras de San Petesburgo la madrugada del 29 de enero de 1837.

Estos son dos célebres ejemplos de lo que un hombre despechado, tanto en el mundo real como en el de la ficción, puede llegar a hacer presa de un galopante ataque de cuernos. Los hombres de ciencia tampoco son inmunes a los celos. Ni siquiera a los celos ficticios, lo que ha dado lugar a una de las leyendas urbanas más extrañas de la historia de la ciencia y de sus más famosos premios.

Alfred Nobel fue un ingeniero e inventor sueco, nacido en una familia de profesionales del gremio. Emigrados a Rusia, Alfred, junto a sus hermanos, recibió una cuidadosa educación tanto en ciencias naturales como en humanidades. De regreso a Suecia tras la quiebra de la fábrica de explosivos que su padre había instalado en San Petesburgo, completó sus investigaciones en el campo de los explosivos, lo que dio lugar al descubrimiento de la dinamita. El hallazgo le reportó una gran fortuna y, a la vez, un gigantesco dolor moral: si bien la dinamita facilitaba la vida en algunos aspectos, también acababa con ella en los campos de batalla. Cerca de su muerte fundó la sociedad filantrópica Nobel, a la que legó la mayor parte de su fortuna y que quedó encargada de, cada año, premiar a quienes más notoriamente hubieran aportado a la humanidad en las áreas de Física, Química, Medicina, Literatura y paz mundial: habían nacido los prestigiosos premios Nobel. ¿Quedó algo de herencia para su esposa? Debemos decir que no puesto que, a pesar de que Alfred Nobel tuvo varias amantes y amores a lo largo de su vida (la condesa austro-bohemia Bertha Kinsky, la austriaca Sofie Hess…), jamás se casó. Aquí tenemos uno de los ingredientes de la posterior maledicencia.

Si nos fijamos en la lista de las disciplinas que Alfred Nobel consideró dignas de ser premiadas vemos que las Matemáticas están ausentes. ¿Por qué no existe el premio Nobel de Matemáticas? La leyenda dice que cuando Alfred Nobel pidió consejo a especialistas para saber quién merecería cada uno de los galardones, éstos le dijeron que el candidato ideal en la categoría sería el matemático sueco Gösta Mittag-Leffer, quien, según las malas lenguas mantenía un romance secreto con su esposa. ¡¡Imposible!! La rivalidad entre Nobel y Mittag-Leffer, tanto en la vida civil como en la amorosa, es un extraño producto de los agujeros en los conductos de la información: al parecer apenas se conocían el uno al otro.

El verdadero motivo por el no existe el premio Nobel de Matemáticas es que su fundador, a la hora de idearlos, no consideró esta disciplina relevante para la sociedad en un sentido práctico (lo que, ha quedado bastante patente a lo largo de la historia, es completamente falso), esa sociedad a la que, según su conciencia, tanto daño había hecho con su explosivo invento.

A pesar de la notoria ausencia, los premios Nobel no están vetados para los matemáticos. Ejemplos son el norteamericano John Nash, que recibió el de Economía en 1994 por sus trabajos en el estudio del equilibrio en la teoría de juegos no cooperativos, y el español José Echegaray, que recibió en 1904 el de Literatura por su obra dramática.

Pero si de galardonar se trata, las ciencias matemáticas no se quedan atrás. El vacío dejado por el inventor sueco rápidamente fue llenado por la Unión Matemática Internacional, que cada cuatro años otorga la prestigiosísima medalla Fields a matemáticos que hayan logrado su descubrimiento cumbre por debajo de los cuarenta años. En la lista de galardonados está la mayoría las más grandes luminarias en Matemáticas del siglo XX (y ya parte del XXI). Por otro lado nos encontramos con el premio Wolf, que se concede anualmente desde 1978 en Israel a científicos y artistas por sus logros en interés de la humanidad y de las relaciones fraternas entre los pueblos, sin distinción de raza, color, religión, sexo o tendencias políticas. El grado de brillantez de los premiados en la categoría de Matemáticas no es menor que en la Fields, apareciendo, además, aquellos que no fueron tan precoces o que lograron su descubrimiento en el umbral de los cuarenta años, como ocurrió con Andrew Wiles y su prueba del último teorema de Fermat. Finalmente, los matemáticos también optan al premio Abel, otorgado anualmente por el rey de Noruega desde 2002 en claro paralelismo con el premio Nobel.

–Nota: Esta entrada la ha escrito Fernando Jiménez. Y es que si tenemos buenos compañeros de trabajo, habrá que aprovecharlos ¿no?

Integradores variacionales (Marca ACME) por Fernando Jiménez

Una de las mayores desgracias que sufren los matemáticos, físicos, ingenieros y otros científicos que se ocupan de estudiar la naturaleza desde un punto de vista cuantitativo, es la de no saber resolver (en algunos casos) las ecuaciones diferenciales que esa misma naturaleza, con un poco de mala leche, les plantea. Probablemente esta afirmación no es la mejor publicidad para la ciencia y quienes la practican (… ¡que no saben resolver las ecuaciones!…, pensarán algunos imaginándose un avión en caída libre) aunque, quizá, la dificultad de encontrar dichas soluciones en términos de funciones elementales les proporcione cierto cuartelillo. De hecho, ese cuartelillo no tarda en llegar cuando se presentan ciertos antecedentes al gran público. La reacción de la hermana filóloga de un amigo que se dedica a la física de cuerdas viene bastante al caso: ¡pero cómo van a encontrar la solución!, ¿acaso has visto sus hojas? -le dijo a su madre, mientras discutíamos todos juntos el asunto, refiriéndose a las notas de su hermano. La solución analítica de las ecuaciones diferenciales es por tanto como un ciervo blanco. Pero, ¿quién la necesita cuando se puede encontrar una buena aproximación?

El Análisis es la rama de las matemáticas que se encarga, entre otras cosas, de demostrar que la solución de las ecuaciones diferenciales existe (lo que, aunque los científicos aplicados no lo crean, resulta un gran alivio), mientras que el Análisis Numérico, entre otras cosas, se ocupa de encontrar aproximaciones de esas esquivas soluciones, que llamaremos integradores, y de estudiar sus propiedades.  Las ecuaciones de la física clásica tienen carácter diferencial y se obtienen a partir de la acción de un sistema dado (integral de la función lagrangiana) a partir de principios variacionales (para entradas anteriores sobre este tema ver aquí, aquí o aquí). Se puede probar la existencia de las soluciones a dichas ecuaciones, aunque en muchos casos, sobre todo en los más complejos (que suelen coincidir con los de mayor interés práctico) no sabemos encontrarlas. ¿Debemos encogernos en un rincón y ponernos a llorar? ¡Ni mucho menos! Como se menciona antes, el Análisis Numérico nos echa una mano con sus integradores.

Por otro lado, desde la mitad del siglo pasado se han introducido métodos topológicos y geométricos en el estudio de las ecuaciones diferenciales, en especial de aquellas que provienen de la física y que están relacionadas con sistemas mecánicos (desde los más simples, como puede ser un péndulo o una bolita deslizándose plano abajo, hasta los más complejos, como puede ser el Sistema Solar). Este nuevo campo de investigación que reformula la Mecánica Clásica en lenguaje geométrico se llama actualmente Mecánica Geométrica, y nos enseña interesantes propiedades de las soluciones a las ecuaciones mecánicas. Habitualmente, estas propiedades están relacionadas con la preservación de alguna cantidad geométrica. Ejemplos son la forma simpléctica, cuyo nombre asusta pero que está conectada de una forma más pedestre con el volumen del sistema bajo estudio, o las aplicaciones momento, inquietantes objetos en íntima relación con la simetría de las funciones lagrangiana o hamiltoniana y que nos dan información sobre los invariantes del sistema y parte de su comportamiento (por ejemplo, el hecho de que las órbitas de los planetas estén contenidas en un plano puede explicarse de forma sencilla diciendo que el momento angular de dicho planeta se conserva). El concepto de simetría tiene gran importancia en las matemáticas y física modernas, sobre todo a nivel cuántico. Su vínculo con la preservación de cantidades geométricas, cantidades que en algunos casos tienen una interpretación física reconocible, se encapsula en uno de los hitos más importantes de las matemáticas del siglo XX: el teorema de Noether.

Todo lo anterior está perfectamente formalizado cuando pensamos en las soluciones exactas a las ecuaciones diferenciales (que sabemos que existen). A nivel práctico… ¿qué pasa cuando no sabemos encontrarlas? ¿Nos echamos a llorar de nuevo? ¿Tienen nuestros útiles integradores las mismas propiedades? ¿Preservan a nivel numérico las mismas cantidades que sus contrapartes exactas preservan a nivel continuo? El área de las matemáticas que se encarga de responder a estas preguntas a nivel geométrico es la Mecánica Discreta, área relativamente moderna y en plena ebullición. La respuesta suele ser positiva, bajo ciertas condiciones, lo que nos ofrece una bonita simetría especular entre el mundo de las soluciones exactas y el mundo de los integradores. ¿Hay alguna forma variacional de obtener dichos integradores, tal y como ocurre con las ecuaciones continuas de la física? De nuevo la respuesta es sí, lo que da lugar a uno de los objetos más interesantes y más prácticos dentro de la Mecánica Discreta: los integradores variacionales. La última pregunta suele ser la más peliaguda: ¿son realmente mejores, en algún sentido, los integradores con propiedades geométricos que aquéllos que no las tienen? Pensándolo fríamente, a la hora de simular un sistema mediante un integrador, lo que uno pretende es que dicho integrador sea eficiente, robusto, preciso (es decir, que se aproxime a la solución exacta lo máximo posible) y que sea fácil de traducir en algoritmos comprensibles por un ordenador. Bajo estas consideraciones se puede decir que los integradores geométricos, en concreto los variacionales, no son mejores ni peores que los demás. Lo que sí se comprueba es que algunos de ellos, en concreto los que preservan la forma simpléctica, presentan gran robustez cuando se hacen simulaciones a tiempos largos (son simplécticos, por ejemplo, los integradores empleados en las simulaciones del Sistema Solar).

Lo que sí se puede concluir en cualquier caso, es que tanto el Análisis Numérico como cualquiera de sus estribaciones geométricas, ya sea en forma de Integración Geométrica o Mecánica Discreta, no son áreas menores de las matemáticas o una forma humilde de capitular ante la incapacidad de encontrar soluciones analíticas a ciertas ecuaciones. Todo lo contrario, son ramas poderosas, intrigantes y de gran utilidad práctica, que nos proporcionan lo que la mayoría de las veces resulta más inteligente: una forma de encontrar una solución alternativa y aproximada a un problema demasiado difícil. O en otras palabras: una forma de avanzar en lugar de quedarse paralizado.

–Nota: Esta entrada la ha escrito Fernando Jiménez.

Las matemáticas como ciencia experimental

Actualmente cuando uno piensa en problemas sin resolver en física piensa en la Teoría del Todo, en el bosón de Higgs o en los límites de validez de la mecánica cuántica. Sin embargo, existen problemas que son fáciles de entender que aún no tienen respuesta. Problemas que sólo involucran a la mecánica de Newton y que todavía no sabemos cómo atacar. Vamos a introducir el que nos ocupa con un experimento que puede ser fácilmente realizado en casa. Continue reading

“¿A qué me dedico?” – Ordenes cero y primero

Como estudiante de doctorado, es una pregunta que me han hecho mil y una veces. Voy a tomar la solución a esta respuesta al estilo “físico teórico”:

Orden cero:

Las respuestas más comúnes que obtengo cuando le digo a la gente que soy físico son:

“¡Hala!”

“¡Uff, qué difícil!”.

Podría decirse que esa respuesta es invariante.

Mi réplica suele ser casi siempre la misma:

“En realidad, no es tan complicado: como en casi todo, lo más importante es la dedicación y la motivación. Por ejemplo, yo no podría ser abogado, pues require habilidades que no poseo.”

Y, si mi interlocutor no está más interesado en la ciencia porque no lo considere cultura (a pesar de lo que el Diccionario de la Real Academia de la Lengua Española tenga que decir al respecto), el tema se acaba ahí.

Si tuviese que contar las veces que doy esta respuesta, diría que, aproximadamente, sirve el 50% de las veces.

 

Primer orden:

Supongamos que tenemos a alguien enfrente con algo más de interés:

“Y ¿qué estudias?”

A menos que sepa que la persona con la que estoy hablando tiene un cierto bagaje científico, suelo sacar, de modo tímido, las siguientes palabras de mi boca:

“¿Conoces la mecánica cuántica?”

La palabra “cuántico” se repite habitualmente en los programas de divulgación, de modo que casi todo el mundo “sabe” que tiene que ver con las cosas MUY pequeñas (aunque cada vez más grandes).

Cuando observamos las cosas a escalas macroscópicas (como, por ejemplo, milimetros, centímetros, metros, y mayores), tenemos la sensación de que todo es contínuo, sin saltos. Sin embargo, cuando miramos las cosas más de cerca, como haciendo “zoom” a los detalles más pequeños, las cosas comienzan a verse como hechas a base de “trozos” o “pedazos” más pequeños, llamados “cuantos”.

Si nos acercamos a las figuras de la izquierda, por mucho que nos acerquemos, nos pareceran "solidas". Algo discreto carece de esa "solidez", y se asemeja a una montaña de arena: desde lejos parece sólida, pero cuando te acercas ves que está formada a base de granitos.

Con la palabra “cuanto” no me refiero a las piezas que, al unirse, forman máquinas más complejas: si nos acercásemos a cada una de esas piezas, nos parecería como si fuesen totalmente solidas y contínuas. Sin embargo, si seguimos acercándonos, podemos ver como esa solidez es totalmente artificial, pues la materia está formada por moléculas, átomos y otras partículas indivisibles. Si estirásemos un poco la analogía, podríamos suponer que esa materia “sólida” o “contínua” es como un cuadro puntillista: de cerca se observa que el cuadro está pintado a base de pinceladas puntuales de diversos colores pero, al alejarse, uno puede ver como los colores se van fundiendo, degradados apareciendo, y el conjunto del cuadro sale a la vista como si hubiese sido pintado con trazos contínuos.

Pero, volviendo a la cuestión que nos atañe, una vez que me aseguro de que la persona sabe a lo que me refiero, continúo con lo siguiente:

“Mi campo es la óptica cuántica: si la óptica se encarga de estudiar los fenómenos de la luz, en vez de imaginar la luz como una sustancia continua de la que podemos obtener una cantidad arbitrariamente pequeña, nosotros la consideramos compuesta de pequeños trozos o cuantos de luz llamados fotones.

Además, también estudiamos las interacciones de la luz con los cuantos de materia. En mi caso, con los átomos.”

Y, hasta aquí, me parece una respuesta que atañe al 90% de mis interacciones.

Podría continuar con el segundo orden, con mayor precisión y contenido en detalles, pero esa es otra historia y deberá ser contada en otro momento (Aunque puedo adelantar que aparecen láseres)

 

¿Cómo nos golpea el factor de impacto?

Está el tiempo un poco revuelto en tierras de la publicación de artículos científicos. Resulta que en los USA la editorial Elsevier está haciendo presión para sacar una ley contra el acceso libre a la investigación científica. Por esto y otras cosas la comunidad científica trata de boicotear a dicha editorial (ver la noticia aquí y aquí). Por otro lado existen multitud de revistas, y algunas sólo sirven para engordar el ego de los autores que publican en ellas y la cartera de los dueños de la editorial (ver aquí).

En esta entrada voy a explicar un poco cómo funciona la publicación de artículos científicos:

Cuando un científico consigue resolver un problema medianamente interesante escribe un artículo donde cuenta cómo lo ha hecho. Una primera versión que al autor le gusta (y que cree que está bien) es enviada a una revista. La revista se suele elegir de acuerdo a la dificultad del problema resuelto, las técnicas usadas y el área de conocimiento de manera que se optimice “la calidad” de la revista. Lo que pasa es que medir “la calidad” es un tema muy peliagudo. Para ello se suele utilizar el factor de impacto (aunque no está claro que esto esté bien hecho). Remarco aquí el hecho obvio de que el trabajo del científico lo paga, normalmente, el Estado, no una editorial.

Cuando un editor recibe un artículo lo manda a un revisor (en el argot, a un referee). Esta persona ha sido elegida porque tiene amplios conocimientos en el tema del que trata el artículo y su nombre será mantenido en secreto por el editor. De esta manera se asegura una evaluación por una persona cualificada y que no debe preocuparse por las consecuencias de su veredicto. Y otra cosa no menos importante, el trabajo del revisor es gratuito. Efectivamente, habéis leído bien, un doctor en alguna ciencia y reputado investigador trabaja gratis una parte de su tiempo.

Tras un tiempo prudencial (normalmente muy largo) el revisor envía su informe recomendando la publicación del artículo sin modificar nada, con ligeras modificaciones o directamente lo rechaza. En el caso favorable, el autor hace los cambios si los hubiera y el artículo aparece en la revista en cuestión. En otro caso el autor puede elegir mandarlo a una segunda revista. Para leer el resultado final del trabajo los científicos compañeros del autor deben pagar mucho dinero. Por dar una cifra el CSIC se gasta anualmente 9 millones de euros.

Los derechos de la versión del trabajo final, la que se publica como artículo en un número de la revista ya no es del científico autor del trabajo. Sin embargo, normalmente (depende de la editorial) si tiene los derechos de las primeras versiones (en el argot “preprints“) y de la versión revisada tras el informe del revisor (en el argot “postprint“). Estas versiones pueden colgarse en sus webs, en repositorios como Arxiv o donde uno quiera.

Así que resumiendo, el trabajo lo hace el autor de la investigación y el revisor y lo cobra Elsevier. Para que luego digáis que los investigadores somos listos.

Además, las revistas proliferan. Cada vez hay más. Y a los investigadores para sacar una beca o un contrato se les exigen cantidades ingentes de artículos indexados en la ISI Web of Knowledge (con factor de impacto). Resulta que Einstein podía ser un genio sacando “solamente” la relatividad, el movimiento browniano y el efecto fotoelectrico, pero para ser un postdoc en España uno tiene que tener nosecuantos artículos. ¿Qué ocurre con eso? pues que se recurre a lo que sea. A publicar artículos poco interesantes y a repetir la técnica hasta la náusea. Esto por si mismo, no es ni malo ni bueno, creo yo. Uno hace lo que puede, sabe o quiere. Lo que está mal es evaluar la cantidad equiparándola a la calidad. Acabo con una frase que he escuchado a gente ilustre:

“con ese criterio Corín Tellado sería mejor que Cervantes” 

 

Resolviendo la ecuación de ondas…

Tradicionalmente los matemáticos que trabajamos en el área de ecuaciones en derivadas parciales estudiamos problemas que vienen de procesos físicos. Es el caso de la ecuación del calor, la ecuación de Poisson o la ecuación de ondas. En esta entrada vamos a exponer dos métodos para resolver la ecuación de ondas. Estos métodos al tener un planteamiento distinto dan una información distinta. Veremos así diferencias entre pensar en las ecuaciones sólo o pensar en el fenómeno que modelizan. La ecuacion de ondas es
\displaystyle\partial_t\partial_t u=\partial_x\partial_x u,
junto a dos valores iniciales (tiene dos derivadas en tiempo) y las condiciones de contorno, que aquí tomamos dirichlet homogéneas. Esta ecuación refleja la separación del equilibrio de la cuerda en tiempo t y en el punto x.
Jean Le Rond D’Alembert demostró que si consideramos toda la recta (es decir, sin contornos) entonces podemos escribir la solución como una superposición de ondas, una que viaja hacia la derecha y otra que viaja hacia la izquierda. Estas ondas se escriben en función de los valores iniciales. Podemos hacer lo mismo en dominios acotados o semi acotados, pero es más lío.
Esta aproximación es puramente teórica, muchas ecuaciones admiten solución en forma de onda viajera (por ejemplo la de Fisher-Kolmogorov, \partial_t u=\partial_x\partial_x u +u(1-u) ). En este caso podemos esperarlo si observamos que podemos ‘factorizar’ el operador como dos operadores de transporte   Continue reading

De cuerdas y tambores, o cómo la física aparece en un problema de matemáticas

Cualquier estudiante de física tiene claro o al menos intuye cómo aparecen las matemáticas al estudiar problemas de física. Hoy vamos a hablar de cómo aparece la física en un teorema abstracto de matemáticas. Continue reading

Oscilador Armónico – Parte II

Hace bastante tiempo escribí la primera parte de esta serie, pero dado que estoy muy ocupado soy un poco vago, he tardado bastante en ponerme a escribir la segunda parte.

Hoy, y apoyándome en el cálculo variacional (tanto en el concepto físico como en el desarrollo matemático), revisaremos el oscilador armónico pero esta vez lo haremos desde el punto de vista Lagrangiano.

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Introducción al cálculo variacional en las matemáticas

Esta entrada es la gemela de la entrada Introducción al cálculo variacional en la física (http://scientiapotentiaest.ambages.es/?p=87). En ella David nos decía

Queremos saber qué camino tomará un cuerpo en una cierta situación. Imaginemos que tenemos una cantidad (un funcional, matemáticamente hablando), a la que llamaremos acción (con unidades de energía por segundo), que depende del “camino” que ese cuerpo toma en su movimiento. Esa acción puede ser calculada para cada cualquier camino siempre y cuando tenga una cierta regularidad.  Pues bien, el camino real, el que tomará el cuerpo y que podrá ser predicho, es aquel que hace de la acción un mínimo (más rigurosamente, un valor estacionario).

Así, el enfoque en mecánica clásica es: dado un sistema físico, obtenemos un funcional; a este funcional se le calculan los puntos críticos y esos puntos críticos nos dan las soluciones del problema. Matemáticamente esto es ir del funcional a la ecuación diferencial.

Veamos esto con un ejemplo: Supongamos que tenemos una partícula de masa unidad bajo el influjo de un potencial U(x) (sistema físico).

Entonces el Lagrangiano se define como

L=E_c-E_p

donde E_c=\frac{1}{2}\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 es energía cinética, que depende de la velocidad v=\frac{dx}{dt};  y E_p es energía potencial, que depende del potencial U en el lugar donde la particula se encuentra. Entonces se tiene, si la posición de la partícula se denota como x, que el lagrangiano es

L(x)=\frac{1}{2}\left(\frac{dx}{dt}\right)^2-U(x).

Ahora definimos la acción como A[x]=\int_0^t L(x)dt. Esta acción la hemos obtenido de consideraciones físicas como son la definición de energía cinética y potencial.

Una vez tenemos la acción, queremos minimizarla. Para esto hemos de encontrar los puntos críticos. Si fuese una función de una variable normal y corriente derivaríamos e igualaríamos a 0. Derivar es encontrar el cambio de una cantidad cuando se varía otra de manera infinitesimal. Aquí la idea es similar. Lo que hacemos es, dada una perturbación con los extremos fijos (v(t) tal que v(0)=v(t)=0) de nuestra trayectoria x consideramos la curva y(t)= x(t)+sv(t).

Ahora pensamos la acción para esta nueva curva y como una función de s,

A[y](s)=\int_0^t L(y(t))dt,

y obtenemos el cambio en ella cuando variamos ligeramente s; esto es, derivamos en s y hacemos s=0.

\frac{d}{ds}A[y](s)\bigg{|}_{s=0}=\frac{d}{ds}\left(\int_0^t L(y(t))dt\right)\bigg{|}_{s=0}

Calculamos, utilizando la regla de la cadena,

L(y)=\frac{1}{2}\left(\frac{dx}{dt}+s\frac{dv}{dt}\right)^2-U(x+sv),

\frac{d}{ds}U(x+sv)\bigg{|}_{s=0}=U'(x)v, (para el potencial)

\frac{d}{ds}\frac{1}{2}\left(\frac{dx}{dt}+s\frac{dv}{dt}\right)^2\bigg{|}_{s=0}=\frac{dx}{dt}\frac{dv}{dt}, (para la energía cinética).

Sustituyendo obtenemos \int_0^t \frac{dx}{dt}\frac{dv}{dt} dt-\int_0^t U'(x)vdt, y si integramos por partes en la primera integral nos queda

\int_0^t (-\frac{d^2x}{dt^2}-U'(x))vdt.

Esta integral debe ser 0 para que nuestra x sea un punto crítico del funcional, y además debe serlo para toda perturbación v.

Estas consideraciones nos imponen una relación entre las derivadas \frac{d^2x}{dt^2} y U'(x),

\frac{d^2x}{dt^2}+U'(x)=0

que es, nada más y nada menos, la segunda ley de Newton.

Este enfoque va desde el funcional, que se obtiene con consideraciones físicas, a la ecuación diferencial. O de otra manera, se usa una ecuación diferencial para solucionar un problema de minimizar un funcional.

Sin embargo también existe el método inverso. Supongamos que tenemos una ecuación diferencial (generalmente en derivadas parciales) como puede ser

\Delta u= f(u)

con f una función no lineal, por ejemplo un polinomio. Así, el llamado Método Directo del Cálculo de Variaciones consiste en definir un funcional tal que sus puntos críticos vengan dados por la ecuación que era nuestro problema original.

Demostrar la existencia de solución para la ecuación original es lo mismo que conseguir un punto crítico de nuestro funcional. Si además probamos que es único entonces la ecuación tendrá una única solución. Así con este enfoque vamos desde la ecuación al funcional.

Y como seguir abundando en este tema puede ser muy técnico lo dejaremos aquí por el momento.

Las olas: Un matemático en la playa.

Ya va haciendo calor y empieza a apetecer el irse a la piscina o a la playa. Sin duda la playa es uno de los sitios menos entendidos por el mundo científico y más visitados por el resto del mundo. El fenómeno al que me refiero cuando digo que no se comprende completamente, claro está, son las olas. En esta entrada estudiaremos diversos casos de olas entre fluidos ilustrando el texto con diversos videos.

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Vamos a empezar hablando de un caso un poco más general que las típicas olas en la superficie del mar. En matemáticas entendemos por interfase entre fluidos a la parte donde estos entran en contacto entre sí. Así una ola es la interfase entre el aire y el agua. Una interfase entre fluidos con distintas propiedades puede exhibir un comportamiento muy complicado, patológico si se quiere, pero que es, pienso yo al menos, visualmente muy bonito. Estoy pensando por ejemplo en singularidades como pueden ser las llamadas singularidades de Kelvin-Helmholtz o Rayleigh-Taylor. Hagamos una parada antes de proseguir con nuestras olas.

Supongamos por un momento que tenemos dos fluidos con densidades distintas, por fijar ideas digamos aceite y agua, de manera que el fluido más denso (el agua) está en el fondo de un recipiente cerrado completamente (un tubo con ambos extremos taponados). El fluido menos denso (el aceite) reposa encima del agua. Supongamos ahora que dicho tubo, y por tanto los fluidos, está en reposo, por ejemplo en una mesa. La pregunta es ¿qué ocurre si, repentinamente, inclinamos dicho recipiente? Veamos unos vídeos con este experimento:

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Lo que vemos en el video es que la interfase “se enrolla” sobre sí misma. Esto es debido a que las velocidades (que son un vector en 3D) tangentes a la interfase tienen signo distinto. Es decir, si lo pensamos en una interfase en 2D (una curva) sería que la velocidad en el fluido que está encima de la interfase “señala hacia la izquierda” mientras que para el fluido que está debajo de la interfase “señala a la derecha”. De ahí esa tendencia a girar y enrollarse.

Supongamos ahora que cambiamos el orden de los fluidos. Ahora tenemos (por ejemplo porque tenemos una barrera entre ambos fluidos) el agua reposando sobre el aceite. ¿Qué ocurre si retiramos rápidamente la barrera entre ambos fluidos? Bueno, pues que el fluido más denso, por la gravedad, caerá hacía abajo, empujando en su camino al fluido menos denso, que subirá hacía arriba. Vale, el caso es que lo que va a ocurrir es sencillo de vaticinar, lo curioso aquí es la manera en que ocurre. Vayamos otro rato a youtube…

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Tras ver estos experimentos y haber pensado un poquito nos damos cuenta de que el que quiera entender bien estos procesos tiene mucho trabajo por delante. Y ahí estamos bregando algunos…

Volvamos a las olas. Hace tan sólo unos días uno de mis jefes (Diego Córdoba) y algunos de mis compañeros (Ángel Castro, Francisco Gancedo y Javier Gómez) y otros colaboradores (el medallista Field Charles Fefferman) hicieron un importante avance. Probaron la existencia de otro tipo de singularidad para el caso de las olas. Bautizaron a esta singularidad como “splash”. Arremanguémonos y veamos un poco las matemáticas que hay debajo de todo esto…

Consideremos una curva en el plano. Esta será nuestra ola inicial. La evolucion de esta ola viene dada por la evolución del fluido bajo ella. Se trata así de un problema de frontera libre, es decir, donde el propio dominio es una incógnita. Así tenemos que, bajo la ola, se verifican las ecuaciones de Euler incompresibles y que además el fluido es irrotacional. Sobre la curva suponemos que tenemos el vacío (esto es un buen modelo porque el agua tiene una densidad mucho mayor a la del aire). Lo que se sabía antes de los trabajos de Diego y compañía eran la existencia local de solución, es decir, que una ola “suave” sigue siendo una ola “suave” al menos un corto tiempo. Esta existencia local es cierta tanto en el caso donde se supone que la profundidad del mar es infinita como en el caso con un lecho marino predeterminado (son resultados de S. Wu y D. Lannes, respectivamente). También se sabe que si las olas “son muy planitas” la existencia es global, es decir, la ola existe para cualquier tiempo (resultados obtenidos independientemente por S. Wu y P. Germain, N. Masmoudi y J. Shatah).

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Los resultados con bandera española en este tema comienzan con un artículo (de A. Castro, D. Córdoba, C. Fefferman, F. Gancedo y M. López) donde se prueba que una ola que empieza siendo un grafo, es decir, se puede escribir como (x,f(x)), deja en un tiempo finito T de ser un grafo. De otra manera, la ola rompe. Matemáticamente esto es que la derivada espacial de la ola se hace infinita en algún punto. El resultado de hace unos días que he mencionado más arriba abunda más en esta línea. Lo que A. Castro, D. Córdoba, C. Fefferman, F. Gancedo y J. Gómez prueban es que existen olas que empiezan siendo curvas suaves y que en un tiempo finito se tocan. Es decir, se ha perdido la propiedad de ser una curva sin autointersecciones. Así es plausible el escenario de comenzar con un grafo, evolucionar hasta perder la propiedad de ser un grafo, es decir, la ola rompe, y, al continuar pasando el tiempo, la curva se acabe autointersecando. Esto es justamente lo que hemos visto en el primer video de esta entrada. Así que podemos concluir dos cosas: una es que algo tan cotidiando como una ola puede ser matemáticamente un problema muy difícil. La segunda cosa que podemos aprender es que nuestro modelo para la dinámica de fluidos funciona en el sentido de que recupera comportamientos reales observados en la naturaleza.

Antes de acabar quiero agradecer a mi compañero Javier Gómez que nos haya dejado el video de sus simulaciones.

—-Esta es nuestra contribución a la edición 2.5 del Carnaval de Matemáticas (http://carnavaldematematicas.bligoo.es/), que está siendo albergado por el blog Juegos Topológicos (http://topologia.wordpress.com/d).