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Resolviendo la ecuación de ondas…

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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 →

Cuántica e incertidumbre (Parte I)

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Hoy vamos a hablar, procurando no ser muy rigurosos (aparecen algunas fórmulas pero se pueden saltar), de por qué la mecánica cuántica es necesaria y del principio de incertidumbre de Heisenberg. La entrada la hemos escrito de manera conjunta Rafa y yo mismo.
Werner Heisenberg

Werner Heisenberg, uno de los padres de la Mecánica Cuántica

Principios de incertidumbre hay muchos, básicamente no es mas que una desigualdad de cierto tipo, donde un término controla a otro. En el caso concreto que nos atañe afirma que es imposible conocer con precisión la posición y la velocidad de una partícula cuántica (para fijar ideas un electrón). Los físicos (experimentales al menos) razonan diciendo que eso es porque para detectar un electrón hay que golpearlo con un fotón y entonces cambias su velocidad.
Esto nos deja con la duda: ¿habrá algún método que permita conocer las dos cosas?
La respuesta es que no. Y el motivo, enraizado en las matemáticas, tiene que ver con la transformada de Fourier. El ‘teorema’ aquí es que si tienes una función “grande” su transformada de Fourier es “pequeña” y viceversa (se puede intuir usando la desigualdad de Haussdorf-Young por ejemplo.). ¿Cómo afecta esto a nuestro electrón?. Los impacientes estarán pensando que se me está yendo la olla.
Pero comencemos aclarando por qué todas estas cosas tan raras de la cuántica son necesarias: supongamos que tenemos un átomo de hidrógeno (un electrón y un protón), y que tanto nuestro electrón como el núcleo del átomo se comportan como partículas clásicas. Entonces, al tener el núcleo carga eléctrica positiva y nuestro electrón carga eléctrica negativa deberían atraerse por la fuerza coulombiana entre ellos. Cuando un cuerpo con carga se acelera emite radiación electromagnética (véase la fórmula de Larmor [aquí inglés]) perdiendo así energía.
Trayectoria en espacio fásico

En una dimensión, la posición del electrón, x, oscilaría y caería hacia el origen de coordenadas. Su velocidad, p, también oscilaría y lo llevaría hacia el centro, radiando energía en el proceso.

Según este modelo el electrón se vería atraído irremisiblemente hacia el núcleo y acabaría chocando con éste. Pero esto implicaría ¡que no habría electrones!. En jerga científica diríamos que la materia no sería estable. Puesto que nosotros somos materia y estamos aquí las hipótesis de nuestro modelo no pueden ser correctas.
En otra entrada explicaremos la descripción de los estados en mecánica clásica y cuántica, pero permitidnos ahora que hagamos algunos supuestos. En la mecánica clásica la evolución de un sistema se describe como la trayectoria de un punto en el estado de fases. Sin embargo, en la mecánica cuántica esto no es posible, dado que el estado de un sistema solo puede venir dado como una “probabilidad”, de modo que no existe trayectoria de un solo punto que se adecue a la evolución temporal de un estado. Aquí, pues, la incógnita será una función (con argumentos en el espacio-tiempo y con valores en los complejos) \Psi (x,y,z,t) cuyo módulo al cuadrado (que es un número real) nos dará la densidad de probabilidad de que un sistema se encuentre en un cierto estado.
Esta función, que llamaremos “función de onda”,  evoluciona de acuerdo con la ecuación de Schrödinger. Esta es una ecuación en derivadas parciales (EDP) “cualitativamente” hiperbólica (ver la entrada anterior ). Para mayor simplicidad vamos a suponer aquí que no depende del tiempo, con lo que ahora nuestra ecuación de Schrödinger es elíptica y se puede escribir como la función que minimiza un funcional de acción (ya hablamos antes de este concepto)  J(\Psi)= \int |\nabla \Psi(x)|^2 dx +\int V(s)|\Psi(x)|^2 dx
Si utilizamos, como representación de la función de onda,  la base de POSICIONES, la densidad de probabilidad asociada a nuestra función de onda, \int_A |\Psi(x)|^2dx,  nos dará la probabilidad de que el sistema (en este caso, nuestro electrón) esté en una zona A del espacio.
Si nos interesa el MOMENTO (i.e. la velocidad), su función de onda es la transformada de Fourier de la función de onda de posiciones, \hat{\Psi}(p),  y esta es la madre del cordero.
En la mecánica clásica la posición y el momento eran independientes. Por eso, podríamos realizar medidas sobre una y otra cantidad sin afectar a la otra.
Ahora, no obstante, tenemos una ligadura: hay una relación que conecta la posición y el momento, y ha de cumplirse. Podemos, pues, escribir nuestro funcional en términos de las dos funciones de onda J(\Psi,\hat{\Psi})= \int |\hat{ \Psi}(p)|^2|p^2| dp +\int V(s)|\Psi(x)|^2 dx.
La formulación del principio de incertidumbre de Heisenberg es, pues, \int x^2|\Psi(x)|^2 dx \int p^2|\hat{\Psi}(p)|^2 dp=\int |\nabla_x \Psi(x)|^2 dx \int |\nabla_p \hat{\Psi}(p)|^2 dp\geq C donde C es cierta constante que podemos escribir explícitamente pero que hacerlo nos da una pereza superlativa por lo que lo dejamos ‘para el lector interesado’ ;). La constante es una ensalada de constante de Planck \hbar, \pi, algún dos… Puede escribirse también involucrando sólo una función de onda de la misma manera que se hace con el funcional.
Hemos dicho que \Psi(x,t) nos da una probabilidad, con función de densidad |\Psi(x,t)|^2dx. Así observamos que en realidad el término \int x^2|\Psi(x)|^2 dx es la varianza de nuestra variable aleatoria |\Psi(x,t)|^2 (que asumimos tiene media x=0, es decir, que nuestro electrón está más o menos rondando el origen de coordenadas espaciales).
Entonces si entendemos esas ‘normas’ de los gradientes como los “errores” (utilizaremos esta palabra aquí a modo explicativo, pero hay que ser cautos con la terminología), veremos que un error pequeño en alguna de nuestras mediciones, para fijar ideas, la posición, implica que el error del momento (es decir, de la velocidad) tiene que ser alto para que el producto sea mayor que una constante. Es más: cuanto mejor midamos una (menor error) mayor es el error de la otra. ¡Qué vida más dura la nuestra!
No he hablado nada claro en este último párrafo, y los exigentes se habrán quedado pensando que me explico muy mal (quizá tengan razón). Hemos calculado un par de ejemplos ilustrativos usando python. Hemos supuesto que es unidimensional y que nuestras funciones de onda toman valores en los reales y no en los complejos. No lo hacen, pero sed generosos con nosotros que esto es sólo una afición.
Supongamos que nuestra onda es como la de esta figura
Función de onda con momento definido: seno

Si la funcion de onda es como un seno, la longitud de onda (o el momento) está bien definida.

Entonces por la fórmula de De Broglie, que conecta la visión de partículas con la de ondas, tenemos una velocidad definida (con poco o ningún error), que depende de la longitud de onda (¡otra entrada por hacer!). Esto de nuevo enlaza con nuestra transformada de Fourier, dado que este tipo de transformadas nos llevan desde el espacio de posiciones al espacio de momentos. Sin embargo, no conocemos nada de la posición, pues la probabilidad no se decanta por ninguna zona en particular y salvo puntos donde nunca estarán los electrones por lo demás no podemos decir nada. (Para el lector interesado, decir que esta función de onda no está bien definida en el espacio de posiciones: no es normalizable)
Otro caso interesante es algo así como:
Función de onda de un paquete gaussiano

Un paquete gaussiano es una elección "popular" de función de onda porque tiene incertidumbre mínima

En esta segunda imagen tenemos una función tal que al hacer el cuadrado obtenemos una zona que acapara casi toda la probabilidad, un entorno del origen (como la vida misma, unos pocos acaparan casi toda la proba…, digo, billetes). Es decir, casi sin error podemos saber su posición; sin embargo, no podemos usar la fórmula de De Broglie para calcular su velocidad, pues ¿quién me dice su longitud de onda?…
Para ir concluyendo ¿cómo enlaza esto con los gradientes (es decir, las derivadas)?, observamos que una función como la de la figura 1 tiene un gradiente ‘pequeño’, mientras que una función cómo la de la figura 2 tiene un gradiente ‘grande’. Sólo hay que ver que ese pico tiene una derivada bien grande. Así tenemos que entender que los gradientes me dan una idea del error, pero cambiando la variable. Es decir, una gradiente alto en las x me dice un error grande en las p y un error pequeño en las x. Aunque no hemos hablado de ello, esto tiene que ver con la estructura geométrica de las ecuaciones del movimiento Hamiltonianas (ya llegará, ya llegará…).
Es sorprendente (pero usual) cómo la física a veces acaba teniendo que ver con ideas abstractas de las matemáticas (al revés también ocurre).
Hay más que contar, pero se está insinuando una entrada muy larga, así que en la segunda parte de esta entrada escribiremos más acerca de los desarrollos matemáticos de la Transformada de Fourier y de si se puede obtener alguna propiedad física desde las matemáticas.
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Esta entrada es participante en la XVIII Edición del Carnaval de la Física, alojado por “La Aventura , en la mecánica cuántica esto no es posible, de la Ciencia“.

¿Podemos ir hacia atrás (matemáticamente) en el tiempo?

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Me comentó David que sería interesante que explicase un poquito de lo que significa la reversibilidad temporal desde el punto de vista de las ecuaciones en derivadas parciales (EDPs de ahora en adelante). Es decir, sin mencionar nada de entropías. Este es un tema muy interesante e importante aunque a primera vista parezca una tontería. Lo hemos puesto como una serie de dos entradas. La primera (esta que estás leyendo) presentará las EDPs más fáciles y estudiará sus propiedades de cara a la reversibilidad temporal. En la segunda veremos la derivación de unos modelos más complicados y trataremos de entender dónde aparece la irreversibilidad temporal. Lo cierto es que en cierto modo es llamativo, pues las leyes de Newton son reversibles en tiempo y muchas (casi todas) de las ecuaciones de las que hablaremos surgen de ellas.

Viendo qué ocurre:
Para entender qué quiere decir y qué implica la reversibilidad (o irreversibilidad) temporal hemos de comprender primero los ejemplos más básicos de EDPs. Como dato para los técnicos supondré que todos los problemas están puestos para (t,x)\in [0,T]\times\mathbb{R}. Inmerso en el texto hay imágenes .jpg, imágenes animadas .gif (pinchad en ellas para que empiecen a moverse) y código Matlab (¡usadlo si podéis!).

La ecuación del transporte:

Comenzaremos con la ecuación del transporte unidimensional con coeficientes constantes. Esta es la EDP más sencilla que podemos poner.

\partial_t u + c \partial_x u=0, u(0,x)=f(x).

Supondremos que f es una función derivable con derivada continua una vez. La solución de esta ecuación es u(t,x)=f(x-ct) (¡comprobadlo!). Esta ecuación se llama ‘del transporte’ porque lo que hace es eso ‘mueve’ nuestra distribución inicial f. Si queremos cambiar el sentido del tiempo hemos de hacer el cambio t por -t. Entonces la nueva ecuación es

-\partial_t u + c \partial_x u=0, u(0,x)=f(x).

Observamos que el cambiar el tiempo de sentido es equivalente a cambiar el signo de c. Si utilizamos el código que propongo con varios valores de c observamos que este parámetro es una velocidad. Por lo tanto, parece natural que cambiar el sentido del tiempo cambie el sentido del movimiento. Es decir, que si para c>0 íbamos a la derecha, para tiempos negativos (o equivalentemente -c) tenemos que ir a la izquierda. Concluímos así que la ecuación del transporte es reversible en tiempo y que la reversibilidad es muy natural si partimos del proceso físico que se modela con esta ecuación.


Otra consecuencia, ésta mucho más sutil, de la reversibilidad temporal es que nuestra solución NUNCA va a ser mejor que nuestro dato inicial f. Esto es obvio en este caso porque tenemos una solución explícita, pero es cierto en general. Si u tuviese más derivadas que f entonces dando la vuelta al tiempo tendríamos una contradicción.

function [u,x,t]=transporte(dx,dt,f,c)
%%
%Funcion que me aproxima la solucion exacta (conocida) de la
%ecuacion del transporte u_t+cu_x=0 con dato inicial
% u(0,x)=f(x), paso espacial dx y paso temporal dt.
%f sera una funcion
% Rafael Granero Belinchon
%%

%Definicion de parametros:
T=10; %El tiempo final
t=0:dt:T; %el vector de tiempos
x=-pi:dx:pi; %el vector de espacio donde queremos
%nuestra aproximacion. No necesitamos condiciones de borde ¿por que?
u=zeros(length(x),length(t));
F=feval(f,x);

%Calculo de la solucion:
%La solucion del problema anterior es u(x,t)=f(x-ct)
u(:,1)=F;
for j=2:length(t)
u(:,j)=feval(f,x-c*t(j));
plot(x,u(:,j-1));%Representacion de los resultados
drawnow
end

function f=prueba(x)
f=sin(x);


La ecuación de ondas:

La siguiente ecuación es el paradigma de ecuación hiperbólica. Me refiero a la ecuación de ondas. Viendo el nombre está claro qué proceso físico quiere describir ¿no?.

Esta ecuación se escribe

\partial_t ^2 u= c^2\partial_x^2 u, u(0,x)=f(x), \partial _t(0,x)=g(x).

Visualmente parece mucho más complicada que la ecuación del transporte… sin embargo en realidad es igual (al menos en un cierto sentido). Vamos a escribirla como un sistema. Para ello definimos el sistema

\partial_t u=c\partial_x v, \partial_t v=c\partial_x u.

Si ahora derivamos en tiempo la ecuación para \partial_t u y utilizamos la segunda ecuación obtenemos

\partial_t^2 u=c\partial_x \partial_tv=c^2\partial_x ^2 u.

Es decir, que la ecuación de ondas no es más que dos transportes acoplados. Sin embargo todavía podemos hacerlo mejor. Podemos darnos cuenta de que el operador diferencial se puede escribir como

\partial_t^2-c^2\partial_x^2=(\partial_t + c\partial_x)(\partial_t-c\partial x),

y por lo tanto si tenemos u=u_1+u_2 con

\partial_t u_1 + c\partial_x u_1=0; \partial_t u_2 - c\partial_x u_2=0

tenemos una solución de la ecuación original. Concluímos que, como la ecuación del transporte era reversible, la ecuación de ondas, que se puede escribir como un par de ecuaciones del transporte debe ser reversible también.

La ecuación del calor:

Esta ecuación es parabólica. Se escribe

\partial_t u= \partial_x^2 u, u(0,x)=f(x).

Visualmente parece estar a medio camino entre la ecuación del transporte y la ecuación de ondas, sin embargo su comportamiento en radicalmente distinto. Para convencernos de ello podemos ‘jugar’ un poco con el código Matlab que adjunto. Los datos iniciales por defecto son los mismos, pero os animo a cambiarlos.

function [u,x,t,mx]=heatff(N,dt,K)
%%
%Funcion que me aproxima la solucion de la
%ecuacion del calor con dato inicial seno
%con condiciones periodicas (para usar FFT)
%N es el numero de nodos espaciales que se quieren
%usar. dt es el paso temporal que se quiere.
%K es la constante de difusion.
%Devuelve el espacio, el tiempo, la aproximacion de
%la solucion y el maximo de dicha solucion en cada tiempo
%Rafael Granero Belinchon
%%
T=5;%Tiempo final
dx=2*pi/(N-1);
x=-pi:dx:pi;%Espacio
t=0:dt:T;%Tiempo
uo=sin(x);%dato inicial
for k=1:N/2 %Operador laplaciano en espacio de fourier
L(k)=(k-1)*(k-1);
L(k+N/2)=(N/2-k+1)*(N/2-k+1);
end
L=K*L;
u(:,1)=uo’;
mx(1)=max(uo);
for l=1:length(t)
u(:,l+1)=ifft(exp(-L*dt*l).*fft(uo))’;%solucion
mx(l+1)=max(u(:,l+1));%Evolucion del maximo
plot(x,u(:,l));axis([-pi,pi,-1,1]);%Representacion de los resultados
drawnow
end
end

Para estudiar esta ecuación vamos a utilizar la transformada de Fourier. Para la transformada de Fourier de u(x) usaremos la notación \hat{u}(k). Así si transformamos la ecuación en espacio obtenemos las ecuaciones diferenciales ordinarias (EDOs a partir de ahora) indexadas en la longitud de onda k siguientes

\frac{d}{dt}\hat{u}(t,k)=-k^2\hat{u}(t,k), \hat{u}(0,k)=\hat{f}(k).

Esta ecuación la podemos resolver explícitamente

\hat{u}(t,k)=e^{-k^2t}\hat{f}(k).

Observemos ahora qué quiere decir el cambio del sentido del tiempo. De nuevo hagamos el cambio t por -t. La ecuación nos queda

\partial_t u= -\partial_x^2 u, u(0,x)=f(x).

No se ve nada claro, sin embargo, si buscamos los efectos del cambio en la solución explícita tenemos

\hat{u}(t,k)=e^{k^2t}\hat{f}(k),

de manera que cuando invirtamos la transformada de Fourier estamos calculando una convolución con una función que no está acotada, ni tiene ninguna potencia integrable… Vamos, que nuestra solución (que existe explícitamente) no está en ningún espacio razonable ni con propiedades físicas razonables. Por ejemplo, si u es la temperatura, entonces su integral (que es el calor) debe ser finita. Pues si damos la vuelta al tiempo obtenemos calor infinito para cualquier tiempo. Concluímos que la ecuación del calor NO es reversible en tiempo.

Una propiedad que a veces se da en las ecuaciones irreversibles y que es bien interesante es el ‘efecto regularizante’. Es decir, tu dato inicial f es continuo (por ejemplo), pero tu solución u es infinitamente derivable para todo tiempo (positivo). Como ya hemos mencionado antes, este comportamiento difiere del de las ecuaciones hiperbólicas usuales. La prueba de esto se puede hacer sin más que multiplicar por u e integrar por partes en espacio (¡comprobadlo!). Después basta observar que la ecuación es invariante por derivación tanto en tiempo como en espacio (¡Concluid el argumento!).

Vistos estos 3 ejemplos parece que hay una relación entre la ‘simetría’ del problema y su reversibilidad temporal. Quiero decir que, al menos de momento, las ecuaciones que tienen el mismo número de derivadas temporales que espaciales han resultado ser reversibles, mientras que las que no las tienen son irreversibles.

Otra cosa que se nos puede ocurrir es que las ecuaciones reversibles sean las que ‘no tiendan a nada’. Así vemos que la ecuación del calor tiende a ser idénticamente cero (necesita tiempo infinto para llegar a serlo) mientras que la ecuación del transporte sólo se movía por el espacio.

Veamos otro ejemplo:

La ecuación de Schrödinger:

Esta ecuación, clave en mecánica cuántica, se escribe

\partial _t u= i\partial_x^2 u, u(0,x)=f(x).

Si repetimos el análisis que hicimos para la ecuación del calor obtenemos que la solución es

\hat{u}(t,k)=e^{-ik^2t}\hat{f}(k),

que tiene un comportamiento oscilatorio. Por lo tanto, pese a tener una derivada en tiempo y dos en espacio se parece más a una ecuación de ondas que a una ecuación del calor. Observamos que el hecho de que aparezca la unidad imaginaria hace que u no sea real, sino compleja. Por lo tanto tiene una función conjugada. Si ahora cambiamos el sentido del tiempo observamos que para la función conjugada \bar{u} la ecuación es la misma. Por lo tanto si u es nuestra solución con el tiempo hacia delante, \bar{u} es una solución con el tiempo hacia atrás. Por lo tanto la ecuación de Schrödinger es reversible. Este ejemplo desmonta la hipótesis de que als reversibles debían tener el mismo número de derivadas en espacio y en tiempo.

function [u,x,t,L2,mx]=schrodinger(N,dt)
%%
%Funcion que me aproxima la solucion de la
%ecuacion de schrodinger con dato inicial seno
%con condiciones periodicas (para usar FFT)
%N es el numero de nodos espaciales que se quieren
%usar. dt es el paso temporal que se quiere.
%Devuelve el espacio, el tiempo, la aproximacion de
%la solucion, la norma L^2 de dicha solucion en cada tiempo
%y el maximo de la solucion en todo tiempo.
%Rafael Granero Belinchon
%%
T=5;%Tiempo final
dx=2*pi/(N-1);
x=-pi:dx:pi;%Espacio
t=0:dt:T;%Tiempo
uo=sin(x);%dato inicial
for k=1:N/2 %Operador laplaciano en espacio de fourier
L(k)=(k-1)*(k-1);
L(k+N/2)=(N/2-k+1)*(N/2-k+1);
end
L=i*L;
u(:,1)=uo’;
L2(1)=norm(uo)*dx;
mx(1)=max(abs (uo));
for l=1:length(t)
u(:,l+1)=ifft(exp(-L*dt*l).*fft(uo))’;%solucion
L2(l+1)=norm(u(:,l+1))*dx;%Evolucion de la norma L^2
mx(l+1)=max(abs(u(:,l+1)));%Evolución del máximo
plot(x,real(u(:,l)));axis([-pi,pi,-1,1]);%Representacion de los resultados
drawnow
end
end

Como dato anécdotico de esta ecuación hacemos notar que no puede reflejar efectos relativistas (¿por qué?).

En la próxima entrada, enlazando con esta, trataré la derivación desde la mecánica hamiltoniana de los modelos que se utilizan en mecánica de fluidos y trataré de explicar dónde aparece la irreversibilidad en el proceso. Sin embargo, esto es algo que no está ‘completamente entendido’ todavía.