2022/10/01

¿ Existe un futuro?

Si nuestro futuro depende de un simple aleteo de una mariposa, ¿podemos

asegurar que tenemos un futuro?


Existen sistemas lineales y sistemas no lineales. Los lineales pueden ser representados

por una simple línea, por una recta. Son los sistemas más sencillos de predecir, vemos su

progresión con el tiempo y podemos saber cómo se van desarrollando. Los sistemas no

lineales, en general, son difíciles de predecir y algunos de ellos son muy sensibles a las

condiciones iniciales. Esto quiere decir que “un simple aleteo de una mariposa” puede

desencadenar una serie de realimentaciones capaces de hacer, prácticamente, imposible

la predicción de su desarrollo. El sistema asociado al tiempo atmosférico, el clima, es de

ese tipo, por ello es tan difícil su predicción a largo plazo. Observando un sistema así en

un superordenador podemos apreciar como cambiando un mínimo detalle, en las

condiciones iniciales, desemboca en resultados completamente divergentes.


Atractor de Lorentz

El primero de éstos sistemas fue descubierto, por casualidad, por el meteorólogo Edward

Lorenz cuando trataba de encontrar un modelo matemático que permitiera predecir el

comportamiento de grandes masas de aire. Consiguió ajustar el modelo a sólo tres

variables que indican cómo cambian la velocidad y la temperatura del aire a lo largo del

tiempo (atractor de Lorenz). Después de haber estudiado el modelo, volvió a introducir los

datos iniciales -esta vez con menos decimales- y el resultado que obtuvo fue

completamente diferente del anterior. Cuando reflexionó sobre los resultados se dio

cuenta que el sistema era extremadamente sensible a las condiciones iniciales: pequeñas

perturbaciones en los datos de partida tienen una gran influencia sobre el resultado final.

Sus ecuaciones captaban la esencia de la verdadera atmósfera. “Aquel primer día

(invierno de 1961) decidió que los pronósticos amplios estaban condenados a la

extinción”. Pero vio más que azar en su modelo del tiempo: una fina estructura

geométrica, orden disfrazado de casualidad.


Para explicar de una manera gráfica – y exagerada - la cuestión se le ocurrió que el

simple aleteo de una mariposa, que no se hubiera tenido en cuenta en los datos iniciales,

podía modificar una predicción hasta hacerla totalmente inviable después de un

determinado tiempo. Para estudiar estos sistemas se requiere de una metodología

diferente. Su estudio se realiza en el llamado espacio de fases, un espacio abstracto en el

que se representan todas las variables dinámicas del sistema. Por ejemplo, un péndulo

simple ideal se vería representado por dos variables, la velocidad y la posición de la masa

suspendida. Su representación podría hacerse en el plano y sería una circunferencia.

Cada punto de la misma representaría dos cantidades, la velocidad y la posición, en ese

momento.


Cuando descubrí estos sistemas no pude dejar de pensar en la propia Historia de la

Humanidad, en la cantidad de pequeños detalles que la han cambiado a lo largo de los

tiempos, y en lo incapaces que somos de gobernarla. Y cada vez somos más, y una

sociedad más y más compleja. ¿Tenemos alguna forma de actuar sobre nuestra sociedad

para conseguir que sea un sistema más estable, más lineal -dentro de lo posible- y

predecible?


Nuestra sociedad a nivel nacional e internacional está formada por individuos, por grupos

de todo tipo y de todos los tamaños, de mayor o de menor poder, relacionándose entre sí.

Es esencial que esas relaciones sean lo más fluidas y respetuosas si queremos una

sociedad lo más estable e inmune al aleteo de la mariposa. Y, simplificando la cuestión,

sólo conocemos una forma, fomentar la justicia y la igualdad, la educación, y el respeto a

la dignidad que merece cualquier persona y grupo… Esa es la única y difícil forma que

tenemos para desligar nuestro futuro del azaroso aleteo. La complejidad de nuestras

sociedades necesita alejar cualquier pequeña turbulencia capaz de alterar situaciones

críticas o peligrosas. Así de difícil lo tenemos: el futuro será justo, igualitario y respetuoso

con nuestra dignidad o, simplemente, no será.


Se pueden intentar atajos, los poderosos los intentan, pero en sistemas tan complejos

como el que representa nuestra propia Historia ocurre como con el tiempo atmosférico:

podemos hacer previsiones a corto plazo y es posible que no nos equivoquemos, pero a

medio o largo plazo no acertaremos. Por eso la infinidad de confabulaciones de las que se

habla, reales o imaginarias, simplemente son inútiles: la complejidad del sistema que

representa nuestra Historia es tal que cualquier cálculo egoísta, lejos de conseguir lo que

se propone puede resultar tan perjudicial o más para el propio confabulador. La

complejidad es el problema, pero esa complejidad nos indica sin lugar a dudas cual es la

solución.


Nota final.- En realidad la situación es todavía más complicada: el que he llamado

sistema de la Historia es un conjunto de sistemas que engloba las interacciones humanas

con el sistema del clima terrestre, con los demás animales (enfermedades, plagas) y con

el propio sistema geológico terrestre (volcanes, terremotos), entre otros. Lo apuntado,

sobre la justicia e igualdad, tendría que derivar en una verdadera conciencia global, con

un sistema político que la complemente y que, finalmente, consiga simplificar las

relaciones entre sus partes y hacerlo más estable.

 

Post de mi colaboración con la revista de la Asociación del Vedat (Torrent) Valencia.

En memoria de mi madre, Rosa fargueta Roig, que hoy habría cumplido 90 años.

2022/05/03

Turbulencia y estabilización geométrica en fractales


En la turbulencia los remolinos,  visualmente perceptibles en todas las escalas, ofrecen una evidencia de que la geometría fractal subyace en la propia esencia del sistema. Un fenómeno de estabilización geométrica en fractales puede ayudar a tratar la propia estabilización de la turbulencia.

Palabras clave: Turbulencia, geometría fractal, estabilización, dimensión fractal relativa, dimensiones compactadas


In turbulence , swirls on all scales provide evidence that fractal geometry underlies the very essence of the system. A phenomenon of fractal  geometric stabilization can help treat the stabilization of turbulence.

Key-words: Turbulence, fractal geometry, stabilization, fractal dimension relative, compacted dimensions



Según Mandelbrot, en su libro “La geometría fractal de la naturaleza (1997)”, el estudio de la turbulencia es uno de los capítulos más antiguos, duros y frustrantes de la física (Nota 1). En el mismo se decanta a favor de un enfoque más geométrico que analítico y para ello hace uso de los fractales. De hecho la autosemejanza viene sugerida por los remolinos, visualmente perceptibles, en cualquier fenómeno turbulento. La conclusión más importante de Mandelbrot, sobre la correspondencia entre turbulencia y fractales, es que el dominio de disipación, esto es, el conjunto espacial en el que se concentra la disipación turbulenta, admite un modelo fractal. Además indica que diversas medidas, realizadas con otros fines, sugieren que la dimensión en este dominio cae entre 2,5 y 2,6, pero probablemente por debajo de 2,66. Llega, incluso, a sugerir que se defina como turbulento a todo flujo cuyo soporte tenga una dimensión del orden apuntado anteriormente.

Actualmente, en la comunidad científica encontramos multitud de autores que, como Mandelbrot, aceptan la premisa que relaciona turbulencia y geometría fractal, de hecho buscando dicha relación en Google Scholar encontramos del orden de 35 000 artículos científicos.



Veremos una forma de modular la dependencia espacial de un fractal, modificando la geometría del espacio que lo contiene, y analizaremos las posibilidades de estabilización que ello supone.

Dimensión y dependencia espacial de los fractales

 La dimensión fractal depende de dos factores que se suman: la dimensión topológica y un coeficiente dimensional, tanto más grande como irregular sea el fractal. Así, podemos tener trayectorias fractales (Nota 2) de dimensión 3, mientras que su dimensión topológica sólo es 1 (es una línea). Lo interesante es que las líneas fractales tienen una dependencia muy clara y notable con la distancia (Nota 3) y su forma de distribución espacial. De hecho, simplemente sabiendo que la línea fractal tiene dimensión 3 podemos asegurar que para alejarse de un punto arbitrario del espacio n pasos efectivos el fractal debe desplazarse n3 pasos reales. 


Dimensión fractal relativa, suma o resta de dimensiones

Esta dependencia de las líneas fractales con la distancia se puede extender a superficies o a espacios  con dimensión topológica mayor de una forma sencilla, siempre que las propiedades del fractal sean lo más isótropas posibles. Para ello dividimos la dimensión fractal del objeto a estudiar por su dimensión topológica y al resultado lo llamaremos dimensión fractal relativa. En cierta forma convertimos al fractal estudiado en una línea fractal, aunque lógicamente la trasformación no conserva las propiedades direccionales o anisótropas del fractal original. 

Vamos a ver un sencillo cálculo sobre todo esto: Imaginemos un fractal con dimensión topológica δ y con un coeficiente dimensional ε . Su dimensión fractal será: δ + ε . Y su dimensión fractal relativa

Dimensión fractal relativa = (δ + ε)/δ (Expresión A). 

Aclaración previa: Todos los objetos cotidianos que nos rodean tienen 3 dimensiones, pero en muchos de los casos nos encontramos con que una o dos de sus dimensiones son despreciables respecto a las otras. Un hilo muy fino de algodón sólo tiene una dimensión significativa,  a efectos prácticos dos de sus dimensiones están compactadas: esto supone una resta de dos dimensiones. Un folio de papel tiene, en cambio, una sola dimensión compactada y dos dimensiones significativas: supone la resta de una dimensión.  En cierta forma, el coeficiente dimensional ε  “suma” dimensiones a la dimensión topológica y las dimensiones compactadas las “restan”.

Ahora supongamos que “restamos” al número de dimensiones topológicas un valor igual a ε de forma que δ se convierte en δ − ε (nuevo valor de las dimensiones significativas, porque se compactan una cantidad ε de dimensiones ). Entonces, el nuevo valor de la dimensión fractal relativa será (sustituyendo δ por δ−ε): 

Dimensión fractal relativa = δ /(δ−ε) (Expresión B). 


Estabilización del fractal

Hay una diferencia significativa entre la (Expresión A) y la (Expresión B), la primera sólo puede ser positiva pero la segunda puede ser, también, negativa. De hecho nos interesa la posibilidad de que su valor sea (-1). En ese caso: δ /(δ−ε) = -1. Que se cumple para el valor de las nuevas dimensiones significativas δ igual a ε/2

Para comprender el significado de lo que decimos, en el caso de un espacio sin dimensiones reducidas (expresión A), para un valor de δ= 3 y ε= 6, la (Expresión A)  nos dice que el fractal tiene dimensión relativa 3 y depende del cubo de la distancia. Para el caso de un espacio en el que se ha reducido el número de dimensiones topológicas (Expresión B), para los mismos valores la expresión B toma el valor -1 y el fractal depende del inverso de la distancia.

 De un fractal sumamente intrincado pasamos a otro que se diluye en la distancia. Aunque la dimensión del fractal sigue siendo la misma.


Conclusiones

Existe una íntima relación entre la dimensión de un fractal y su dependencia con la distancia. Al modificar la geometría del espacio que lo contiene podemos actuar sobre esa dependencia y sobre la forma en que se nos presenta en el espacio. Es posible conseguir una estabilización geométrica, previo estudio de las características geométricas del fractal y de su entorno: restringiendo los grados de libertad, en función de su coeficiente dimensional ε, debemos conseguir que la (Expresión B) se convierta en negativa. Esta posibilidad, sobre la modulación geométrica de un fractal, se ha encontrado al trabajar sobre  la hipótesis de que la energía cuántica del vacío pueda tener propiedades fractales (ver Nota 4, para una mejor comprensión).


Notas y Bibliografía

(Nota 1) B. Mandelbrot: La geometría fractal de la naturaleza. Tusquets Editores, Barcelona 1997. 

(Nota 2) En sentido estricto no se puede hablar de verdaderas trayectorias, pues no tienen nada que ver con las trayectorias clásicas de los objetos que conocemos. 

(Nota 3) B. Mandelbrot :Los objetos fractales. Tusquets Editores, Barcelona, 1987. Ver los primeros conceptos, sobre el cálculo de la dimensión de líneas fractales clásicas. A partir de ese sencillo cálculo se hace evidente esa dependencia. 

(Nota 4) J.S. Ruiz Fargueta: El sorprendente vacío cuántico. Revista Elementos(Benemérita Universidad Autónoma de Puebla) nº 53 ,2004, pp.52-53.

[Bis] J.S. Ruiz Fargueta: “Estabilización del vacío cuántico y dimensionesenrolladas”. Revista Ciencia Abierta de la Universidad de Chile, Volumen 23 de febrerode 2004

Posteriormente publicado en la revista Aleph Zero, número 74. Universidad de las Américas Puebla.

Publicado en la revista Anglomayor de la Universidad Mayor de Chile, ed. 11, Works.  


2022/03/05

La energía del vacío, el sorprendente vacío cuántico/ The Vacuum Energy Fractal, the Amazing Quantum Vacuum

 “En particular, nuestras leyes de la física surgen de la 

geometría de las dimensiones extra. Comprender esta geometría 

vincula la teoría de cuerdas con algunas de las cuestiones más 

interesantes de las matemáticas modernas y ha arrojado nueva 

luz sobre ellas, como la simetría especular” (Polchinski, 2015).



En este post analizamos la energía del vacío como un

 simple fractal. Con matemáticas elementales y un enfoque

 novedoso, estudiaremos sus propiedades.

 

In this letter we analyze the vacuum energy as a simple fractal.

With elementary mathematics and a novel approach, we will

 study its properties.

 

Palabras clave: energía del vacío, dimensiones compactas, 

dimensión fractal relativa, transición de dimensiones, 

generalización cuántica hipotética

Keywords: Vacuum energy, compact dimensions, relative fractal 

dimension, transition of dimensions, hypothetical quantum generalization


1 Introducción

La existencia del cuanto de acción de Planck convierte el 

universo clásico y determinista de Newton en un universo

 cuántico, con el principio de incertidumbre de Heisenberg. 

El vacío se llena con una energía de punto cero (ZPE) 

con un valor mayor cuanto menor sea la distancia considerada. 

La longitud mínima considerada, denominada longitud de 

Planck (lp), está asociada a una energía máxima denominada 

energía de Planck (Ep). Para una distancia n (lp) la energía 

asociada es (Ep)/n, donde “n” es un número natural. 

Esta propiedad, conservada a todas las escalas conocidas, 

nos ayudará a analizar este fractal.


2 Dimensión fractal, estudio del movimiento browniano y el

 copo de nieve de Koch

La dimensión fractal se compone de dos sumandos, la 

dimensión topológica y un coeficiente dimensional 

(topol_dim + dimens_coef.). Cuanto más irregular es el fractal, 

mayor es el coeficiente dimensional. Para nuestro estudio 

es interesante analizar fractales simples como la trayectoria 

fractal del movimiento browniano, de dimensión topológica 1.


Movimiento browniano (britannica.com, 23 de diciembre 

de 2021), también llamado movimiento browniano, 

cualquiera de varios fenómenos físicos en los que alguna 

cantidad experimenta constantemente pequeñas fluctuaciones 

aleatorias. Debe su nombre al botánico escocés Robert Brown, 

el primero en estudiar tales fluctuaciones (1827). 

  

Para que una partícula, que se mueve con un movimiento 

browniano, se aleje N pasos efectivos, debe dar N2 pasos 

en total. Los N pasos efectivos se consideran en línea recta, 

en una dimensión. Los pasos N2 ocurren en un espacio 

de dos o más dimensiones. La relación log (N2) / log (N) = 2 

nos da el valor de su dimensión fractal (propiedad básica 

de las líneas fractales) [1]. La dimensión topológica 

es 1 y el coeficiente dimensional también es 1. El valor 2 de la 

dimensión fractal indica que un movimiento lineal, de dimensión 

topológica 1, puede llenar un plano, de dimensión topológica 2.

 

En movimiento browniano, y en general, valor fractal =

N2 = distanciadimensión_fractal.

Forma, Polígono

Descripción generada automáticamente


Esto también se puede observar en la curva de Koch, 

en la figura 1. En la primera iteración, el lado que 

mide 3 segmentos se convierte en 4 segmentos. La dimensión 

fractal es log 4 / log 3 = 1,26186. En una dimensión 3 segmentos, 

se convierten en 4 segmentos en dos dimensiones (el plano): 

4= 31,26186, 4=3dimension_fractal (Mandelbrot, 1987).



En el siguiente link: 

https://drive.google.com/file/d/13r8DJEHhA2z3c3vHuO6QSjPPqzUwcvX6/view?usp=sharing

The Vacuum Energy Fractal, the Amazing  Quantum Vacuum

 

“En particular, nuestras leyes de la física surgen de la 

geometría de las dimensiones extra. Comprender esta geometría 

vincula la teoría de cuerdas con algunas de las cuestiones más 

interesantes de las matemáticas modernas y ha arrojado nueva 

luz sobre ellas, como la simetría especular” (Polchinski, 2015).


“In particular, our laws of physics arise from the geometry 

of the extra dimensions. Understanding this geometry ties string 

theory to some of the most interesting questions in modern 

mathematics, and has shed new light on them, such as 

mirror symmetry” (Polchinski, 2015).