El ruido que trabaja a nuestro favor ✛ ✎

Original: "Noise and Function"
arXiv:1608.04824 · 2016-08-17 · arXiv non-exclusive · análisis propio · 3 min
Las fluctuaciones aleatorias no solo estorban, también ayudan a los sistemas a cruzar umbrales: desde la digitalización de imágenes hasta el clima y el comportamiento de las hormigas.

Un viejo instrumento de aviación a veces se queda atascado: la aguja se engancha en la escala y no se mueve, aunque el avión ya esté cambiando de altitud. Los ingenieros encontraron una solución simple: añadir una ligera vibración. El temblor no estorba, sino que ayuda a la aguja a despegarse y a mostrar la verdad. El mismo truco funciona no solo en la cabina del piloto, sino también en la computadora, en el clima de la Tierra e incluso en un hormiguero.

Cuando se digitaliza una fotografía, el brillo de cada píxel se redondea al nivel más cercano. Si hay pocos niveles, la imagen se vuelve tosca y los detalles pequeños desaparecen. Pero si antes del redondeo se añaden unas pequeñas fluctuaciones aleatorias, parte de los píxeles saltará el umbral hacia arriba y parte hacia abajo. En promedio, el ojo verá los mismos tonos que en el original. Aparece granulosidad, pero los detalles se conservan. Esta técnica se llama tramado (dithering) y suena como un ruido que salva la imagen.

Aquí el ruido actúa como un trampolín: una señal débil no puede saltar el umbral por sí sola, pero un empujón aleatorio la impulsa en el momento justo.

El clima de la Tierra también tiene umbrales. Hay épocas frías con enormes glaciares y épocas cálidas como la actual. La transición entre ellas puede imaginarse como una canica en un hoyo: para rodar hacia el hoyo vecino necesita un empujón. La órbita de la Tierra cambia ligeramente con el tiempo, pero esos cambios no bastan para mover el clima. Sin embargo, si se añaden fluctuaciones aleatorias del tiempo atmosférico, a veces coinciden con el empujón orbital y lanzan el sistema por encima del umbral. Así, el ruido explica por qué los períodos glaciales se suceden aproximadamente cada cien mil años.

Las hormigas de la especie Pheidole megacephala buscan alimento dejando un rastro químico. Cuando la comida se acaba, las exploradoras encuentran una nueva y marcan el camino hacia ella. Pero no todas las hormigas siguen las indicaciones a la perfección: algunas se desvían. Los científicos construyeron un modelo en el que hormigas con un nivel de error cero se quedaban atrapadas en el rastro antiguo, incluso cuando aparecía comida nueva cerca. En cambio, las colonias donde ocurrían errores lograban cambiar. El error de una hormiga individual parece ruido, pero para toda la colonia es una manera de no quedarse estancada para siempre.

En las células vivas también hay ruido: los genes se activan y desactivan no con un horario estricto, sino con fluctuaciones aleatorias. Quizás ese ruido ayuda a las células a reaccionar más rápido a los cambios del entorno.

Hoy los ingenieros añaden ruido deliberadamente a las cámaras digitales y a las grabaciones de audio para conservar detalles. Los biólogos empiezan a ver en los “errores” de los sistemas vivos no un defecto, sino un ajuste que la evolución seleccionó para lograr flexibilidad. Si se comprende qué nivel de ruido es óptimo para cada sistema, se podrán crear sensores que capten las señales más débiles y medicamentos que se activen solo en el momento necesario. El ruido deja de ser una interferencia y se convierte en una herramienta.

El nombre "dithering" proviene de las vibraciones mecánicas que se añadían a los instrumentos de aviación para que las agujas no se quedaran pegadas. Más tarde, el mismo principio se aplicó al sonido y las imágenes digitales.

En la novela de Stanisław Lem "Solaris", el océano del planeta genera estructuras complejas a partir de fluctuaciones aleatorias, lo que resuena con la idea de que el ruido puede ser una fuente de orden, no solo una molestia.

Científicos
Albert EinsteinJascha Sohl-Dickstein
Conceptos
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