inestabilidad

En 1934 Jean Leray demostró que las ecuaciones de Navier–Stokes siempre tienen soluciones «en sentido generalizado». Si la solución sigue suave o puede romperse en una singularidad, no lo supo, y nadie lo supo en noventa años. En 2000 el Instituto Clay incluyó la pregunta entre sus siete problemas del Milenio.

El arquitecto refuerza los cimientos, pero deja una puerta para la reforma: así equilibran los sistemas vivos la fiabilidad y la renovación. La célula copia la información hereditaria con una precisión que ya la quisiera cualquier copista, y aun así es capaz de permitir cambios que ayudan a sobrevivir en condiciones nuevas.

Una membrana bien estirada, encerrada en un estuche estrecho, decide por sí sola dónde romperse. Así ocurre con la célula: cuando está apretada, el punto de ruptura se desplaza del centro y las dos mitades resultan desiguales. Antes se pensaba que tal asimetría estaba predeterminada por marcadores químicos, pero el nuevo trabajo muestra que la mecánica por sí sola es suficiente.

El agua confinada entre dos cilindros, cuando el interno gira, primero fluye en capas uniformes. Pero en cuanto la velocidad supera cierto límite, las capas se pliegan en anillos, como una pila de rosquillas. Los físicos llaman a esto vórtices de Taylor: el flujo pierde estabilidad y aparece un patrón regular.

El tiburón de Groenlandia lleva cuatro siglos nadando en aguas frías, y con cada año que pasa sus probabilidades de morir no suben, bajan. No es un milagro, sino el resultado de un compromiso evolutivo que hasta ahora se le escapaba a la teoría. Un organismo se parece a un presupuesto familiar que no se puede gastar dos veces: cada unidad de energía puede invertirse en reproducirse, en crecer o en reparar el cuerpo.

Un bosque no vive en un mundo estático. En invierno y verano, de día y de noche, las condiciones a su alrededor cambian, y cada una de esas oscilaciones es como un ritmo al que se ajustan todos sus habitantes.

Las especies raras en una gran comunidad son como ramas delgadas de un árbol: es fácil romperlas con una ráfaga casual. Incluso si las condiciones son estables, una población pequeña simplemente no tiene suficientes individuos para sobrevivir una mala temporada.

Cuando dos bolas pesadas se fusionan en una, los círculos se extienden durante mucho tiempo por la superficie del agua. Un agujero negro se comporta de manera similar: después de la fusión, sigue "tañendo" durante un tiempo, emitiendo oscilaciones gravitacionales especiales: los modos cuasinormales.

Un sistema estable funciona como una pelota en un cuenco: un empujón y rueda de vuelta al fondo. La dispersión de las posibles trayectorias —la incertidumbre— se comprime con el tiempo. Pero la velocidad depende de la pendiente de las paredes.

La red eléctrica ferroviaria es como una orquesta: los trenes son músicos cuyos sistemas reaccionan de manera diferente a la corriente. Cuando sus «voces eléctricas» suenan desacompasadas, se produce un desorden, una cacofonía que puede convertirse en una peligrosa oscilación de la tensión.

Una cuerda suena perfectamente limpia hasta que una corriente de aire la roza. Más o menos así funciona el láser superradiant: un haz de átomos, previamente cargados de energía, atraviesa una habitación de dos espejos — el resonador óptico (una trampa donde la luz rebota de un lado a otro).

Los cristales de perovskita capturan la luz solar casi como el silicio, pero cuestan una miseria. Su problema es una fragilidad innata: con el calor y la simple agua del aire, 'enferman'. En su interior crece el desorden, y la brillante lámina se vuelve turbia, perdiendo sus capacidades en un par de días.

Ya Jocelyn Bell Burnell, quien registró por primera vez la estricta periodicidad de las señales de radio, notó que algunos pulsos desaparecían repentinamente. Hoy sabemos que la variabilidad no es un capricho, sino la voz de una electrodinámica compleja.

Un enjambre de luciérnagas apenas choca entre sí, pero cambia de color sincronizadamente intercambiando señales. Así se comportan los neutrinos en los densos flujos de estrellas en colapso: se transforman colectivamente de un tipo a otro, aunque individualmente interactúan muy débilmente.

Cuando una sopa caliente se enfría, aparecen grumos en la superficie; de manera similar, el universo temprano, al enfriarse, generaba filamentos de energía: las cuerdas cósmicas. Algunas se asemejan a una goma elástica tensada: mientras está intacta, es estable. Pero si cortas la goma, se rompe.

Lanza una piedra a un estanque y verás círculos en el agua. El círculo más notorio nace de la onda más fuerte. Así es como los físicos suelen imaginar el crecimiento de las perturbaciones alrededor de un agujero negro: si hay una inestabilidad en el sistema, lo primero que debería manifestarse es su componente más 'ruidosa', la que crece más rápido.

Un patinador se desliza sobre el hielo, acercándose poco a poco al centro de la pista. Un leve giro del torso — y la espiral suave se rompe, la trayectoria se vuelve impredecible. Algo parecido ocurre cuando un agujero negro pequeño con rotación propia (espín) cae hacia un agujero negro gigante.

Un flujo de electrones entra en el plasma como un chorro de agua golpea un estanque tranquilo. El chorro perturba la superficie, generando ondas que crecen rápidamente y mezclan el agua. En el plasma, este proceso se llama inestabilidad de Buneman: el haz de electrones excita oscilaciones que luego disipan su energía.

Una piedra lanzada describe un arco nítido, pero la posición de un electrón en un átomo está difuminada, como una niebla. La transición de uno a otro es un misterio. Un nuevo trabajo muestra que la borrosidad no desaparece por culpa del observador, sino por la propia gravedad.

Lanza dos piedritas idénticas desde la cima de una montaña: si una cae un centímetro más a la izquierda, en un minuto estarán en valles distintos. Una galaxia es como esa montaña, pero con miles de millones de piedras y una ladera que se extiende a lo largo de millones de años.

Los sistemas planetarios jóvenes se parecen a una orquesta que acaba de empezar a ensayar: todos los músicos intentan tocar al mismo ritmo.

Una gota de tinta cae en un vaso de agua y desde ella se expanden círculos. El agua parece simple, pero si miramos en su interior, cada molécula no solo avanza: también gira, como una diminuta peonza. Los físicos llaman espín a esta rotación propia de las partículas.

Un cometa en vuelo es una montaña de hielo y polvo que se desplaza por el sistema solar. Si en esa montaña se colocan pequeños motores, se convierte en una nave con combustible listo: el gas de su interior puede liberarse a través de toberas y cambiar el rumbo.

Un fino chorro de agua en el cristal de la ducha se agrupa en senderos serpenteantes que tiemblan y cambian ante nuestros ojos. Esta película de líquido que fluye por una superficie vertical es un ejemplo clásico de caos en la naturaleza: todo parece fluir hacia abajo, pero la superficie vive su propia vida impredecible.

Una célula puede editarse perfectamente, pero aun así resultar inútil. El gen se corrige exactamente según el plan, pero la célula se comporta de manera impredecible: deriva, cambia su destino, pierde seguridad. Es como arreglar un engranaje de un reloj, pero el reloj sigue andando mal porque todo el mecanismo se ha desajustado.

Un río tranquilo que de pronto empieza a hervir en un tramo llano: así se ve el enigma que abordaron los autores del nuevo trabajo. Tomaron una fina capa de gas cargado con un campo magnético muy débil y siguieron en la computadora qué le sucede. Al principio todo fluye uniforme, como agua del grifo.

Un ecosistema es como un columpio al que alguien empuja imperceptiblemente. Antes se pensaba que lo importante era que el columpio no se balanceara demasiado. Pero los autores del trabajo muestran que lo más peligroso es cuando el punto de equilibrio se desliza hacia un lado donde el columpio ya no puede volver.

En un acelerador de plasma, las partículas se aceleran como surfistas sobre una ola creada en el plasma. Si el paquete líder y el paquete trasero no viajan en la misma línea, surge una inestabilidad que sacude al paquete trasero. Es como si un surfista en una ola comenzara a zigzaguear de un lado a otro: su trayectoria se degrada y puede caerse de la ola.

Una película delgada de óxido metálico descansa sobre una superficie con una pequeña cavidad. Si se comprime ligeramente la película desde los lados, no se arruga, sino que se abomba hacia abajo en la cavidad o hacia arriba formando una joroba. Ambas posiciones son estables, como la tapa de una lata de conservas, que está o hundida o abombada y no salta de un lado a otro por sí sola.

El viento sopla de manera uniforme, pero de repente llega una ráfaga y las hojas se arremolinan. Dentro de esa ráfaga, la velocidad del aire no cambia suavemente, sino a saltos: unas veces hacia adelante, otras hacia los lados. Estos tirones raros y fuertes se denominan intermitencia, y son el gran enigma de la turbulencia.

El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada. Los físicos han encontrado una explicación sencilla.

Un hilo fino en una corriente de agua es como un cabello en el chorro de la ducha. Si el agua se agita de un lado a otro, el cabello se estira con la corriente o se arruga. Los científicos tomaron hilos proteicos reales (actina, de la que están hechos los músculos) y los colocaron en un canal microscópico donde el líquido oscilaba a diferentes frecuencias.

Las partículas cuánticas en un entorno con fuerte desorden se comportan como bailarines que ejecutan pasos sincronizados: cada uno conoce su movimiento y no choca con los demás. Precisamente este flujo coordinado sin fricción —la superfluidez— surgió inesperadamente en un experimento con un chip cuántico superconductor.

Un cuerpo supersólido es hielo que fluye. Como un estanque cubierto por una costra, pero con una profundidad líquida sin fricción. Normalmente, esa costra se crea alterando las propiedades de todo el líquido. Un grupo de investigadores del helio encontró un método más sencillo: hicieron vibrar la superficie con ondas especiales, y el líquido adquirió por sí mismo una «piel» sólida.

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.

En 1946, Felix Bloch predijo que, incluso sin campo magnético externo, en un conjunto de espines existe un momento magnético fluctuante. Crece como la raíz cuadrada del número de partículas, y en muestras pequeñas este ruido puede superar la polarización térmica.