autoorganización estocástica

Anote la receta y, una hora después, compárela con lo que tiene en la olla: si las proporciones se desviaron aunque sea un gramo, el sabor se perdió. Algo parecido ocurre con las reacciones químicas en sistemas abiertos: la mínima diferencia en las concentraciones iniciales crece con el tiempo hasta dar estados completamente distintos.

En algunos cristales los electrones no están repartidos uniformemente, sino que se alinean formando un estricto tablero de ajedrez: en una casilla hay más electrones y en la vecina, menos. Ese patrón se denomina orden de carga y durante mucho tiempo se consideró algo estático, como el dibujo del hielo en un cristal.

Imagina una gran orquesta sin director. Cada músico escucha a todos los demás y se ajusta al murmullo general. Si cada instrumento amplifica a sus vecinos, el sonido crece hasta el chirrido; si a veces lo atenúa, la orquesta puede quedarse en silencio o desembocar en cacofonía.

En un edificio de nueve pisos, con mil habitaciones por planta, algunos susurran y otros gritan. Los vecinos transmiten las palabras, pero si todos hablan demasiado bajo, el mensaje se desvanece ya en el tercer piso. Si hablan demasiado alto, para cuando llega al último piso se ha convertido en un rugido ininteligible. Entre esos extremos hay un régimen en el que el susurro llega hasta el final sin distorsión.

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.

Una mancha solar — una isla oscura en la superficie ardiente — vive su propia vida turbulenta. Debajo de ella, en profundidades invisibles, flotan gigantescas lazadas magnéticas, como cuerdas retorcidas. Cuando una de estas lazadas emerge a la superficie, puede descargarse en una erupción y lanzar nubes de partículas cargadas al espacio.

Un enjambre de mosquitos parece una nube viva: cientos de cuerpos dan vueltas juntos, pero nadie se alinea ni repite los movimientos del vecino, como hacen los estorninos o los peces. Durante mucho tiempo no se entendía en qué se basaba esa unidad. Los autores del nuevo trabajo sugirieron que los insectos se comunican mediante el sonido.

En 1970, el matemático John Conway inventó el juego de la Vida: un campo celular donde solo tres reglas generan patrones sorprendentemente complejos. Cuarenta años después, apareció SmoothLife, una versión donde el espacio dejó de ser celular y se volvió suave, como una mancha difuminada.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

Un mosaico de cuadrados y triángulos cubre el suelo sin dejar huecos, pero no forma un patrón repetitivo simple. Tal diseño es un cuasicristal, un sólido donde los átomos no se colocan periódicamente, sino siguiendo un patrón de varias ondas de distinta longitud. Estas ondas son inconmensurables entre sí y juntas crean un orden de largo alcance.

Una ciudad de noche: en algunas ventanas la luz está encendida, en otras está oscuro. Si se unen con líneas las ventanas que se iluminan al mismo tiempo, se obtiene una red de conexiones. Los investigadores estudiaron esa red en diminutos organoides cerebrales: agrupaciones vivas de células nerviosas cultivadas en laboratorio.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

Dos jardineros negocian por el agua de un pozo mágico. Uno propone cuántos cubos tomar, el otro puede aceptar o rechazar. Si se hace el trato, el agua disminuye; si no, el pozo se vuelve a llenar gradualmente. Este regateo se repite cientos de veces, y los hábitos de los jardineros a veces cambian aleatoriamente, como si estuvieran probando nuevas tácticas.

Un desierto donde cada paso modifica el relieve. Las dunas se hunden, aparecen nuevas pendientes — y el siguiente paso ya viene dictado por lo que acabas de pisar. Así funcionan aproximadamente los "paisajes de arena" (sandscapes), un modelo matemático inspirado en los sistemas vivos.

Olvídese de la lámina plana: el tejido embrionario es un paisaje dinámico con colinas y pliegues. En las convexidades, las células se estiran; en las concavidades, se comprimen, como si ejecutaran una danza regida por leyes sorprendentemente similares a la curvatura del espacio-tiempo.

En el microcosmos, el ruido —las fluctuaciones aleatorias— suele destruir los frágiles estados cuánticos, igual que las ondas en el agua rompen el reflejo en un charco. Sin embargo, en algunos sistemas, el ruido colectivo y coordinado de muchas partículas produce el efecto contrario: surge un flujo unidireccional estable.

En un mundo que tiende al caos, a veces nace un ritmo. La reacción química de Beloúsov-Zhabotinski ha fascinado durante décadas: en un tubo de ensayo, ondas de colores se propagan por sí solas, como un organismo vivo que respira materia.

Una capa viva de células se asemeja a una multitud en una escalera mecánica. En estado de calma, todos se mueven con fluidez, pero en cuanto surge un apretón, el movimiento se detiene. Así, las capas celulares bajo carga pueden endurecerse repentinamente, transformándose de una masa maleable en un armazón elástico.

Una sábana bien tensa reposa sobre la mesa durante varios días. En apariencia está inmóvil, pero en las fibras de la tela se conserva la tensión: basta con aflojar un poco un extremo y las arrugas correrán, reordenando todo el patrón. De manera muy similar se comporta una capa de células epiteliales en estado de reposo.

Dos partículas cuánticas están unidas por un hilo invisible: una pierde energía, la otra la gana, pero la reserva total no cambia. Si solo seguimos a la primera, sus oscilaciones no se amortiguan: el ritmo es constante, como el de un púlsar cósmico, aunque desde fuera parezca que crece la entropía, el caos.

Un trozo de plastilina, si se amasa, se comporta como un sólido amorfo: ni cristal ni líquido. Dentro de ese material pueden ocurrir avalanchas: una pequeña reorganización arrastra a las vecinas y la onda recorre toda la muestra.

Una goma elástica se estira y vuelve a su forma. Un resorte de acero se comprime y se expande. La elasticidad parece una propiedad de las cosas simples: un trozo de metal o una gota de gel. Pero los autores de este trabajo han mirado más allá. Han demostrado que el espín del electrón —su diminuta rotación propia— también puede ser elástico.

La célula se arrastra sobre un gel, a veces viscoso, a veces elástico, y decide por sí misma cuándo acelerar. No se limita a deslizarse: su motor químico interno (el ruido en la expresión génica puede influir en la producción de "combustible") empuja el borde frontal, mientras que la cola se despega del soporte.

Una multitud en una plaza de la ciudad se comporta de manera diferente según si las personas se toman de las manos. Si cada uno solo roza ligeramente el codo del vecino, la gente se dispersa fácilmente en todas direcciones: la multitud se expande como una alfombra uniforme.

En cualquier grupo hay tríos no escritos: tres amigos que siempre están juntos. Y hay parejas que existen por su cuenta. Resulta que de cuánto "contienen" los tríos a las parejas depende cómo se propaga por el grupo todo, desde un virus hasta una idea nueva. Los científicos introdujeron una medida que llamaron coeficiente de anidamiento.

Si esparces semillas al azar, los brotes se enredan en un caos. Pero si las colocas en hileras uniformes, el campo crece de manera ordenada. Un principio similar funciona con las bacterias.

El cerebro está organizado como un edificio de varias plantas: los pisos inferiores procesan señales simples, mientras que los superiores las integran en imágenes complejas. Los científicos sospechan desde hace tiempo que este orden está relacionado con la forma en que las neuronas trabajan juntas. Pero cómo exactamente seguía siendo un misterio.

Una reacción química se asemeja al paso por un torniquete: una multitud crea caos y se atasca, mientras que una fila ordenada avanza. Sin embargo, en el mundo cuántico, cuando el tumulto se calma, la barrera puede volverse fantasmal: la partícula la atraviesa como si el torniquete desapareciera.

Una orquesta sin director toca y, de repente, sin una orden visible, los violines empiezan a sonar más fuerte y los instrumentos de viento se desplazan ligeramente en el tiempo. Desde fuera parece que nada ha cambiado, pero dentro del conjunto se ha producido una reorganización. Algo parecido ocurre en los sistemas físicos pequeños durante las llamadas pseudotransiciones de tercer orden.

Una bandada de pájaros o un banco de peces a veces se enrolla en un vórtice, aunque ningún individuo dé la orden de 'girar'. Esta rotación colectiva ayuda al grupo a mantenerse unido y a mezclarse mejor. Por lo general se explica porque los propios individuos son asimétricos, como un tornillo, o se empujan unos a otros con un giro.

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.

La red que decide por sí misma cuándo detenerse Una multitud crece: cada nueva persona se une al grupo con una probabilidad que depende de cuán grande sea ya el grupo. Si el grupo es pequeño, unirse es fácil; si es enorme, la gente empieza a dudar y el crecimiento se ralentiza.

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 trozo de masa, si se estira hacia los lados, no se estira de manera uniforme: en un punto se adelgaza y se rompe. El tejido vivo se comporta de manera similar, pero en lugar de una ruptura aparecen bandas de cizallamiento: zonas estrechas donde las células comienzan a deslizarse unas sobre otras, como las cartas de una baraja al cortarlas.

Las células en la superficie del embrión se asemejan a granos de arroz que pueden alinearse en una misma dirección. Este orden se denomina nemático. Surge cuando las células comienzan a actuar de manera coordinada, como un banco de peces que nada en una sola dirección.

Un cristal que por dentro parece una esponja con un laberinto de poros resultó capaz de realizar cálculos. El material, llamado DUT-8, está formado por nodos metálicos y conectores orgánicos que crean una red calada. Bajo la acción de diferentes gases, esta red cambia ligeramente de forma, como un castillo de naipes que se reacomoda con un leve soplo.

Si lanzas una piedra a un estanque, se forman círculos en el agua. En un diminuto cristal magnético también hay ondas, solo que no oscila el agua, sino la dirección de la magnetización. Estas ondas se llaman ondas de espín. Se propagan por el cristal como ondulaciones en la superficie y pueden transportar información.

En el océano a veces surge una ola solitaria enorme que crece de la nada y desaparece. Estas olas gigantes son raras pero peligrosas. Destellos raros y potentes similares ocurren en otros sistemas, desde los mercados financieros hasta los láseres. El problema es que son difíciles de predecir y mucho más de provocar a voluntad.

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.

Dos especies de bacterias comparten una misma placa de Petri. Ambas comen el mismo alimento y, según todas las reglas, una debería desplazar a la otra. Pero en la realidad, a menudo conviven durante años. El secreto está en saber retirarse a tiempo. Las bacterias no se quedan quietas. Cuando aparece un extraño cerca, comienzan a moverse más rápido.