Física Computacional physics.comp-ph

Una supercomputadora que simula el comportamiento del plasma láser se parece a una cocina donde cientos de chefs preparan un mismo plato. Si en una hornilla se amontonan diez personas y en otra no hay nadie, el trabajo se detiene. Lo mismo ocurre en los cálculos: las partículas de plasma se acumulan en unas zonas del espacio, dejando otras casi vacías.

El clima se parece a una orquesta sin director: cada músico escucha a los demás con retraso y la partitura cambia en pleno concierto. El océano, la atmósfera, el hielo y la tierra intercambian energía continuamente, y la más mínima falla en un instrumento puede convertirse en un cambio de toda la melodía.

Un intérprete en una negociación solo escucha las palabras ya dichas, pero aun así adivina la siguiente frase. Así funciona el nuevo método de predicción de El Niño: no mira hacia el futuro, sino que se basa únicamente en el pasado, como un oyente honesto. El Niño-Oscilación del Sur (ENOS) es la principal oscilación climática interanual en el Pacífico tropical.

En la sala deliberan cincuenta sabios, y cada uno observa el océano a su manera. Uno atiende a la temperatura de la superficie, otro al viento, un tercero a cómo se oculta el calor en las profundidades. Sus juicios a menudo se contradicen, pero hay un decano que sabe en quién confiar más.

En 2008, un grupo de físicos dedicó meses de tiempo de supercomputación para calcular una única magnitud en la teoría de la gravedad cuántica.

Los algoritmos informáticos diseñan chips ópticos que separan las señales por colores no mediante líneas rectas, sino a través de misteriosos laberintos sinuosos. Estos patrones caóticos, casi orgánicos, funcionan perfectamente, pero hasta ahora nadie sabía qué parte del diseño era realmente importante.

La Luna no es simplemente una bola de roca, sino una campana gigante. Al atravesarla, las ondas gravitacionales la hacen vibrar casi imperceptiblemente. Este temblor fue predicho por Einstein, y Weber fue el primero en intentar escucharlo con detectores terrestres.

La ciencia es una enorme cocina donde los científicos-cocineros buscan nuevas recetas. Antes los ingredientes se seleccionaban manualmente, ahora la inteligencia artificial ayuda como un experimentado chef.

Los electrones — diminutas partículas en las moléculas — maniobran constantemente, evitando colisiones, como pasajeros en hora pico. Para calcular su comportamiento, los científicos establecen una regla de distancia personal: una función matemática que indica qué tan cerca puede acercarse un electrón a su vecino.

Una fina lámina de carbono, similar a una delicada red de triángulos, hexágonos y octágonos, reposa sobre un sustrato. Por sí misma no es superconductora: los electrones se mueven en ella de manera desordenada, chocando con los átomos. Pero basta con estirar uniformemente esta lámina, como se tensa un lienzo sobre un bastidor, y el panorama cambia.

Los modelos informáticos que predicen las propiedades de los materiales a nivel atómico suelen requerir un largo ajuste manual. Para que un modelo funcione con precisión, se le muestran numerosos ejemplos: cómo están dispuestos los átomos y cómo interactúan. Los científicos dedican semanas a seleccionar estos ejemplos a mano. El nuevo programa AutoPot lo hace por sí solo.

Los grafos se consideran iguales si su «relieve» coincide. Dos mapas con montañas y valles: incluso con diferentes trazos, las alturas y pendientes pueden ser las mismas.

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.

En los primeros minutos después del Big Bang, el Universo se parecía a una cocina ardiente. Sobre ella, según la «receta» del modelo estándar, debían cocinarse hidrógeno, helio y un poco de litio. Pero los telescopios ven tres veces menos litio del que dicta esa receta.

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.

Una placa delgada se coloca transversal al flujo de agua o aire. Detrás de ella nace una estela: una zona donde el flujo se enreda y se mezcla. Normalmente, esta estela se vuelve turbulenta cuando la velocidad del flujo es suficientemente alta, y la medida de esto es el número de Reynolds.

Dentro de un diminuto sensor de aceleración, el gas no se comporta como el aire de una habitación. Hay tan pocas moléculas que rara vez chocan entre sí, y las leyes habituales de viscosidad y conductividad térmica dejan de funcionar.

Una foto a través de un vidrio empañado siempre sale borrosa. La luz, al atravesar la muestra, se dispersa y la cámara solo ve una mancha en lugar de una imagen nítida.

En una máquina de circulación extracorpórea, la sangre fluye a través de tubos estrechos y aspas de bomba que giran rápidamente. A veces los glóbulos rojos no aguantan: su membrana se rompe y la hemoglobina se vierte en el plasma. Para el paciente, es como si alguien echara arena en el sistema de combustible de un automóvil: los pequeños daños se acumulan y estropean todo el mecanismo.

Al norte de la llanura de Arabia Terra hay campos que parecen un cerebro gigante: crestas y surcos serpentean como circunvoluciones. En la Tierra, estos patrones aparecen en regiones frías cuando el agua del suelo se congela y descongela, y las piedras se ordenan solas en bandas.

Cuando un haz de rayos X se refleja en un cristal, dibuja en el detector un patrón de manchas y franjas. Si el cristal es perfecto, el patrón es simple. Pero dentro de un material real, los átomos suelen estar desplazados: en unas zonas comprimidos, en otras estirados. Entonces el patrón se vuelve parecido a las ondas que deja una piedra al caer al agua, y descifrarlo a mano es casi imposible.

El agua de un río fluye uniforme hasta que encuentra un estrechamiento. Allí la corriente se acelera y, tras el recodo, puede arremolinarse en un remolino. Unos remolinos similares, pero del tamaño de una molécula, son capaces de reunir partículas en un mismo lugar por sí solos, sin bomba ni motorcito.

Un superconductor es un material que, a muy baja temperatura, conduce la electricidad sin pérdidas: los electrones se mueven sin chocar entre sí, como una multitud que camina por un pasillo perfectamente liso.

Miles de modelos hierven en un mismo caldero, y el vapor que desprenden es denso e impenetrable. Cada uno susurra algo sobre el futuro de El Niño, pero en el ruido general no se distingue quién tiene razón y quién solo se está calentando.

Dentro de una celda de combustible, los protones deben correr rápidamente a través del material sólido, como pasajeros a través de torniquetes en hora punta. Si los torniquetes son escasos y estrechos, la corriente es débil. Antes, para encontrar un material con buena conductividad protónica, los químicos probaban compuestos casi a ciegas, uno por uno.

Un material es como una persona: si lo estiras durante mucho tiempo, lo recuerda y se comporta de manera diferente. Durante años, los ingenieros han estado ajustando fórmulas para describir esa memoria. Ahora, una red neuronal lo hace por sí sola. La nueva arquitectura iCKAN toma los datos de los ensayos y los convierte en ecuaciones.

Imagina el espaciotiempo como un vasto estanque. Un motor warp es un barco que lo cruza. Algunos barcos, como el famoso motor de Alcubierre, agitan el agua formando remolinos caóticos. Otros, como el diseño Rodal, se deslizan suavemente, apenas dejando una onda.

El silicio es como un bloque de construcción universal: con él se fabrican los chips de los teléfonos, los paneles solares y los láseres. Pero si se comprime con una fuerza enorme, los átomos se reorganizan en nuevos patrones: estas formas se llaman alótropos. Uno de ellos, el Si-XIII, se observó por primera vez hace más de veinte años, pero su patrón exacto seguía siendo un enigma.

Cuando el haz de protones entra en el cuerpo del paciente, se frena y genera un flujo de neutrones, como una piedra lanzada al agua que salpica. Con estos neutrones, los médicos comprueban a qué profundidad se han detenido los protones, para que la irradiación alcance exactamente el tumor y no los tejidos sanos.

Un aparato de resonancia magnética convencional es un imán enorme que no se puede mover de lugar y una computadora potente que convierte las señales del cuerpo en una imagen. En los últimos años han aparecido tomógrafos portátiles con campo más débil: son ligeros, baratos y pueden funcionar en un hospital de campaña o en una ambulancia.

La materia oscura es invisible, pero su atracción mantiene unidas a las galaxias, impidiendo que se desintegren. Durante mucho tiempo se pensó que las partículas de materia oscura se atraviesan unas a otras sin notarse. Sin embargo, en las galaxias pequeñas, la densidad de materia oscura en el centro resulta ser menor de lo que predicen los cálculos.

En un flujo turbulento — como en un río caudaloso — la energía se transfiere constantemente de los grandes remolinos a los pequeños. A veces surgen ráfagas especialmente potentes, similares a golpes repentinos de ola contra la orilla. Los científicos se preguntaron: ¿se puede saber de antemano cuándo golpeará tal «ola»? Resultó que la respuesta depende de qué vórtices viven en el flujo en ese momento.

Los sistemas físicos saben calcular. Si se construye un paisaje de colinas y valles de modo que el punto más bajo corresponda a la respuesta, el sistema rueda hasta allí solo, como una canica. El problema es que en el fondo suele haber una zona plana y la canica tarda mucho en quedarse quieta. Los autores del trabajo proponen empujar la canica hacia el lugar correcto antes de empezar.

Dentro de un trozo de metal, los electrones no se quedan quietos, sino que se mueven como el agua de un río. Pero no se puede ver ese movimiento directamente: es demasiado rápido y diminuto. Los científicos idearon un camino indirecto: toman "instantáneas congeladas" del líquido electrónico a diferentes temperaturas y, a partir de ellas, reconstruyen cómo se movían exactamente los electrones.

Los materiales viscoelásticos — polímeros que, como la masa, guardan memoria de cada toque: su reacción a un impacto depende del historial de deformaciones. Ya Максвелл y Больцман dieron una descripción matemática de esto.

Una pelota cae al suelo, se aplana por un instante y sale disparada hacia arriba. Cuánta energía devuelve depende del material: el caucho rebotará casi a la misma altura, mientras que un trozo de arcilla simplemente se estrellará y quedará ahí.

El plasma es un gas en el que los electrones se han separado de los átomos, y se comporta como una sopa de partículas cargadas. Para predecir cómo fluye y se calienta esa sopa, hay que saber cómo chocan las partículas e intercambian energía.

Un cristal de germanio con estaño se parece a un mosaico donde cada tesela es un átomo. Si colocas las teselas al azar, el color del mosaico es uno, pero si las ordenas formando un patrón, es otro.

Una partícula de oro de unos pocos nanómetros se parece a un diminuto diamante tallado, pero con cinco caras en lugar de las habituales. En su interior se esconde un defecto, como una grieta en el vidrio que puede sanar o romper toda la pieza. Los científicos decidieron averiguar qué hace que este defecto se mueva y desaparezca.

Si se calienta un cristal, sus átomos empiezan a vibrar como cuerdas tensadas. Un haz de rayos X que atraviesa el cristal se dispersa en esas vibraciones y dibuja en el detector no solo manchas nítidas, sino también patrones débiles y borrosos. Estos patrones son como huellas dactilares: a partir de ellos se puede reconstruir con qué fuerza los átomos se atraen y se repelen.