Análisis de Datos, Estadística y Probabilidad physics.data-an

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 pintor que retrata el océano no se limita a dos colores: el cálido y el frío. Del mismo modo, los climatólogos que estudian el El Niño hablan cada vez más de toda una paleta de matices. El El Niño es una corriente cálida frente a las costas de Perú que, cada pocos años, altera el clima en todo el planeta. Su contraparte, la La Niña, trae frío.

Cada temporada de huracanes en el Atlántico se parece a un juego de dados en el que el número de puntos obtenidos depende de tres grandes fuerzas climáticas: El Niño, la temperatura del océano en la 'cuna de los huracanes' y la oscilación del Atlántico Norte.

En un columpio uno puede sentarse y balancearse, o simplemente dejarse llevar de un lado a otro. El océano Pacífico hace ambas cosas. Cada pocos años, el agua cálida frente a las costas de Perú da paso a agua fría, y las precipitaciones, los vientos y ecosistemas enteros en medio planeta se reconfiguran.

El parapente, el ala delta y el planeador son tres alas diferentes, pero en el cielo se comportan igual. Los pilotos captan corrientes térmicas invisibles, ascienden con ellas y luego planean hacia la siguiente. Este vuelo se parece al juego de la rayuela: un salto hacia arriba, luego un deslizamiento hacia adelante, y de nuevo a buscar un lugar para saltar.

La meseta tibetana es una esponja gigante que absorbe lluvia y nieve, y luego entrega agua a los ríos de Asia. Desde el año 2000, la esponja se ha vuelto cada vez más húmeda. Los científicos decidieron comprobar: ¿esta humedad hace la esponja más fuerte o, por el contrario, la ablanda? Aplicaron una medida del desorden: la entropía.

Un grupo de personas busca un objeto perdido en un gran parque. Algunos se cansan y se van, otros se unen por el camino. El número de buscadores cambia constantemente. ¿Cómo afecta esto al tiempo de búsqueda? Hasta ahora, la ciencia no tenía una respuesta clara. En el nuevo trabajo se ha construido un modelo general de este proceso.

En el detector del Gran Colisionador de Hadrones, después de cada colisión de protones quedan miles de puntos: las trazas de las partículas que se dispersan. Una red neuronal aprendió a ver patrones en este dibujo y a predecir qué ocurrió en el momento del impacto.

Una red neuronal, originalmente entrenada para separar ondas gravitacionales reales de interferencias en el detector de ondas gravitacionales, reconoce el desgaste de rodamientos por vibraciones sin reentrenamiento.

Para distinguir una proteína de otra, es necesario describir su forma y composición. Existen decenas de estas descripciones: longitud de la molécula, carga, solubilidad. Pero no todas son igualmente útiles. Un método llamado Differentiable Information Imbalance (DII) sabe seleccionar las características más informativas, descartando las superfluas.

Una red neuronal se puede comparar con una residencia estudiantil donde cada residente tiene su propia habitación. Normalmente, cada característica de los datos ocupa una neurona separada, y el aprendizaje se realiza de forma secuencial: primero una característica, luego otra. Esto es lento y depende de los datos específicos que se encuentren.

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.

En agosto de 2017, los detectores de ondas gravitacionales captaron una señal de la fusión de dos estrellas de neutrones — restos ultradensos de estrellas que explotaron. En ese mismo instante, en toda la Tierra transcurría la rutina habitual: los aviones aterrizaban, los coches circulaban y los navegadores calculaban rutas.

La luz de una estrella lejana, tras atravesar el aire y las lentes del telescopio, pierde nitidez, como si miraras un farol a través de un vidrio mojado. Los astrónomos llaman a este desenfoque la «huella dactilar» del telescopio: cada instrumento tiene la suya propia y hay que conocerla al detalle.

En una oblea de silicio del tamaño de un plato de comida se puede colocar no una sola sustancia, sino un mapa completo con miles de composiciones diferentes. Un láser arranca átomos de los blancos y los deposita en capas finas, cambiando las proporciones de un punto a otro.

Un panel solar en el tejado produce poca corriente por la mañana, mucha al mediodía y nada por la noche. El viento tampoco sopla de cualquier manera: a menudo es más fuerte por la mañana y por la tarde que durante el día.

Una computadora normal, cuando busca una ley de la naturaleza a partir de datos, intenta adivinar una fórmula completa de una sola vez. Es como si un cocinero, sin conocer la receta, echara todos los ingredientes a la vez en la olla y esperara que saliera una sopa. La mayoría de las veces sale una papilla incomible: la fórmula es larga pero sin sentido, y con datos nuevos se equivoca.

En un oscuro pozo bajo los Alpes italianos, un tanque contiene tres toneladas de xenón líquido. Cuando una partícula lo atraviesa, arranca de los átomos débiles destellos de luz y nubes de electrones. Siguiendo estas huellas, los físicos esperan ver la desintegración más rara: el núcleo de xenón-136 se convierte en bario-136, emitiendo dos electrones y ningún neutrino.

El cielo nocturno parece inmóvil, pero muchas estrellas tiemblan como un tambor después de un golpe. El satélite TESS observó durante siete años consecutivos las mismas regiones del cielo y captó ese temblor en 19 151 gigantes rojas, estrellas viejas e hinchadas. Antes se conocían muchas menos de estas gigantes 'sonoras', y ahora la lista ha crecido un 80%.

Una red neuronal entrenada con colisiones de protones y electrones transfirió sus habilidades a un experimento completamente diferente: la captura de neutrinos. Como un cocinero que aprendió a preparar cocina francesa y luego, sin preparación, hornea un excelente plov uzbeko.

Un álbum con cientos de fotos familiares guarda muchas historias. Si miras cada foto por separado, es fácil pensar que el tío es un verdadero gigante: ese día estaba un escalón más arriba que los demás. Pero basta con hojear todo el álbum para darse cuenta de que su estatura es normal; simplemente el escalón apareció en un par de fotos.

Diminutos imanes en una red, el clásico modelo de Ising, suelen describir cómo los vecinos se influyen entre sí. Pero, ¿qué ocurre cuando el sistema es observado de cerca? Cada medición de la energía de un enlace es como una mirada que obliga a los imanes a 'decidir' su estado.

La sinfonía suena, pero en la partitura se ha colado una nota falsa apenas perceptible. Así, más o menos, buscan los físicos desviaciones de la relatividad general en los 'sonidos' del universo: las ondas gravitacionales producidas por la fusión de agujeros negros.

Dos bolas pesadas giran en la superficie de un estanque. De ellas se expanden círculos: son ondas gravitacionales. Cuando las bolas se acercan, las ondas se llevan energía y los círculos se vuelven más frecuentes.

Un tomógrafo de rayos X se parece a un carpintero que examina un tronco desde todos los lados para ver si tiene huecos. Toma decenas de imágenes planas en sombra, girando la fuente y el detector alrededor del objeto. Luego, un programa "ensamblador" une esas sombras en un modelo tridimensional.

En 1867, James Clerk Maxwell propuso una imagen que sigue inquietando a los físicos. Dos compartimentos con gas están separados por una puerta. Las moléculas se agitan caóticamente: rápidas y lentas. Un diminuto portero abre la puerta solo ante las rápidas, dejándolas pasar a un lado, y a las lentas, al otro.

Un espectro es como una fotografía del interior de una sustancia, tomada con luz. Cuando un haz atraviesa la muestra o se refleja en ella, las moléculas dejan en esa foto unas bandas oscuras características: los picos. Pero si la imagen está sobreexpuesta o cubierta por un velo gris, distinguir los detalles resulta casi imposible.

La llama de una vela baila con la corriente de aire: a veces se aviva, a veces casi se apaga. Algo parecido hacen los cuásares — agujeros negros supermasivos en el centro de galaxias lejanas, rodeados de un disco incandescente de materia que cae. Solo que sus oscilaciones no ocurren en segundos, sino en meses y años.

Un diapasón produce un tono puro, pero si se golpea con demasiada fuerza, empieza a vibrar de forma irregular, y el músico podría confundir esa vibración con una complejidad del sonido.

Dos gemelos entran en una habitación por puertas distintas. Cada uno recibe una caja con un botón, y cada vez que pulsan el botón, se enciende una luz roja o verde. Si los gemelos son absolutamente idénticos, cabría esperar que sus luces se enciendan según las mismas reglas internas.

Un microscopio ordinario es inútil cuando se trata de observar un virus individual con todo detalle. Es demasiado pequeño. Pero existe una herramienta que emite destellos miles de millones de veces más brillantes que la luz solar: el láser de rayos X de electrones libres.

El intérprete en la sala se esfuerza por transmitir el discurso del orador, pero la sala es ruidosa: alguien tose, las sillas chirrían, la calle se oye tras la ventana. Si el orador baja la voz, el intérprete sigue traduciendo, pero su voz se ahoga en el ruido.

Los modelos estadísticos son un intento de tender una telaraña matemática perfecta sobre el paisaje irregular de los datos. Cuando el modelo se resiste, emite tensión, pero nos hemos acostumbrado a ignorarla. Los investigadores pasan horas escudriñando gráficos de residuos, tratando de adivinar dónde el modelo «cruje por las costuras». Squealer traduce esa resistencia en sonido.

Cada mes, los satélites miden la temperatura y la humedad sobre distintos rincones del planeta. En 24 años se han acumulado miles de esas mediciones pareadas. Normalmente, la temperatura y la humedad cambian de manera coordinada: cuando hace más calor, el aire retiene más agua; cuando hace frío, la libera. Pero antes de un giro brusco del clima, esa armonía se rompe.

Tira un puñado de arena sobre la mesa: los granos se dispersarán por igual en todas direcciones. Pero si debajo de la mesa hay un imán escondido y la arena es de hierro, las trayectorias se vuelven más astutas: sobre el caos se superpone una estructura invisible al ojo. Así más o menos funciona el movimiento de las moléculas dentro de una célula viva.

Cuando dos núcleos pesados chocan entre sí a gran velocidad, no se golpean por completo, como bolas de billar. Solo una parte de su materia entra en contacto. Cuántos nucleones (protones y neutrones) participaron realmente en la colisión y cuántos pasaron de largo no se sabe de antemano. De este número dependen todas las mediciones posteriores, pero no se puede ver directamente.