jueves, 16 de agosto de 2018

¿Qué son los números imaginarios? - Yves Huttel

¿Qué son los números imaginarios? ¿Tienen alguna aplicación en la vida cotidiana? 
(Por Yves Huttel)



1        Introducción: ¿Por qué este capítulo?

Los descubrimientos humanos aparecen casualmente o como fruto de investigaciones. Me atrevería a decir que estos últimos surgen cuando las investigaciones son orientadas (típicamente investigaciones para resolver un problema concreto en cuyo caso se habla de investigaciones aplicadas) o básicas. Cuando las investigaciones son básicas, no tienen como propósito resolver un problema o aportar una solución concreta. En la sociedad actual se tiende a pensar que las investigaciones básicas tienen poco o ningún interés ya que “no sirven”. Este capítulo tiene como objeto un caso concreto de investigación básica cuyos resultados han resultado ser de gran interés para múltiples/diversas aplicaciones. Como veremos, los números imaginarios no solamente son muy reales, sino que son muy importantes en nuestra vida diaria. A través de este ejemplo, ilustraremos la importancia de la investigación básica.

2        Definición y aspectos históricos.

Los números imaginarios forman parte de los números llamados complejos que se escriben de la siguiente forma: a + ib, siendo a y b números reales (un número real es un número que tiene una parte entera y una lista finita o infinita de decimales). En esta formulación, ib es lo que se llama la parte imaginaria del número complejo. La definición poco intuitiva pero genial de i es que i2 = -1.


          La primera aparición de un número imaginario data de 1545 en la forma de √-15 en un trabajo de Girolamo Cardano (también llamado Hieronymus Cardanus en latín o Jérôme Cardan en francés), matemático, filósofo, astrólogo, inventor y médico italiano (Pavia 1501, Roma 1576). Tanto Girolamo Cardano como otro matemático italiano, Raphaël Bombelli (Bolonia, 1526-1572) en su tratado de matemáticas “L’Algebra”, mostraron el interés de utilizar las raíces cuadradas de números negativos en los cálculos matemáticos. Hasta el siglo XIX los números imaginarios eran considerados como un “truco” matemático imaginado (de allí su nombre) para, en particular, resolver ecuaciones del tercer grado i.e. del estilo ax3 + bx2 + cx + d = 0. Destaca la contribución en ese sentido de la escuela italiana, no solamente con Cardano y Bombelli, sino también de Niccolò Fontana (1499-1557) y Ludovico Ferrari (1522-1565). Posteriormente varios sabios contribuyeron al desarrollo y uso de los números imaginarios a lo largo de los siglos como Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) o Leonhard Euler, matemático y físico suizo (1707-1783) que en 1777 define el número imaginario i tal que i = √-1. Curiosamente este mismo año, nace Carl Friedrich Gauss (1777-1855) quien también contribuirá ampliamente al uso de los números imaginarios.

          Con el tiempo los números imaginarios se han “colado” en todas las áreas de física matemática, donde se utilizan los números complejos para resolver las ecuaciones, en magnetismo, electricidad, dinámica de fluidos, física cuántica, etc. De esta manera, los números imaginarios han dejado de ser una curiosidad matemática y han pasado a ser herramientas que permiten resolver problemas en áreas que indirectamente pero continuamente forman parte de nuestra vida como se ilustrará con algunos ejemplos a continuación.

3        Los números imaginarios bien reales en nuestras vidas.

Aunque aparentemente alejadas de nuestras vidas cotidianas, las matemáticas son parte integrante de nuestro día a día. Aunque no seamos del todo conscientes de ello, la investigación y evolución de los números imaginarios y más ampliamente de los números complejos en matemáticas han permitido resolver problemas matemáticos prácticamente irresolubles (por ejemplo el cálculo de algunas integrales). Estos avances en matemáticas han tenido y seguirán teniendo una repercusión en nuestras vidas. Pero independientemente de estos desarrollos puramente matemáticos los números complejos son herramientas muy importantes en diferentes campos como la ingeniería y la física que de forma más o menos directa afectan nuestras vidas. A continuación presentamos unos ejemplos (entre muchos otros) que ilustran aquello.

          Los números complejos se utilizan para simplificar la modelización y la escritura de fenómenos oscilatorios como son las ondas electromagnéticas y los circuitos electrónicos. Si recordamos que una gran parte de las comunicaciones se realizan utilizando las ondas electromagnéticas (señal de televisión, radio, telefonía móvil…) y que los dispositivos electrónicos que utilizamos (ordenadores, teléfonos móviles, coches, etc.) contienen circuitos electrónicos, resulta evidente la presencia de los números imaginarios en nuestra vida diaria. Por otro lado se utilizan los números complejos en las series de Fourier que permiten el tratamiento y análisis de señales como son las señales electromagnéticas que, como hemos mencionado, se utilizan en particular en telefonía. Por lo tanto podemos decir que cuando utilizamos el teléfono móvil estamos utilizando de forma activa los números complejos y por lo tanto los números imaginarios.

          Otro ejemplo es la mecánica de fluidos (hidrodinámica o aerodinámica) que estudia el comportamiento de los fluidos como puede ser el aire en los contornos de un avión o un coche. En mecánica de fluidos en 2 dimensiones (en un plano) se utilizan los números complejos que permiten una modelización más simple de los fenómenos como el flujo alrededor de un obstáculo. Una herramienta que utiliza los números complejos es la transformación conforme de Joukovsky que permite calcular el perfil de las alas de los aviones. Por lo tanto los números complejos están presentes en el diseño aerodinámico de coches y aviones y en el diseño hidrodinámico de barcos que a su vez permite una reducción de las fricciones y una reducción del consumo de carburante.

          Menos intuitivo y directo es el ejemplo de la mecánica cuántica, para la cual la ecuación de Schrödinger (1925) es una ecuación fundamental que permite describir la evolución temporal de una partícula no relativista. Sin entrar en detalles, se observa claramente que el número imaginario “i” aparece en la ecuación. De la misma forma, los números complejos son utilizados en las herramientas de la mecánica cuántica (espacio complejo de Hilbert, matriz de Heisenberg). En resumen los números complejos se utilizan para explicar el comportamiento de la materia a nivel cuántico. Esto significa que la mecánica cuántica permite describir los fenónemos a nivel atómico como la dualidad onda-corpúsculo y la computación cuántica que rige los ordenadores cuánticos (1).


          Como último ejemplo me gustaría comentar sobre la utilización de los números complejos en el estudio de un tema con el que no nos topamos todos los días pero que llevamos en nosotros: ¡el origen del universo! Según la teoría del Big Bang (o gran explosión) el universo estaba en un estado muy condensado y luego se expandió (con una gran explosión). En ese modelo, si se extrapolan las leyes de la física hacia el origen del universo, nos encontramos con una singularidad (un punto) que estaría aproximadamente a 13800 millones de años (que sería la edad del universo). Stephen Hawking y James Hartle han postulado la hipótesis de un universo sin bordes donde la singularidad inicial no existiría. Esta hipótesis está basada en la idea de que el tiempo “t” cerca del origen del universo es un tiempo imaginario que se define comoτ = i . t {\displaystyle \tau =i.t}  t = i t. Según Hawking y Hartle esta formulación del tiempo permitiría describir la física del universo cerca de sus orígenes (cerca del Big Bang).

4        Conclusiones.

Hemos visto que, lo que inicialmente se considero como un “truco” matemático para resolver ecuaciones en el siglo XVI, y que se llegó a llamar “imaginario” por su extravagancia, está siendo utilizado en nuestros días para resolver problemas de nuestra vida cotidiana. A través de este ejemplo se evidencia la importancia de la investigación básica que por muy “inútil” que parezca puede tener aplicaciones e implicaciones muy importantes en el futuro. En una sociedad donde todo debe ser útil a corto plazo, no cabria la posibilidad de financiar la investigación básica que diera lugar a números “imaginarios” ya que todo tiene que ser real. El caso de los números imaginarios no es único y existen otros ejemplos de resultados de estudios e investigaciones básicas que dieron lugar a importantes aplicaciones. De allí la necesidad de preservar la investigación “imaginaria” para el avance y bienestar de nuestra sociedad.

Notas:

1: “Cómo los ordenadores cuánticos cambiarán para siempre la computación”


Yves Huttel
Doctor en Física
Científico Titular del CSIC

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