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martes, 18 de abril de 2023

What is randomness? - Lance Fortnow

What is randomness?
(By Lance Fortnow)



We deal with chance every day. The weatherman says there is a 30% chance of rain today. I flip a coin with a friend to decide which movie to see. The cost of my automobile insurance depends on the insurance company’s beliefs in the probability that I will have an accident.

It rains today. The coin lands on heads. I don’t have an accident. Who chose these outcomes or were they predetermined? If they were predetermined, why do we think of these as random events? This isn’t an article about probabilities but about how randomness occurs, or seems to occur in our everyday lives.

 

1          Coin Flips

Let’s looks at a coin flip. Our thumb pushes against the coin into the air causing it to turn over and over. The amount of effort of the thumb, the trajectory of the coin and to lesser extent the pressure and resistance of the air itself control how this coin flips. Eventually the coin hits the ground and depending on the angle will settle into one of two low-energy states, either with the “heads” side of top or the “tails” side.

There is nothing particularly random about this process. Every aspect could be controlled and simulated. Whether the coin lands on “heads” or “tails” is basically determined as soon as the coin leaves the thumb. Nevertheless, we allow or often require that one player call “heads” or “tails” while the coin is in the air and still treat whether the coin lands on “heads” or “tails” as a random event.

The weather and my safe driving depend on far more complex chains of events though again they seem predetermined from the base conditions. Two questions stick out:

-Why do we consider this processes random?

-Is there true randomness in nature?

We’ll tackle the second question first.

 

2          Randomness in Nature

“God does not play dice” famously claimed Albert Einstein, a believer in scientific determinism. Before the 20th century many scientists believed the same, that the world and the universe moves following a path full defined from its current state. In 46 the 20th century we saw the development of quantum mechanics that made us question this philosophy.

Suppose you have a light bulb and put in front of that bulb a piece of cardboard with a thin vertical slit. Then through that slip light will come through only oriented in a vertical direction. We can check that easy enough by putting another cardboard with another slit in front. If that second cardboard has a vertical slit lined up with the first cardboard, then all the light passing through the first cardboard passes through the second. If the second cardboard has its slit oriented horizontally then no light will go through

What if we orient the second cardboard’s slit at a 45-degree angle? About half of the light will go through. As we reduce the light coming from the source, we equally scale down the light that comes through the 45-degree slit.

According to quantum mechanics, light is not made up of a substance that one can make arbitrarily small. Instead light comes in packets, or quanta. Think grains of sand that make up a beach. We can reduce the light source so it emits a single quanta of light, a photon. What happens if that vertically oriented photon hits the 45-degree slit?

You can actually run this experiment and put a photo detector at the other end of the cardboard with a bell that will ring if a photon is detected. Perhaps not surprisingly, half of the time the photon is blocked and the other half of the time it comes out of the slit oriented at the 45-degree angle. Half of the time the bell is rung.

This seems like true randomness, a completely controlled and reproducible experiment that has two distinct outcomes, a bell ringing or a silent bell, each occurring seemingly independent and with probability one half. God does seem to roll dice to choose whether or not to ring the bell.

Or maybe not? Perhaps we are just observing a piece of a larger deterministic system and by measuring the photon we reduce the dimension of the system we see but it is still part of the larger picture. This is a bit confusing so let’s consider what happens if we don’t observe the outcome. Suppose instead of ringing a bell, the detector releases a poisonous gas into a box containing a live cat. If a photon is detected the cat is killed, otherwise that cat continues living unaware of the unreleased gas. Suppose we don’t look inside the box. Thus is the tale of Schrödinger's cat.

Without looking inside the box we don’t know whether the cat is alive or dead, whether or not the photon was detected. We can think of either that the cat is alive or dead and we just don’t know the answer. Or we can view it as a quantum state, where the cat is both possible alive or dead in quantum superposition. Only when we open the box and view the cat does the superposition collapse into one of the states where either the cat is alive or dead. Similarly, someone sitting outside our universe can model out universe with a deterministic transition of quantum states in superposition as long as they never look inside the system.

So do we get true randomness or not in quantum mechanics? There is no true clear answer and is more a philosophical debate than a scientific one. There are other potential sources of randomness, for example black holes that seem to destroy information, that are even harder to reason about.

While physics doesn’t yet give us a clear answer of whether we have true randomness in nature, this question does not address the flipping coin. No single photon knocks this coin off its course. The coin flips in highly controlled experiment will always land the same way. How can randomness happen when events are determined?

 

3          Randomness from Complexity

When we flip a coin, a very deterministic process, why do we consider whether the coin lands on heads or tails random? With the proper sensors and enough computing power we could determine the coin’s outcome from its movement in the air. Typically, the coin we flip these coins between two humans and we just lack the computation power to compute the answer. The outcome of the coin is unpredictable to us, and being unpredictable we treat the answer as a random event. Our inability to compute the answer makes the outcome for all practical purposes random to us.

We can say the same for the weather. The weather agencies have powerful tools and computers to predict the weather but they have to use limited models because even the most powerful machines cannot take into account all the factors that may drive the weather, even for the next day. A weather forecaster still gives a percentage of rain treating rain like a randomized event.

In a casino, the dice and roulette wheels are simple devices yet rely on a number of complex interactions that they too seem completely random. Random enough that casinos literally put their money on the line on the assumption that the bettors cannot predict the outcome of a dice throw or a roulette wheel better than random chance. In craps many casinos will allow the bettors themselves to throw the dice, knowing that even doing so won’t give them an advantage in predicting the outcome. In blackjack, the dealer will often shuffle the cards directly in front of the bettors, and yet the bettors cannot treat the deck as anything but in a perfectly random order. Even card counters assume the deck is perfectly random, they just use the outcomes of earlier cards to adjust the probabilities of later ones.

In financial markets traders need to assume a probability on future prices in order to properly price securities because these prices depend on a complex way on a series of events and future trading.

In the United Kingdom, you can bet on the outcome of sporting events, elections, winners of award ceremonies. The betting sites don’t take a risk here, they set betting odds so that both sides are equally represented and they make money independent of the outcome. But the bettors must make probability estimates, consciously or unconsciously, in order to decide on which outcome to make the bet.

Even consider the game of chess. There is no obvious randomness in chess. The current board position is fully known to both players and no random devices, such as dice used in backgammon or card shuffling used in poker, are involved in a chess match. Yet we talk about risky moves and how likely we think white will win after a certain move in the game. The complexity of chess turns this game of “perfect information” into a game of “imperfect information” seemingly adding a measure of randomness to a game with no obvious source of randomness.

When you ask a computer for a random number, it doesn’t truly give you a random number. Rather it gives you the result of a complex calculation, to give you a number you can treat as random. Similarly, cryptographic protocols make real messages appear to be truly random to those who don’t have the proper decryption keys. There are a number of theoretical results that show how to convert any sufficiently hard function into a pseudorandom generators and cryptographic protocols that cannot be distinguished from true randomness. In practice we have also developed protocols that no man or machine can distinguish from purely random.

 

4          Removing randomness by beating complexity

With better and more powerful algorithms and computers we can sometimes beat randomness built from unpredictability and complexity. Our recent ability to access large amounts of data combined with machine learning algorithms now made feasible on current technology can help break through the unpredictability barrier. We cannot usually completely predict with confidence, but we can gain enough information about future probabilities to get an advantage over those who still view the original events as completely unpredictable.

New models, stronger computers and better algorithms have greatly improved weather forecasting though we are still a long way from forecasting with certainty. Hedge funds use deep mathematical techniques to gain an advantage in trading securities. Some sophisticated bettors can find small imperfections in roulette wheels using hidden computation devices and use that to gain a small but real advantage in betting. A chess playing computer, even housed in your smart phone, can beat any human these days by doing a better job of predicting the chances of winning from potential future game boards better than humans can.


5          What is randomness?

Whether we get true randomness from nature depends on the interpretation of what nature does. Truly what we view as randomness is not randomness at all, rather it is simply what we cannot predict given the complex processes that generates the outcomes of events.

Powerful new machine learning and data analytic tools can help us do a stronger job of prediction but for many events we will never be able to fully predict outcomes. Best we can do is to understand the nature of randomness. Making decisions in the face of uncertainly is one of the great challenges that people go through every day. Even the greatest of leaders will make choices they may later regret given how events play themselves out. But understanding what we cannot predict give us the best chances to address the challenges we have in the future.

Lance Fortnow
Ph.D. Applied Math
Professor and Chair
School of Computer Science, Georgia Institute of Technolgy






Lance Fortnow is professor and chair of the School of Computer Science of the College of Computing at the Georgia Institute of Technology. His research focuses on computational complexity and its applications to economic theory.

Fortnow received his Ph.D. in Applied Mathematics at MIT in 1989 under the supervision of Michael Sipser. Before he joined Georgia Tech in 2012, Fortnow was a professor at Northwestern University, the University of Chicago, a senior research scientist at the NEC Research Institute and a one-year visitor at CWI and the University of Amsterdam. Since 2007, Fortnow holds an adjoint professorship at the Toyota Technological Institute at Chicago.

Fortnow's research spans computational complexity and its applications, most recently to microeconomic theory. His work on interactive proof systems and time-space lower bounds for satisfiability have led to his election as a 2007 ACM Fellow. In addition he was an NSF Presidential Faculty Fellow from 1992-1998 and a Fulbright Scholar to the Netherlands in 1996-97.

Among his many activities, Fortnow served as the founding editor-in-chief of the ACM Transaction on Computation Theory, served as chair of ACM SIGACT and on the Computing Research Association board of directors. He served as chair of the IEEE Conference on Computational Complexity from 2000-2006. Fortnow originated and co-authors the Computational Complexity weblog since 2002, the first major theoretical computer science blog. He has thousands of followers on Twitter.


Fortnow's survey The Status of the P versus NP Problem is CACM's most downloaded article. Fortnow has written a popular science book The Golden Ticket: P, NP and the Search for the Impossible loosely based on that article.

domingo, 6 de noviembre de 2022

¿Un futuro para la ciencia? - Bernardo Herradón

¿Un futuro para la ciencia? Una visión desde la química.
(Por Bernardo Herradón)

(Noviembre 2016)



Desde que nos levantamos hasta que nos acostamos, estamos rodeados de ciencia. Como se indicará más adelante, los beneficios que obtenemos de la ciencia (y sus aplicaciones, la tecnología) superan con mucho a sus posibles riesgos o perjuicios. También hay que tener en cuenta que la mayoría de los aspectos negativos relacionados con la ciencia y la tecnología se deben a su mal uso.

En este capítulo nos aventuramos a hacer pronósticos sobre el futuro de la ciencia, especialmente de la química, basándonos en su evolución reciente, sin olvidar alguna llamada de atención sobre aspectos que pueden hacer peligrar su progreso.

 

1          ¿Habrá ciencia en el futuro?

Esta parece una pregunta de fácil respuesta, ¿cómo no va a existir la ciencia?, ¡con la inmensa cantidad de comodidades y avances que nos proporciona! Sin embargo, hay signos preocupantes que no hacen ser muy optimista sobre el futuro ni tan contundente en esta respuesta. Estas señales son globales, pero se acentúan en países con poca tradición científica, como España. Algunos aspectos preocupantes son:

1.1 Baja percepción social de la ciencia.

Muchas personas no son capaces (o no quieren) de reconocer lo que la ciencia ha hecho por su calidad de vida; e, incluso se destacan aspectos negativos puntuales, tales como “la contaminación ambiental”, “el miedo a los transgénicos”, “la desconfianza sobre métodos para producir energía”, etc.

1.2 Pobre cultura científica.

La sociedad actual aprecia ciertos valores; en los que, por desgracia, la cultura (sin calificativos) no ocupa un papel predominante. Algunos de los asuntos indicados en el párrafo anterior tienen que ver con la falta de cultura del receptor de la información.

1.3 El ‘éxito’ de las pseudociencias.

Como consecuencia de las situaciones comentadas en los dos párrafos anteriores, estamos invadidos por numerosas actividades que, sin base científica, nos “las venden” como científicas. Entre estas podemos citar la relacionadas con la medicina (con la homeopatía, los movimientos anti-vacuna como actividades más destacadas o la mal llamada ‘medicina alternativa’) [1], que supone un peligro para la salud individual y colectiva; o falsas creencias (la astrología es un ejemplo significativo); o las religiones que se mezclan con la ciencia; entre otras.

1.4 El papel de los científicos.

Muchos científicos son responsables de la crisis por la que está pasando la ciencia. En este aspecto podemos destacar dos facetas: su resistencia a transmitir conocimiento (cultura científica) y la ‘exageración’ a la hora de destacar sus logros. En octubre de 2013, la revista The Economist publicó el extenso informe How Science goes Wrong sobre aspectos negativos para la ciencia, como la irreproducibilidad de resultados, la retirada de artículos por mostrar datos incorrectos, etc.

1.5 La política científica.

Por desgracia, en algunos países como el nuestro, la cultura, la educación y la ciencia nunca son prioridades políticas [2]. Comentar que debido a la gravísima crisis económica que estamos padeciendo, las inversiones en estas áreas han disminuido considerablemente. Para la ciencia esta situación es catastrófica, especialmente en dos aspectos. Por un lado, está produciendo que muchos proyectos de investigación se tienen que paralizar (así como el mantenimiento de grandes equipos) y será mucho más costoso y trabajoso si se tienen que retomar en el futuro. Por otro lado, la esperanza de los jóvenes de realizar una carrera científica se está viendo frustrada.

Por lo tanto, vista la situación de la ciencia actualmente, nos podemos preguntar si merece la pena hacer predicciones de futuro sobre la ciencia, su desarrollo y sus aplicaciones. Sin embargo, seremos optimistas y pensaremos que las deficiencias apuntadas en los párrafos anteriores son coyunturales y que habrá ciencia en el futuro. Antes de ir a las predicciones, conviene recordar los beneficios de la ciencia para la humanidad.

 

2          Lo que la ciencia nos proporciona.

Desde los albores de la humanidad con la generación y control del fuego, hemos visto progresos considerables que han desembocado en la situación actual con una civilización tecnológicamente muy desarrollada, en la que gracias a la ciencia tenemos:

2.1 Una vida más larga.

El aumento de la esperanza de vida al nacer se ha duplicado en poco más de 100 años, principalmente debido a los avances médicos basados en desarrollos científicos en diversas áreas.

2.2 La vida es más saludable.

Monitoriza nuestra salud. Proporciona medicinas que curan nuestras enfermedades, piezas de recambio para nuestro cuerpo, palia dolores y achaques.

2.3 Agua pura y potable.

Gracias a una combinación de procesos químicos y químico-físicos, disponemos de agua que podemos beber, usar para nuestra higiene o regar nuestras plantaciones.

2.4 Cuidado del ganado y animales de compañía.

El aumento en la esperanza de vida también se hace patente el resto de animales, en particular, el ganado y los animales de compañía.

2.5 Más y mejores alimentos.

Disponemos de campos más productivos y un ganado más cuidado. Una vez producido el alimento, lo podemos conservar más tiempo en mejores condiciones.

2.6 Nos proporciona energía.

Calor en invierno, frescor en verano, electricidad para la iluminación, nos permite circular en vehículos, etc.

2.7 Nuestra vida cotidiana es más cómoda.

Con el uso de electrodomésticos, la iluminación, el transporte, etc.

2.8 Objetos de nuestra vida cotidiana.

Hace que nuestras ropas y sus colores sean más resistentes y atractivos; mejora nuestro aspecto con perfumes, productos de higiene y de cosmética; contribuye en la limpieza del hogar y de nuestros utensilios; ayuda a mantener frescos nuestros alimentos; y prácticamente nos proporciona todos los artículos que usamos a diario.

2.9 Facilita el ocio.

Actividades como el deporte, la jardinería, la lectura, escuchar música, etc. le deben mucho a la ciencia.

2.10 Estar a la última en tecnología.

Disponer del ordenador más potente y ligero, el teléfono móvil más versátil y con una batería duradera y ligera, el sistema más moderno de iluminación, el medio de transporte adecuado, el material para batir marcas deportivas; y muchas aplicaciones más.

2.11 “Alimenta” el espíritu.

Este aspecto no hay que desdeñarlo. El ser humano es la única especie del planeta que puede disfrutar del placer de aprender, ahondar en el conocimiento. Esta es una faceta en la que la investigación básica juega un papel fundamental.

 

3          ¿Es la ciencia predecible? ¿Deben los científicos hacer predicciones?

La respuesta a la primera pregunta es SI y NO.

3.1 Ciencia predecible.

La ciencia predecible permite avanzar lento pero seguro; esto no es negativo, pues contribuye a satisfacer la mayoría de las necesidades del ser humano. La ciencia predecible es el resultado del diseño basado en el conocimiento previo. Por poner un ejemplo. Imaginemos que necesitamos una sustancia química para tratar una enfermedad y que este fármaco solo supone una ligera mejora respecto a lo anteriormente conocido (esta mejora puede ser debida a muchos factores: más actividad biológica, mayor facilidad de absorción, más fácil dosificación, más estabilidad in vivo, etc.) y que, con los conocimientos actuales de la química, podemos prepararla con ‘relativa’ facilidad. La ciencia lo hace y se consigue un ligero avance usando ciencia predecible.

3.2 Ciencia no predecible.

La ciencia no predecible es en la que se obtienen resultados inesperados. Una vez que se ha confirmado que los resultados son reproducibles, los científicos deben explicar estos resultados. Este tipo de resultados son los que dan origen a las revoluciones científicas. Como ejemplo nos puede servir todos los resultados sorprendentes que se obtuvieron a finales del siglo XIX y principios del siglo XX, como los descubrimientos de los rayos X y de la radiactividad, las pruebas de la existencia del electrón, el efecto fotoeléctrico, los experimentos de bombardeo de láminas metálica con partículas a, etc. Todos estos hallazgos requirieron el desarrollo de nuevas teorías para explicarlos, dando lugar al nacimiento de la mecánica cuántica.

3.3 ¿Deben los científicos predecir?

Por otro lado, ¿deben los científicos predecir? La respuesta es SI. Como Whitesides ha expuesto, hay varias razones [3]:

a) planificar nuestro trabajo

b) alimentar nuestra curiosidad

c) por razones filosóficas, pues la ciencia y la tecnología son importantes elementos culturales en nuestro tiempo y sociedad

d) por razones éticas: ¿qué investigación no deberíamos hacer?

e) los científicos y la ciencia se deben implicar en los cambios sociales

f) la sociedad espera que los científicos especulemos con el futuro.

 

4          El futuro: ciencia básica.

Aunque estamos jugando a adivino, los pronósticos se basan en algunos avances científicos recientes que deberán desarrollarse en las próximas décadas. Aunque en el título de este apartado se menciona la ‘ciencia básica’, estamos de acuerdo con la frase de Pasteur de que “no existen áreas de la ciencia a las que podamos llamar básica y aplicada, sino que existe la ciencia y sus aplicaciones”.

Sin embargo, como se discutirá en el apartado siguiente, la ciencia debería avanzar para satisfacer las necesidades del ser humano; pero siempre recordando que, históricamente, la inmensa mayoría de los dispositivos que usamos actualmente han surgido de investigaciones básicas que no pretendían ninguna aplicación práctica.

Actualmente en todas las ciencias se vive una situación ‘excitante’, con avances espectaculares recientes que deberían ser confirmados y desarrollados en las próximas décadas. A continuación, se apuntan algunas áreas de desarrollo futuro en las cinco ciencias básicas.

4.1 Física.

El principal objetivo de la física es, nada más y nada menos, que entender las leyes que rigen el universo y expresarlas en forma matemática. La confirmación experimental de la existencia del bosón de Higgs y los hallazgos que se están produciendo en el LHC y en otros aceleradores de partículas suponen un avance considerable en el modelo estándar que intenta explicar la interacción entre la materia y la energía desde el punto de vista de las interacciones fundamentales (electromagnetismo, nuclear fuerte y nuclear débil); pero aún queda mucho por descubrir. Algunos de los mayores avances en física estarán relacionados con la teoría cuántica de la gravitación (y la detección del gravitón, la partícula que media en esta interacción), la materia oscura, la energía oscura y el origen del universo. El reciente anuncio de la detección de ondas gravitacionales también es un progreso muy importante para entender el origen y destino del universo.

4.2 Biología.

El objetivo de la biología no es menos importante que el de la física: entender qué es la vida y su evolución. La biología moderna se sustenta en dos aproximaciones científicas: la evolutiva y la molecular, frecuentemente unidas. En los últimos años hemos presenciado avances espectaculares en la filogenética de numerosos seres vivos, especialmente del ser humano, basado en los progresos de la biología molecular. Este tipo de investigaciones, en la frontera entre la biología y la paleontología, se seguirá desarrollando en las próximas décadas. Recientemente se han publicado avances impresionantes en la denominada biología sintética. Dejando aparte denominaciones tan llamativas (y falsas) como “que los científicos juegan a ser Dios”, esta área científica puede ayudarnos a entender los aspectos básicos de lo que constituye la vida y su evolución.

4.3 Geología.

En geología se seguirá avanzando en la comprensión de las erupciones volcánicas y en los terremotos, que pueden servir para su predicción. La investigación de objetos extraterrestres supondrá un tema de interés para las próximas generaciones de geólogos.

4.4 Matemática.

La mayoría de los matemáticos seguirán investigando en temas que, aparentemente, no tienen aplicaciones prácticas; sin embargo, como se ha demostrado a lo largo de la historia, muchos desarrollos científicos en matemáticas han tenido aplicaciones en áreas científicas y tecnológicas en áreas muy distantes [4].

4.5 Química.

Finalmente, la química debería seguir cumpliendo el papel que lleva realizando desde hace más de 200 años: proporcionar los materiales que usamos en nuestra vida cotidiana (la química es la ciencia de las cosas cotidianas), lo que se discutirá más adelante. Sin embargo, la química también tiene que desarrollarse en algunos aspectos que establezcan de manera inequívoca sus fundamentos, (lo que ya ocurre en física). Este objetivo se logrará a través de la matematización de la química, lo que servirá para: a) establecer sus bases teóricas; b) interpretar más fácilmente los resultados; y c) aumentar el poder de predicción. Los avances en matemáticas, física y ciencias de la computación serán de gran ayuda para alcanzar estos objetivos. El desarrollo en el área frontera entre la química y las matemáticas también tiene implicaciones en la filosofía de la ciencia, pues puede ayudar a profundizar en las relaciones entre estas dos ciencias y la física (con las dos opciones extremas: el reduccionismo y el autonomismo).

 

5          El futuro: las aplicaciones de la química.

¿Qué debe hacer la ciencia, en general, y la química, en particular, en el futuro? La respuesta es fácil. Como en los dos últimos siglos: la química debe satisfacer las necesidades de la sociedad.

Aunque no sabemos cuales serán estas necesidades, podemos anticipar que, tal como está la sociedad actualmente, las áreas (muy amplias) que tendremos que atender son:

5.1 Energía.

Actualmente nuestra sociedad es consumidora en exceso de energía. Esto es consecuencia de nuestro progreso. La energía que consumimos procede principalmente de los combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). Los inconvenientes son graves: recursos limitados, no renovables, y contaminantes. Además, desde el punto de vista químico, quemar derivados del petróleo supone que estamos gastando miles de compuestos químicos que suponen las materias primas con las que fabricamos bienes de consumo, principalmente los plásticos y polímeros con infinidad de aplicaciones. El futuro de la energía depende del uso de fuentes renovables de energía (por ejemplo, la solar), que convertiremos en electricidad. La química está desarrollando procesos y materiales con lo que se puede aprovechar más eficientemente la energía solar y almacenar de manera adecuada energía eléctrica (pilas, baterías, supercondensadores, células de combustible, etc.).

5.2 Medio ambiente.

El deterioro medioambiental está estrechamente relacionado con nuestro consumo excesivo de energía. Si conseguimos los objetivos indicados en el apartado anterior, también contribuiremos a resolver el problema medioambiental. Es indudable que parte de la culpa de la alta contaminación ambiental se debe al uso excesivo y no adecuado de sustancias químicas. La química contribuirá implantando procesos industriales que sean medioambientalmente más adecuado (la conocida como química verde y química sostenible), sustancias químicas menos perjudiciales e investigando métodos para eliminar contaminantes ambientales, como por ejemplo procesos que sean capaces de eliminar el dióxido de carbono o los óxidos de nitrógeno de la atmósfera.

5.3 Salud.

La química seguirá proporcionando compuestos biológicamente activos que se podrán usar como fármacos. También se desarrollarán biomateriales que servirán para reparar o reemplazar partes de nuestro cuerpo, un área de intenso desarrollo actualmente. Con sustancias químicas se estudiarán procesos biológicos con implicaciones en el desarrollo de enfermedades (la química como una herramienta en biomedicina).

5.4 Alimentos y agua.

La química seguirá contribuyendo a que los campos sean más productivos, mejoraremos la calidad de los alimentos, haciéndolos más seguros. Un aspecto importante es que tenemos que conseguir métodos de purificación de agua que sean transportables a cualquier lugar del planeta.

5.5 Materiales tecnológicos.

El futuro dependerá de tener instrumentos eficientes, pequeños y atractivos que sean útiles en nuestro trabajo, ocio y vida cotidiana. Dentro de estos desarrollos tenderemos a la miniaturización (la nanotecnología es el futuro y la química tiene mucho que aportar) en dispositivos electrónicos, mejores equipamientos deportivos y muchas más aplicaciones.

5.6 Aspectos sociales.

Además, la ciencia del siglo XXI tiene que cumplir una función social, contribuyendo a las acciones de igualdad (de género y entre países). Concretamente, la química debe contribuir a la mejora de las condiciones de vida (salud, higiene, alimentación, agua) de los países en vías de desarrollo.

Para lograr todos estos objetivos, miles de químicos de todo el mundo están investigando activamente para obtener y estudiar sustancias químicas (materiales y fármacos) con lo que abordar los retos indicados en los párrafos anteriores. Algunas áreas de desarrollo actualmente son:

-Máquinas moleculares

-Cristales líquidos más resistentes y energéticamente más adecuados

-Materiales con óptica no lineal

-Electrónica molecular

-Interruptores moleculares (en electrónica o en computación)

-Ordenadores moleculares

-Materiales quimioluminiscentes (conversión de energía química en luz)

-Diodos emisores de luz

-Antenas de luz (conversión de energía lumínica en química, centros fotosintéticos artificiales)

-Materiales nanoestructurados

-Equipos pequeños para monitorización (ambiental, salud, etc.)

-Almacenamiento y transporte de hidrógeno

-Almacenamiento y transporte de electricidad

-Producción eficiente de energía (con el menor impacto medioambiental)

-Convertidores de energía (química/lumínica/eléctrica).

-Nanocápsulas para transporte de fármacos

-Biomateriales: inertes biológicamente o que se integren en el tejido (funcionales)

-Purificación y potabilización de agua

-Fármacos para tratar enfermedades neurodegenerativas

-Compuestos para estudiar procesos biológicos con aplicaciones en biomedicina (interacción de proteínas, ácidos nucleicos, rutas de señalización, inmunología, etc.)

-Fármacos para tratar enfermedades raras

-Fármacos para tratar enfermedades de países en vías de desarrollo

Y todo esto, de manera eficaz; lo que, en química, significa: con el mínimo impacto ambiental, con el mayor aprovechamiento energético, y lo más barato posible.

 

6          Ciencia y futuro.

En este breve capítulo nos hemos atrevido a pronosticar algunos aspectos del futuro de la humanidad que dependerán del desarrollo científico y tecnológico. Estando de acuerdo con la frase (atribuida a Bohr) “hacer predicciones es difícil, especialmente sobre el futuro”, no queremos ponernos el gorro de futurólogos y lo apuntado en este capítulo debe considerarse especulativo.

Pero se puede afirmar que no sabemos cómo será el futuro de la humanidad, no sabemos cómo será el futuro de la ciencia, ni de la química; lo que sí sabemos es que SIN CIENCIA NO HAY FUTURO.

 

Notas:

[1] Realmente no hay alternativa a la medicina, por lo tanto este término es un oximoron.

[2] B. Herradón, Journal of Feelsynapsis 2013, # 11, 46. (JoF 2013, # 11, 46; http://jof.feelsynapsis.com/011/index.html )

[3] G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 3632.

[4] Este aspecto se discute en el artículo The unplanned impact of Mathematics, publicado en la revista Nature 2011, 475, 166. (Esta información está sacada de la página http://www.graphene-info.com/graphene-products).

 

 

Bernardo Herradón

Doctor en Química

IQOG - CSIC

 



 

domingo, 31 de marzo de 2019

¿Semivida de un isótopo? - Enrique Macías Virgós

¿Por qué se habla de la semivida de un isótopo y no de su vida entera?
(Por Enrique Macías Virgós)



El término "semivida" (en inglés half-life, a veces traducido incorrectamente como "vida media") empezó a usarse para predecir el comportamiento de algunos isótopos radioactivos, pero puede aplicarse en muchos otros contextos.

La semivida es una noción matemática ligada a la idea de "probabilidad". Un átomo inestable puede liberar en cualquier momento algún tipo de partícula subatómica o radiación, convirtiéndose en otro elemento químico. El ritmo con que esto ocurre difiere de un elemento a otro. Además, es imposible predecir cuándo va a tener lugar este “decaimiento radioactivo” para un átomo concreto; pero podemos usar técnicas estadísticas para estimar cómo va a comportarse una masa grande de átomos. En el modelo matemático que explica este proceso se observa que la cantidad de átomos radioactivos se reduce a la mitad siempre que transcurre un determinado tiempo. Este período de tiempo es la “semivida”.

Por ejemplo, el carbono-14 se va convirtiendo en nitrógeno, con una semivida de 5730 años, y este dato puede servir para determinar la edad de un fósil. El 14C se forma en las capas altas de la atmósfera por la acción de los rayos cósmicos; para simplificar, podemos suponer que su concentración se mantiene constante. Las plantas y los animales lo absorberán, en esa misma proporción, pero solo hasta su muerte, y la cantidad de isótopo que aún hay en el fósil nos dará una indicación precisa del tiempo que ha pasado. Por este método de datación recibió Willard F. Libby el Premio Nobel de Química en 1960 [1].

Otro ejemplo es el plutonio-238, que es de uso común para dar energía a algunas naves espaciales [2]; así, varias misiones Apolo dejaron en la Luna un “generador termoeléctrico de radioisótopo" (es decir, un aparato que convierte el calor producido por la radioactividad en electricidad) para permitir realizar experimentos durante años. Como el 238Pu tiene una semivida de 88 años, si un generador de este tipo tiene una potencia de 100 Watios, al cabo de 40 años la potencia será algo más de 70W. El cálculo exacto requiere utilizar logaritmos, pero puede hacerse con una sencilla calculadora científica.

El modelo matemático que rige estos fenómenos aparece siempre que el ritmo al que cambia una cantidad sea proporcional a su valor actual. Algunas reacciones químicas, la altura del agua en una piscina que se está vaciando por el fondo o la evolución de algunos activos financieros siguen este modelo.

Un ejemplo típico en Farmacocinética [3] es la concentración en sangre de un medicamento cuando se administra una inyección por vía intravenosa en una sola dosis rápida (en contraposición a la perfusión continua mediante gotero). La distribución del fármaco en los tejidos está afectada por muchos factores y la metabolización se realiza a través del hígado y la orina, entre otras vías. Pero el resultado global es que el organismo elimina la sustancia a un determinado ritmo de “aclaramiento”, medido en volumen de plasma o sangre por unidad de tiempo, y la cantidad total de fármaco que permanece en el cuerpo depende de la concentración, que a su vez va cambiando. De este modo se puede predecir la concentración plasmática que habrá en un determinado momento, o bien estimar la dosis que se inyectó inicialmente, o la vía por la que se está excretando, ya que cada sustancia tiene una semivida diferente.

Por ejemplo, un antibiótico como la amoxicilina tiene una semivida de 1-2 horas mientras que la del diazepam (usado para los trastornos de ansiedad) es de 30-60 horas. Conocido este parámetro, habrá que tener en cuenta si el medicamento no es de mucha toxicidad, para dar más espaciadamente dosis más grandes, o si debe fraccionarse a lo largo del tiempo, ya que se sigue acumulando al dar dosis repetidas. Para la mayor parte de los medicamentos hay una concentración por debajo de la cual el fármaco es inefectivo, y otra por encima de la cual es peligroso.

En la perfusión continua, en cambio, se trata de alcanzar una concentración de equilibrio que se mantenga en el tiempo. En la práctica clínica, se considera que la concentración se estabiliza indefinidamente cuando han pasado aproximadamente siete semividas.

Modelos parecidos se usan en otros tipos de administración de cualquier sustancia. Así, la semivida de la cafeína ingerida por una persona sana está entre 1,5 y 9,5 horas, dependiendo de las circunstancias fisiológicas y ambientales (uso de anticonceptivos, fumar, embarazo) [4].

En resumen, desde que E. Rutherford (premio Nobel de Química) formuló por primera vez hacia 1902 la idea de la semivida o “período de semidesintegración” [5] de un isótopo, esta noción se ha convertido en algo común en muchas ramas de la Ciencia. La fórmula exacta que se utiliza en estas situaciones se conoce con el nombre de “decaimiento exponencial”, ya que la variable tiempo aparece en el exponente, y es un ejemplo más de cómo se pueden explicar y simular matemáticamente muchísimos fenómenos experimentales, algunos con aplicaciones imprevisibles, en lo que se ha dado en llamar “la irrazonable eficacia de las Matemáticas” [6].

Una última curiosidad: el volumen de la espuma de una cerveza también decae exponencialmente con el tiempo, y la semivida depende del tipo de cerveza. Este descubrimiento le valió a sus autores un premio “Ig Nobel” de Física en el año 2002 [7].

Enrique Macías-Virgós
Doctor en Matemáticas.
Profesor Titular Universidad de Santiago de Compostela.





Nació en Vigo (Pontevedra) en 1956. Doctor en Matemáticas, completó su formación postdoctoral en la Universidad de Lille (Francia). 

Es profesor titular de la Universidad de Santiago de Compostela en el área de Geometría y Topología, e investiga en temas relacionados con la topología algebraica y la teoría de foliaciones. Ha impartido numerosas conferencias de divulgación sobre las Matemáticas.

miércoles, 30 de enero de 2019

Beatriz Gato Rivera (IFF - CSIC)

Doctora en Física / Ph. D. Physics








Web IFF





-Iluminando el lado oscuro del Universo.
Roberto Emparan








-Enanas marrones.
María Cruz Gálvez Ortiz






Y yo quiero ser... (Beatriz)

Pues yo me sentía muy atraída por la ciencia desde muy pequeña, a pesar de no contar con familiares científicos ni ingenieros ni nada parecido (mis padres ni siquiera sabían que era la física). 
Estando en el recreo en el colegio, yo tendría 10 u 11 años, vi que una amiga mayor que yo, dos cursos por delante, que se llamaba Lilí, estaba repasando una lección en un libro que se llamaba Física y Química. Le pregunte que qué era la física y ella no supo que decirme, entonces me tendió el libro y dijo: mira el libro, así ves lo que es la física. 
Me puse a ojearlo, recuerdo ver el dibujo de un barco con explicación de mecánica de fluidos, entre otros dibujos. Unos minutos después le devolví el libro a mi amiga y le dije: 
esto es lo que yo quiero hacer cuando sea mayor, quiero ser física. 
Resultado: que no tengo ni idea de por que soy científica, siempre me atrajo mucho desde mi niñez sin ninguna razón que lo justifique. (Sera que fui científica en alguna encarnación anterior y me quedo trabajo pendiente por realizar......).


Beatriz Gato Rivera es científica titular del CSIC, miembro del Instituto de Física Fundamental (IFF). Licenciada en Ciencias Físicas y doctora en Física Teórica, tras finalizar su tesis doctoral en el tema de la supergravedad estuvo tres años investigando en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), en el marco de la teoría de cuerdas, continuando con estas investigaciones tres años más en el CERN. Ha sido directora del departamento de Partículas, Campos y Cosmología durante cuatro años y ha sido investigadora principal de cuatro proyectos de investigación. Desde 2008 es la investigadora responsable del grupo de Física Matemática en el IFF. Sus intereses científicos se centran sobre todo en la física de partículas, en la gravitación y en los fundamentos de la física cuántica.


Editorial CSIC

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Antimateria, Materia Oscura y Energía Oscura